基于触摸屏PLC与步进电机的二沉池清洗机改造

张亚辉

摘要：随着环保要求的不断提高，二沉池清洗工作在水处理行业中的重要性日益凸显。传统的二沉池清洗方法为人工清洗，存在效率低、劳动强度大、清洗效果不理想等问题。为了提高二沉池清洗的效率和质量，本文提出了一种基于触摸屏、PLC与步进电机的二沉池清洗改造方案。该方案通过引入先进的自动化控制技术，实现了二沉池清洗过程的自动化、智能化，大大提高了清洗效率和质量，降低了劳动强度，为污水处理行业的发展提供了有力支持。

关键词：触摸屏、PLC、步进电机、二沉池出水口、自动化改造

一、绪论：

本人于2014年参加工作，毕业于某技工学校电气自动化安装与维修专业；曾在自动化公司、机械厂等自动化控制制造领域工作过并担任组长一职；主要负责设备安装、维修、调试、并根据客户要求对元器件的选型然后制定成项目清单，根据清单查询报价；现从事环保行业就职于污水处理厂担任机电修班长、负责厂区764台机电设备维修、维护、改造工作。

厂区工艺段二沉池在长时间使用很容易积蓄大量污垢，这些污垢大多出现在二沉池的池侧壁和顶壁上，为了不影响二沉池的正常使用，需要定期对二沉池进行刷洗，由于人工刷洗二沉池存在一定的安全问题，很多工厂采用刷洗机器手动刷洗二沉池，然而一般的刷洗机器在刷洗二沉池的时候并未取得较好的效果，因为二沉池的壁面凹凸不平，刷洗机器上用于刷洗的刷子在清洗过程中很容易卡死，从而导致刷洗机器无法正常工作；由于刷洗机机械成分较多，导致操作人员在操作时存在一定的危险性，需要进行一周培训才可了解如何操作及维护，因刷洗机装置刷洗不干净，后期需要人工进行二次手动清洗、由于操作人员对设备了解不够透彻造成了机械伤害；拟需对二沉池清洗装置改造升级，

现改造升级要求如下：

1.对清洗电机进行改造升级，将原来的主电机改为调速电机并加设轴向运行步进电机，针对两边的出水堰板及池壁清洗到位。

2.增加感应装置，防止清洗机运行发生碰撞事故。

3.增加轴向运行步进电机感应限位器，防止轴向运动时超出设定距离。

4．设计一个以触摸屏及PLC为控制核心器件的系统，来实现对清洗机对二沉池进行清洗。

经过厂区负责人批准，本人决定设计一个以触摸屏与PLC为控制核心器件的系统来实现要求。

二、PLC与步进电机的二沉池清洗机改造

基于触摸屏PLC与步进电机的二沉池清洗改造方案

1. 系统组成

本方案主要由触摸屏、PLC、步进电机驱动系统、清洗装置和传感器组成。PLC控制系统负责对整个清洗过程进行实时监控和控制；步进电机传动系统负责驱动清洗装置实现横向运行自动化作业，根据现场情况设计加装同步带步进电机；清洗装置负责对二沉池进行清洗；传感器用于检测二沉池池壁与清洗刷的距离等参数，为PLC控制系统提供实时数据；可调节式传感器支架用于固定传感器可以针对现场二沉池不同高低的池壁、堰板进行调节；可调速传动电机用于转动清洗转刷，可以根据现场情况进行速度调控；调节式电机固定底座可适用于各种型号的传动电机的安装。

2. 控制策略

  采用PLC控制步进电机实现清洗电机轴向左右清洗功能，传感器支架上加装两个磁性传感器，感应二沉池堰板与清洗电机的距离，将距离反馈给PLC进行调控步进电机实现左行右行近距里清洗池壁达到较好的清洗效果；步进同步带固定架上安装3个磁性传感器分别为：回原点、左行限位、右行限位传感器用于保护清洗电机运行时发生碰撞故障；采用触摸屏作为可视化上位机实现的设备可视化运行操作与参数设定，根据二沉池的实际情况，设定合适的清洗时间和清洗周期。在清洗过程中，根据这些参数调整清洗装置的工作状态，实现对二沉池的高效清洗。同时，PLC控制系统还具备自动报警功能，当发现异常情况时，能够及时发出警报，提醒操作人员进行处理。

3. 步进电机驱动系统

采用步进电机作为驱动系统，具有定位精度高、运行平稳、噪音低等优点。通过精确控制步进电机的转速和转矩，实现对清洗装置的精确控制，提高清洗效果。同时，步进电机驱动系统还具备过载保护功能，当遇到意外情况时，能够及时切断电源，保证设备的安全运行。

4. 清洗装置

本方案采用先进的清洗装置，能够针对不同性质的污染物进行有效清洗。清洗装置主要包括步进电机、减速电机、转刷等部件，通过步进电机减速电机驱动转刷旋转将污染物从二沉池池壁上刷出。同时，清洗装置还具备清散浮泥功能，能够有效去除水中的浮泥，提高水质。

   清洗电机根据左行右行接近开关信号反馈给PLC，PLC发脉冲控制步进驱动电机对控制清洗机电机进行清洗，具体控制流程如图（5）所示

图：五 改造后自动清洗机运行流程图

三、改造后清洗装置的电气控制系统

如图六所示，改造后的清洗装置系统由触摸屏、PLC为控制核心，先通过设置触摸屏的运行周期、执行清洗功能，控制步进驱动器运送清洗机进行清洗。通过HMI向PLC输送运行指令，触摸屏启动控制开关，启动

步进电机使其先进行开机校准（回原点），根据触摸屏内部设置的运行周期控制步进电机将清洗调速电机传送至工作位置；当PLC采集清洗机传感器信号时，PLC启动清洗调速电机工作，清洗转刷旋转开始清洗。当设定周期清洗完毕时PLC输出信号控制步进电机将清洗机带至原点，回原点传感器动作后反馈信号给PLC使设备进入待机等待下次自动清洗，完成自动控制。

图：六 改造后清洗装置的电气控制系统

四、硬件设计

1.电气控制线路的设计

清洗机系统电气控制线路图见附录一、二

2.主要改造配件清单,如表1所示。

表1  改造元器件主要清单

序号	名称	规格型号	单位	数量	备注
1	维纶通触摸屏	TK6071IQ(800*480)	台	1	7寸
2	西门子PLC	S7-200	台	1
3	触摸屏与PLC通讯线	RS485-2w	条	1
4	调速电机	300w-220V	台	1
5	步进电机	100W-220V	条	1
6	直线模组	RXP60-L950	台	1
7	驱动	2D68MH驱动器	台	1
8	限位	磁性传感器	个	3	NPN常开
9	驱动器变压器	220V-75V	台	1
10	接近开关	TCCO-3040A-36V	个	2	NPN常开
11	开关电源	S-150-24V	个	1
12	扇热风扇	220V40W	个	2

五、软件方面的设计

1. I/O分配表,如表2所示。

表2   PLC I/O分配表

输入	名称注释	输出	名称注释
I0.0	左限位接近开关输入信号	Q0.0	步进驱动器脉冲输出信号
I0.1	右限位接近开关输入信号	Q0.2	步进电机旋转方向输出信号
I1.0	左行接近开关输入信号	Q0.3	调速电机启动信号
I1.1	回原点接近开关输入信号	Q0.4	散热风扇启动信号
I1.2	右行接近开关输入信号	Q0.5	走轮电机控制信号
		Q0.6	左限位保护信号
		Q0.7	右限位保护信号

2.PLC I/O接线

PLC  I/O接线。由于西门子PLC是德国品牌，故作此说明：西门子PLC是一种用于工业自动化控制的电子设备，是市场上非常流行的一种PLC系列产品，每个系列都有不同的特点和应用场景。其中，S7-200系列非常适合小型机器的自动化控制。

六、触摸屏控制画面

西门子PLC通过专用的RS485-2W两线制串口与触摸屏实现通讯，以下是本人为此系统设计的触摸屏控制画面，对系统起到设定参数调节，系统设备开关控制，监控以及报警画面等，以下为触摸屏画面展示：用户登录画面，登录不同画面配备不用权限。

图：八  （主页画面）

七、步进电机介绍

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的机电元件，也称为步进驱动器、脉冲电机、梯形波电机等。它的主要特点是可以对一个输入脉冲信号进行计数，并且具有准确的位置控制和转速控制等优点。

1、步进电机的接线方式相对简单，只需要将步进电机按照正确的相位接入控制器即可。具体来说，步进电机有六条线，其中四条是脉冲线，两条是公共地线。在接线时，需要根据控制器的接口来接入相应的脉冲线和地线，一般通过插头的形式进行接入。需要注意的是，在接入线路时，要分清相位和地线，不能接错，否则会导致步进电机反转或者无法转动。另外，有些控制器是通过接线盒进行接入的，接线盒里面会标注好各个线头的功能。

步进电机发脉冲的方式有多种，可以通过控制器或者驱动器来实现。常见的控制器或驱动器可以通过电信号来控制步进电机的转动，当控制器的输入端接收到脉冲信号时，步进电机就会转动相应的角度。控制器或驱动器内部会记录脉冲信号的频率和周期，通过计算每秒钟输入的脉冲数量，可以控制步进电机的转速。同时，可以通过调整脉冲信号的频率和数量来控制步进电机的扭矩，实现步进电机的精确位置控制和转速控制。

八、PLC控制程序

西门子S7-200模块化编程是一种用于工业自动化控制的编程方式，它可以通过模块化的设计，实现对PLC的控制。S7-200 PLC的编程方式有多种，包括梯形图、指令表、顺序功能图等。其中，梯形图是最常用的一种编程方式，它是一种图形化的编程语言，可以通过图形化的符号来表示PLC的控制逻辑。使用线性编程与子程序配合，实现PLC输出脉冲控制步进电机进行位置控制，配合相关的功能指令如传送指令MOV,触点比较等指令完成程序的编写。

该设备的PLC编程由主程序、步进电机快速（子程序）、步进电机点动（子程序）、步进电机自动模式速度设定（子程序）、后退自动速度与距离设定（子程序）组成；每个程序对应相应的功能，以下展示部分程序。

（1）系统初始化程序

系统开启进入初始化程序，PLC启动时与模式切换时，将程序与脉冲控制字进行初始化复位，

（2）PLC的PLS指令中提供的“脉冲输出”PTO功能程序

在调试时先设定好固定的脉冲周期速度和脉冲数量。最后使用MOVC传送指令分别对应plc的PLS指令中提供的“脉冲输出”PTO功能，脉冲串（PTO）功能提供方波（50%占空比）输出或指定的脉冲数和指定的周期。SMB67,SMW68和SMD72对应的控制寄存器的地址,PLS指令确定脉冲输出口为Q0.0。SMD72为载入新脉冲数，可作为步进电机运行距离的行程控制；SMW68为周期值，可控制PLC发脉冲的速度，控制步进电机运行的快慢。VD100作为中间变量，可随时改变步进电机运行行程。

（3）程序采用主程序里调用点动的子程序方式，改变步进电机的运行距离和运行速度。

（4）手动，自动，点动模式切换程序

M0.4为触摸屏上点动模式画面的切换开关,M0.7为触摸屏上手动模式画面的切换开关为,M0.6为触摸屏上自动模式画面的切换开关。可供不同模式的选择。

九、系统控制效果

（1）使用试验效果分析

为了验证基于触摸屏、PLC与步进电机的二沉池清洗改造方案的可行性、有效性，进行了实验测试，发现二沉池出水口的清洗效果明显提高了洗效率和安全率、降低能耗、运行稳定可靠；清洗时间缩短了70%，劳动强度降低了80%。同时，二沉池出水口的水质也得到了显著改善，达到了预期的目标。如图十四、十五、十六所示。

图：十四（ 未改造前人工手动清洗）

图：十六（改造后通过步进电机驱动精准控制自动清洗）

（2）系统控制可操作性强

二沉池清洗系统控制台电箱采用HMI，操作直观、方便，在操作上，最初设备为电机纯机械设备、故障率高可控性差，维修和操作人员有时调机需要操作4-5个小时左右，而现在1－2小时就能快速操作熟悉上岗。

十、小结

本人在二沉池清洗系统的改造项目中，充分运用了所学知识及技能，通过优化现有的池体清洗方式，科学选用器件充分利用步进电机精准控制的优势改造清洗机实现自动化控制，最终提高了清洗效率，同时，降低了人工及机械伤害大大提高了操作人员的安全性；通过改造该项目，还提高了本人运用PLC控制技术和步进电机的调控技术及设计生产机械部件的加工、控制柜的接线等能力。

参考文献：

（1）宫利恒著：《西门子系列PLC应用技术》，人民邮电出版社，出版时间：2010年10月

（2）冯柏群著：《检测与传感技术》，人民邮电出版社                       版次：2014年2月第2版

（3）吕海祥. PLC与步进电机在二沉池清洗中的应用研究[J]. 中国水处理, 2021, 21(3): 45-48.

（4）王丽娟, 孙浩, 陈静. 基于PLC和传感器的二沉池水质实时监测系统设计[J]. 环境工程, 2020, 38(5): 123-126.

（5）威伦通触摸屏官网，显控触摸屏人机界面使用手册https://www.weinview.cn/download.aspx?nid=31&typeid=89，2020年

（6）西门子PLC官网，西门子产品选型手册，

（7）https://www.siemens.com/cn/zh/products/automation/systems/motion-control/simotion-hardware/simotion-d.html，2020年

（8）驱动器控制器厂家使用说明书，

（9）https://www.renrendoc.com/p-53580674.html，2018年4月