葉章穎　鮑偉君　張豐登　張亞東　李海軍　朱松明

(浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 杭州 310058)

0　引言

水處理是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(Recirculating aquaculture systems, RAS)中的一項關(guān)鍵工藝流程[1-3]。在眾多去除水體中會對養(yǎng)殖動物和系統(tǒng)產(chǎn)生危害的固體顆粒物[4-6]的方式中，轉(zhuǎn)鼓式微濾機是應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，主要用來去除粒徑較大的顆粒物，具有通用性好，需要勞動力少、水頭損失低、維護容易和占地空間小等優(yōu)勢[7-8]。

隨著循環(huán)水養(yǎng)殖朝著高密度、集約化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展，自動化、信息化、智能化是必然趨勢[9-12]。目前有關(guān)微濾機控制的文獻報道較少，主要是對單臺微濾機進行簡單的啟?？刂芠13-14]，并沒有分析其型號、結(jié)構(gòu)、工作原理以及具體的控制系統(tǒng)設(shè)計，且控制系統(tǒng)基本上是采用硬邏輯控制，在復(fù)雜的養(yǎng)殖環(huán)境中容易發(fā)生故障。對于大型養(yǎng)殖企業(yè)來說，由于養(yǎng)殖面積大，養(yǎng)殖密度高，需要使用多臺微濾機對養(yǎng)殖水體進行初級過濾，如果按照單臺單控模式，不但會提高設(shè)備成本，而且一旦控制電器發(fā)生故障，排查起來比較困難，特別是工廠化室內(nèi)養(yǎng)殖車間，為防止帶入細(xì)菌，維修人員不可隨意進出，這會給微濾機控制系統(tǒng)的維護帶來不便。此外，對于靠液位開關(guān)監(jiān)測反沖洗時才會運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓式微濾機主要配有2個液位開關(guān)，當(dāng)其發(fā)生故障時，由于沒有能應(yīng)對此種情況的較為經(jīng)濟的工作模式，會導(dǎo)致微濾機對固體顆粒物的過濾不及時而影響后續(xù)水處理過程，進而影響整個系統(tǒng)的性能。

西門子(Simens) S7-200系列可編程邏輯控制器(Programmable logic controller, PLC)具有很高的性價比[15]，能夠適應(yīng)復(fù)雜的養(yǎng)殖環(huán)境，可以減少設(shè)備之間的硬件接線，采用軟邏輯控制更加安全，程序錯誤易查易改，可移植性強，對實現(xiàn)多臺微濾機的控制具有較大的優(yōu)勢。針對多臺轉(zhuǎn)鼓式微濾機的控制要求，本文在分析框架式轉(zhuǎn)鼓式微濾機的工作原理基礎(chǔ)上設(shè)計基于PLC的10臺轉(zhuǎn)鼓式微濾機3種運行模式控制系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)的軟、硬件進行設(shè)計，對程序進行編寫和驗證，以期優(yōu)化轉(zhuǎn)鼓式微濾機機械性能，提高微濾機控制系統(tǒng)維護和管理效率，降低生產(chǎn)成本，為RAS裝備自動化集成提供思路。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

為了實現(xiàn)PLC對框架式轉(zhuǎn)鼓式微濾機的自動化控制，需要分析其工作原理，以實現(xiàn)控制要求。轉(zhuǎn)鼓式微濾機按照外觀構(gòu)造可分為箱體式和框架式兩種類型。圖1、2分別為框架式轉(zhuǎn)鼓式微濾機的結(jié)構(gòu)示意圖和微濾機及液位開關(guān)的安裝圖。

圖1　框架式轉(zhuǎn)鼓式微濾機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure schematic of microscreen drum filter with frame1.機架　2.支撐滾輪　3.排污槽　4.減速電動機　5.進水口6.轉(zhuǎn)鼓框架　7.鏈輪　8.箱蓋　9.排污口

圖2　轉(zhuǎn)鼓式微濾機及液位開關(guān)的安裝圖Fig.2　Installation picture of microscreen drum filter and level switches1.轉(zhuǎn)鼓式微濾機　2.安裝微濾機水池　3、4.轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液位開關(guān)　5.下一級水池

對于框架式轉(zhuǎn)鼓微濾機，剛開始工作時，轉(zhuǎn)鼓保持靜止，養(yǎng)殖池中的污水從微濾機進水口進入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，通過轉(zhuǎn)鼓表面的濾網(wǎng)進行過濾，已經(jīng)過濾的水體會進入下一個水處理環(huán)節(jié)，隨著被濾網(wǎng)截留的固體顆粒物的不斷累積，水流的阻力變大，致使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)外形成一定高度的液位差，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓中待過濾的水觸發(fā)到高位置的液位開關(guān)時，控制系統(tǒng)會立即啟動減速電機通過傳動系統(tǒng)帶動轉(zhuǎn)鼓運轉(zhuǎn)，同時開啟反沖洗水泵抽取濾液經(jīng)噴嘴噴出對附著在濾網(wǎng)上的固體顆粒物進行反沖洗[5]，這些被截留下來的固體顆粒物會隨著轉(zhuǎn)鼓的運轉(zhuǎn)通過排污槽經(jīng)微濾機排污口排出。隨著轉(zhuǎn)鼓運轉(zhuǎn)和反沖洗的同時進行，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)待過濾污水會順暢地從濾網(wǎng)孔流出，一段時間后，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)水位下降到低位置液位開關(guān)以下時，控制系統(tǒng)會使減速電機停止運轉(zhuǎn)，同時關(guān)閉反沖洗水泵。此時，微濾機完成了一個工作過程，之后又進入下一個工作周期。

2　控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過對轉(zhuǎn)鼓式微濾機工作原理的分析可知，系統(tǒng)涉及液位開關(guān)信號采集等多個信號輸入和控制電機、水泵啟停等信號輸出。西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列小型PLC不僅性價比高、功能強大、編程方便[15-16]，而且可以適應(yīng)像循環(huán)水養(yǎng)殖這樣比較復(fù)雜的工作環(huán)境。

根據(jù)研究需求，本系統(tǒng)選擇控制的微濾機數(shù)目為10臺，為了便于管理和調(diào)試，微濾機設(shè)有3種工作模式，通過3擋轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換。在計算輸入輸出點數(shù)和考慮能適應(yīng)減速電機和反沖洗水泵多次啟停需求的基礎(chǔ)上，選取CPU224 CN DC/DC/DC，14個數(shù)字量輸入，10個數(shù)字量輸出型號CPU模塊，3個EM221，16個數(shù)字量輸入型和1個EM221，8個數(shù)字量輸入型24V DC擴展模塊。其中第1臺轉(zhuǎn)鼓式微濾機的I/O地址分配如表1所示。

表1　控制第1臺轉(zhuǎn)鼓式微濾機I/O地址分配Tab.1　Distribution of I/O ports for controlling the first microscreen drum filter

2.2　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)鼓式微濾機控制系統(tǒng)程序流程如圖3所示。開始時，接通電源，PLC上電初始化系統(tǒng)自檢完成，一切正常后，選擇工作模式，在手動模式中，可以手動控制減速電機和反沖洗泵的運行和停止，能隨時調(diào)試檢驗微濾機能否正常工作；在自動模式中，只有轉(zhuǎn)鼓內(nèi)2個不同高度的液位開關(guān)都被水體觸發(fā)時，減速電機和反沖洗泵才能運行，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液位下降至低液位開關(guān)以下時，減速電機和反沖洗泵才能停止，當(dāng)水處理系統(tǒng)液位發(fā)生故障時，減速電機和反沖洗水泵均不會運行；對于定時模式，是通過定時的方式來控制減速電機和反沖洗泵的運行時間和間隔時間，特別是當(dāng)液位開關(guān)發(fā)生故障時，可根據(jù)水質(zhì)情況啟用定時模式，設(shè)置運行和停止時間可不至于因液位開關(guān)故障而導(dǎo)致微濾機對固體顆粒物的過濾不及時，影響后續(xù)水處理過程，進而影響到整個循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的性能。

圖3　轉(zhuǎn)鼓式微濾機控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.3　Control system program flowchart of microscreen drum filter

3　多模式控制系統(tǒng)實驗

3.1　系統(tǒng)實驗

根據(jù)轉(zhuǎn)鼓式微濾機的工作原理、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計以及程序流程圖編寫PLC控制程序。為了驗證程序能否實現(xiàn)控制要求，根據(jù)西門子S7-200系統(tǒng)手冊[16]結(jié)合微濾機的具體控制要求完成控制電路的接線以及減速電機、反沖洗水泵主電路的接線。所用轉(zhuǎn)鼓式微濾機的型號為：QC-WL-1000K，轉(zhuǎn)鼓規(guī)格為φ1 000 mm，濾網(wǎng)孔徑120 μm，其中10臺轉(zhuǎn)鼓式微濾機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，實驗時，通過USB/PPI RS485編程電纜連接計算機的USB端口，將程序下載到PLC中進行實時監(jiān)控和調(diào)試。

圖4　轉(zhuǎn)鼓式微濾機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure diagram of microscreen drum filters control system

3.2　結(jié)果分析

微濾機在手動模式下正常工作時波形圖如圖5所示，按下啟停按鈕，I0.0置高電平，電源接通，選擇手動模式，I0.1置高電平，此時線圈Q0.0通電，驅(qū)動電機和反沖洗泵運行，關(guān)閉手動模式，I0.1置低電平，線圈Q0.0斷電，電機和反沖洗泵均停止工作，當(dāng)再次打開手動模式時按下啟停按鈕，I0.0置低電平，電機和反沖洗泵均不會運行，說明此種工作模式下，程序可以實現(xiàn)控制要求。

圖5　微濾機在手動模式下工作波形圖Fig.5　Waveforms of microscreen drum filter when it was run under manual mode

微濾機在自動模式下工作時的波形圖如圖6所示，按下啟停按鈕，I0.0置高電平，電源接通，選擇自動模式，I0.2置高電平，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液位上升觸發(fā)低液位開關(guān)時，I0.5置高電平，直至高液位開關(guān)也被觸發(fā)I0.4置高電平時，線圈Q0.0通電，驅(qū)動電動機和反沖洗泵運行，此時液位開始下降，高液位開關(guān)很快復(fù)位，I0.4置低電平，當(dāng)?shù)鸵何婚_關(guān)也復(fù)位時，I0.5置低電平，線圈Q0.0斷電，電動機和反沖洗泵同時停止運行。

圖6　微濾機在自動模式下工作波形圖Fig.6　Waveforms of microscreen drum filter when it was run under automatic mode

當(dāng)微濾機安裝池水位出現(xiàn)故障時，波形圖如圖7所示，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓外高液位開關(guān)被觸發(fā)時，I0.4、I0.5、I0.6均置為高電平，線圈Q0.0不得電，電動機和反沖洗泵均不會運行，當(dāng)水位恢復(fù)正常時，再次按下啟停按鈕，I0.0常開觸點恢復(fù)斷開，線圈Q0.0不得電，電動機和反沖洗泵均不會工作，說明自動程序能夠滿足控制要求。

圖7　水位出現(xiàn)故障時微濾機工作波形圖Fig.7　Waveforms of microscreen drum filter when water level was out of order

微濾機在定時模式下工作時的波形圖如圖8所示，按下啟停按鈕，電源接通，I0.0置高電平，選擇定時模式(為了便于驗證，將暫停時間t1設(shè)為10 s，運行時間t2設(shè)為5 s)，I0.3置高電平，線圈Q0.0會定時通斷，10 s后電動機和反沖洗泵會同時運行5 s，然后暫停10 s，再運行5 s，如此循環(huán)，關(guān)閉定時模式，I0.3置低電平，電動機和反沖洗泵均不運行，說明定時模式程序能夠滿足控制要求。

圖8　微濾機在定時模式下工作波形圖Fig.8　Waveforms of microscreen drum filter when it was run normally under timing mode

按下啟停按鈕，I0.0置低電平，Q0.0不得電，不論模式轉(zhuǎn)換開關(guān)處于何種模式，電動機和反沖洗泵均不會運行。由此說明，程序可以滿足對微濾機的控制要求。

3.3　討論

目前，RAS中的自動化控制主要體現(xiàn)在對pH值、溫度、溶氧、氨氮、亞硝氮等水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)控和采集[17-18]上，對常規(guī)設(shè)備的控制主要有增氧機、自動投飼機、水溫調(diào)節(jié)裝置、循環(huán)水泵和紫外殺菌器[17-22]等，控制數(shù)量和模式較為單一，因此對多臺轉(zhuǎn)鼓式微濾機進行多模式控制對提高RAS自動化水平具有一定的研究意義和實用價值。

此外，實驗中發(fā)現(xiàn)，由于所用微濾機減速電動機位置較低，如果微濾機安裝池水位出現(xiàn)故障，電動機會存在被淹的風(fēng)險，為了避免發(fā)生此種情況，需要提高電動機安裝位置。實際運行時還觀察到：當(dāng)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)外液位差達(dá)到一定高度時，轉(zhuǎn)鼓還會承受較大的壓力(圖9)。為了了解工作過程中轉(zhuǎn)鼓的受力情況，合理配置微濾機部件，優(yōu)化微濾機機械性能，為控制系統(tǒng)實驗提供可靠的基礎(chǔ)保障，現(xiàn)對轉(zhuǎn)鼓進行受力分析。

圖9　即將反沖洗時的狀態(tài)Fig.9　State when it was about to be backwash

如圖10所示，為微濾機靜止時轉(zhuǎn)鼓的受力情況，由靜力學(xué)分析可知

∑Fx=0∑Fy=0∑MB=0

經(jīng)計算可得

(1)

(2)

式中F1、F2——兩個支撐滾輪對轉(zhuǎn)鼓的支持力，N

F3——軸承端對轉(zhuǎn)鼓的支持力，N

F4——轉(zhuǎn)鼓中的水對轉(zhuǎn)鼓的壓力，N

G1——轉(zhuǎn)鼓自身所受的重力，N

θ——支撐滾輪安裝角度，(°)

l1——轉(zhuǎn)鼓長度，m

l2——短軸長度，m

設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)水所受的重力為G2，可求得

(3)

式中ρ——養(yǎng)殖水的密度，kg/m3

R2——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑，m

g——重力加速度，9.8 m/s2

y——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的水位值，m

根據(jù)牛頓第三運動定律可知G2=F4。

圖10　微濾機靜止時轉(zhuǎn)鼓的受力分析Fig.10　Force analysis of microscreen drum filter at static

當(dāng)微濾機開始反沖洗時，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動會受到2個支撐滾輪的摩擦力f1、f2，設(shè)微濾機逆時針轉(zhuǎn)動，滾輪與轉(zhuǎn)鼓之間動摩擦因數(shù)為f，此時受力分析如圖11所示，由靜力學(xué)分析可知

∑Fx=0∑Fy=0∑MBy=0

經(jīng)計算可得

(4)

(5)

(6)

圖11　微濾機運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)鼓的受力分析Fig.11　Force analysis of microscreen drum filter in operation

靜止時，由式(1)、(2)可知：在l1、l2、G1、θ不變的情況下，隨著過濾的進行，F(xiàn)4逐漸變大，F(xiàn)3、F1、F2也隨之變大，這就使得軸承、滾輪支撐軸和滾輪要承受轉(zhuǎn)鼓和水體給其的最大壓力，在l1、l2、G1、F4不變的情況下，F(xiàn)1、F2隨θ的增大而減??；運轉(zhuǎn)時，隨著反沖洗的進行，由式(5)、(6)可知F1、F2除了與θ有關(guān)還與動摩擦因數(shù)f有關(guān)，且F1>F2，從電機和傳動能耗角度考慮，應(yīng)盡可能減小摩擦力對能量的損耗，使得轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，因此f越小越好，滾輪與轉(zhuǎn)鼓接觸面應(yīng)當(dāng)光滑。

在上述分析基礎(chǔ)上結(jié)合轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速(3 r/min)及其同軸度、安裝精度等要求，選擇能承受較大徑向載荷的調(diào)心滾子軸承，滾輪支撐軸軸徑為5 cm，滾輪材料為塑料，安裝角θ為30°，使用擺線針輪減速電機(電機功率P為0.12 kW，轉(zhuǎn)速n為1 420 r/min，速比i1為473)，相應(yīng)的傳動方式為直齒圓錐齒輪傳動。根據(jù)文獻[23]中齒輪傳動的設(shè)計方法得出的齒輪參數(shù)如表2所示。

表2　用于驅(qū)動微濾機運轉(zhuǎn)的圓錐齒輪參數(shù)Tab.2　Bevel gear parameters for driving microscreen drum filter

圓錐齒輪的傳動比i2為1∶1，即與減速電動機輸出軸相連的主傳動軸轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速。根據(jù)圓軸的抗扭強度條件、扭轉(zhuǎn)時的剛度條件及其安全性，設(shè)計的主傳動軸參數(shù)如表3所示，由軸的兩端橫截面間的扭轉(zhuǎn)角φ=0.34°可知，結(jié)果滿足設(shè)計要求。

表3　主傳動軸參數(shù)Tab.3　Main drive shaft parameters

改進后的減速電動機布置及傳動方式如圖12所示，相比于改進之前，具有電動機能耗低、齒輪傳動平穩(wěn)的優(yōu)點。

圖12　改進前后的減速電動機及傳動方式對比Fig.12　Comparison of reducer and transmission mode before and after improvement

4　結(jié)論

(1)針對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中框架式轉(zhuǎn)鼓式微濾機的控制要求，設(shè)計了基于西門子S7-200 PLC的多臺轉(zhuǎn)鼓式微濾機多模式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對10臺轉(zhuǎn)鼓式微濾機在手動、自動和定時3種運行模式下的控制，對于解決在較為復(fù)雜的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中硬邏輯控制電路、控制電器易發(fā)生故障、檢修不便等問題具有較大的優(yōu)越性，相比于單臺單控，節(jié)約了成本，提高了微濾機自動化水平。

(2)多臺微濾機多模式控制系統(tǒng)實驗結(jié)果表明：對于手動模式，可以隨時控制減速電動機和反沖洗泵的啟停；對于自動模式，減速電動機和反沖洗泵的啟停由2個液位開關(guān)共同控制，當(dāng)2個開關(guān)均被轉(zhuǎn)鼓內(nèi)水體觸發(fā)時，才進行反沖洗作業(yè)，當(dāng)?shù)鸵何婚_關(guān)恢復(fù)常開狀態(tài)時，反沖洗才停止，且當(dāng)水位發(fā)生故障時，不進行反沖洗；對于定時模式，可以根據(jù)水質(zhì)情況設(shè)定反沖洗的時間和頻率。

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