Scientific Journal of Control Engineering October 2013, Volume 3, Issue 5, PP.325-330
Design of the Control System of Rotary Floating Selecting Machine Chunhui Lu School of Mechanical-Electronic Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China Email: chunhuill@yeah.net
Abstract When the flood comes, there will be a huge volume of floating accumulated in front of the dam. The floating does harm to the reservoir facilities and makes the water dirty. That’s a serious problem in many rivers now. Because it were bulky and wrapped round each other, how people collect it turns to a difficulty. The nuclear question is that the floating turns decayed faster so the selecting speed should be higher than before. The research finished the design of the floating selecting machine control system, gave the principle of the signal detection and control system, and then gave an example to show how PLC system control the machine in detail. This design made the machine cheap and high efficiency in selecting floating. After the experiment, the system can be well through the early warning, salvage duty cycle, to achieve the desired purpose. Keywords: Floating; Rotary Floating Select Machine; Control System; PLC System
回转式清漂机控制系统设计 陆春晖 河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022 摘
要：当汛期洪水来临的时候，江河湖海中会有大量漂浮物聚积在大坝前和河道中，不仅会威胁水库设备，还会污染
水体的水质。由于这时候漂浮物大量集中于部分水域，体积庞大且相互缠绕，使打捞成为难题。因漂浮物容易腐败变质， 使得提高目前清漂机的打捞效率成为核心问题。在此以水库大坝前回转式清漂机的新型自动控制设计为内容，详述清漂 机控制系统的组成和原理，以 PLC 系统对清漂机各部分机构运动进行信号控制及各种异常情况的报警，实现低成本高效 率地清漂。经过实验，这一系统能够很好地完成整个预警、打捞工作循环，实现了预期目的。 关键词：漂浮物；回转式清漂机；控制系统；PLC 系统
引言 水面漂浮物对于水质和旅游业的影响最大，对水库设备也有较大的威胁。近年来，内河工业和生活垃圾 也逐步增加，不少河面漂浮着发泡塑料，各种建筑垃圾在河底越聚越多；河中还不时悬浮着各种塑料袋；沿 nvolvement 河两岸企业无视国家的法律法规，违规倾倒废弃物。大量污物的聚集，严重影响下游泵站的正常 运行，尤其到了汛期，易造成道路、民宅被淹和电站无法发电的巨大的财产损失。如何进行及时清理漂浮物 是一项重要的课题。漂浮物大致可分为三类：一类是生活垃圾和工业垃圾，如塑料、泡沫等；第二类为树木 和农作物秸杆；第三类是灾害类漂浮物。漂浮物主要在汛期集中出现。在非汛期时漂浮物很少，而且主要是 生活垃圾。[1] 2003 年，由于有大量漂浮物出现，三峡总公司租用两条 2640 马力的大拖轮进行坝前漂浮物处理。每条 船上 40 人，在 5 月至 11 月每天作业。漂浮物最多的时候，只好让船上人员实行 24 小时作业。另外，还租用 了 17 条小船在坝前静水区和双线五级船闸航道内清漂。但这种做法不仅耗时耗力，而且收效不佳。 - 325 http://www.sj-ce.org
目前世界上最大的清漂船是日本容量 50 立方的“水木花”号海面清扫船。如果用两条这样的船来清理 坝前漂浮物，按每条船每天清理 5 趟计，则一天可清理 500 立方米，那么，在长江三个月的主汛期里，也只 能清理 4.5 万立方米。[2]而对于 2005 年 6 月长江航道在三天中漂浮物 6 万立方米的来量，这个清漂船的清漂 能力显然不够。并且，清漂船的造价高，生产时间长，且打捞范围不能覆盖到整个河道。到每年雨季排涝时， 江苏的江都水利枢纽坝前的水草堆满了 500 米长的水道，且大都相互缠绕成团，深至水面下 4-5 米。江都水 利枢纽目前使用的是固定格栅、人工清漂，漂浮物堆积太多时不得不提闸放行或停机清捞，根本不能发电或 消除漂浮物，只能任其继续向下游漂流，直至入海。而从浙江到苏南，每年开春后，都有以水花生为主的水 草铺满大片水面。以常熟市虞山水电站为例，水花生面积就达 500 万平方米，不但在主汛期影响抗涝排涝， 而且若不及时清理，就会腐烂发臭，严重影响环境卫生和人民的身体健康。 清漂设备大致可分为三类：推漂、捞漂和二者的结合式。总的来说，有回转式、移动式、抓斗式等。目 前常见的为以捞漂为设计动作的抓斗式清漂机。[3]回转式清漂机是将拦和清两个步骤结合为一体的固定式连 续清漂机械，用于大坝电厂或其他水域，有栅链回转式和齿耙回转式两类。栅链回转式清漂机结构复杂,刚性 差,主要用在受力不大,污物尺寸不大,数量少的场合。[4] 在水面宽阔的水库，漂浮物主要集中在坝前不宜行船的静水区域内。设计这款位于坝体内的回转式清漂 机能迅速打捞大量漂浮物。清漂机由电动机带动主轴、齿耙（图 1 上部所示三角形）使滤网连续旋转，将来 水处的漂浮物带到水面以上，同时，反向高压水把网上的漂浮物冲进排污槽送走。因而，此次设计的回转式 清漂机效率极高，且无抓斗式与步进式两种清漂机普遍适应性较差的缺点。 综上所述，目前现有的清漂机械多数是人工打捞的辅助设备，既缺乏足够的自动化程度，效率也比较低 下，不能达到迅速清除漂浮物的目的。清漂机的自动工作和监测关键在于控制系统。本文将着重介绍清漂机 控制系统的组成原理与设计，最主要的“头脑”部分在于 PLC 系统控制下的功能设计。
1 回转式清漂机的特点及基本装置 回转式清漂机有两大主要技术参数：一是设计水头差,二是清漂能力。所谓水头差，是指网前和网后的水 位差不得超过设定值，以保证滤网能够正常工作。二是清漂能力，则取决于旋转滤网打捞漂浮物的速度。本 设计单机的清漂能力为 30 吨/小时。
图 1 回转式清漂机总体结构示意图
1.1 回转式清漂机的特点 回转式清漂机的清漂系统由冲洗水泵（图 1 只显示了接通水泵的清洗水管） 、高压控制阀门（见图 2 所 示阀门 1 和 2）及清漂机（图 1 所示主轴及周边有皮带轮和旋转滤网的位置）三大基本部分组成。其特点是： - 326 http://www.sj-ce.org
（1）适应性强 水库上下游的漂浮物大小不一、尺寸各异，所以提升漂浮物的零件采用滤网，有孔隙， 可以在打捞时漏去水分，既减轻提升重量，又减小了漂浮物的体积。 （2）可在不同位置安装作业
采用多机排列的格局，可以完成对大面积漂浮物的自动连续清漂，漂浮
物少的地方则由个别机器自动、定期地清理，还可以根据需要对滤网角度进行一定的调整； （3）便于维护管理
因清漂机的上端由铰链支座固定在前池工作平台上,检修时, 只需将下端吊出水面
即可进行检修。而且结构简单，检修成本低廉； （4）使用 PLC 系统，清漂机的结构比较简单，零部件少，避免了复杂的机械传动； （5）PLC 的人机界面有指示灯、按钮、触摸屏和显示终端等，方便人们操作和监测； （6）抗干扰性优越，工作平稳、可靠 与单片机相比，PLC 的优越性主要体现在它的抗干扰性能方面。 由于单片机的抗干扰性较差，所以不宜用于这种装置的控制。而与工业控制计算机相比，PLC 同样抗干扰、 工作平稳，可靠、实用，但价格低廉。[5]
1.2
回转式清漂机的基本装置 清漂机的基本装置有高压水泵、带动齿耙和滤网转动的牵引链传动系统，还有由测深传感器、模拟处理
电路、可编程控制器（PLC） 、系统动力控制模块以及输入输出电路等组成的控制系统。前面已经论述过，PLC 是这一设备的头脑,其输入就是指人发送给它的命令。这些命令要通过电信号获得。在回转式清漂机的控制设 计中，由于输入信号要通过传感器以及模拟处理电路来输入，所以要对其进行输入输出的电路设计以及控制 过程中承担着发出信号功能的传感器进行选用。
2 清漂机控制系统设计 2.1
清漂机控制系统的组成原理 控制系统的组成主要以控制系统功能为基础进行设计。考虑到白色污染易导致网孔堵塞，会将在滤网前
后形成较大的水位差而将滤网压坏，使清漂系统丧失功能，给后续处理带来巨大困难，所以在控制系统设计 中，采取水位差实时监测加定时清理的双重控制，确保系统安全可靠的运行；同时，还设计有各种故障自动 检测、保护、报警等功能。 系统采用双速两极报警清漂机控制电路。即线路中包含了双速电动机控制线路。这一电路的意义是：水 位差达到低速启动值时，滤网低速旋转；当水位差继续升高到高速启动值时，则自动切换到高速运转，这种 先低速启动，经一定延时后自动切换成高速运行的控制，目的是限制启动点电流，保护设备的安全。两极报 警是指在清漂机运行期间，水位差达到第一越限值时，首次发出声光报警，若水位差继续升高到第二越限值 时，同时报警电铃发出响声，以表示紧急情况的发生。这样，可实现真正意义上的实时监测。 输入监测电路必须准确无误地接受传感器的信号，并将传感器信号转变为可编程控制器的开关信号。设 计中，每个传感器对应一个开关电路。在正常的、没检测到信号的情况下，传感器只有很小的电压输出，反 之会有较大的电压输出，而使可编程控制器 PLC 的输入开关接通，从而在界面上产生传感器的数据信号。 故设计决定采用两个测深传感器，分别测出滤网前的水位与网后水位信号，经输入电路滤波、隔离放大 后进行差值运算，得到滤网前后的水位差信号，将该信号送入数显表显示出网前后的实际水位差，供值班人 员观察。同时，该水位差值又与启动设定值、停止设定值、越限设定值进行比较，产生一组启动、停止、越 限信号收入 PLC。输入状态主要包括工作方式、设备起停、设备故障定时时间选择、远程控制及音响消除复 位等开关信号，输出信号主要有泵、阀、网起停控制信号、各设备故障声光报警信号等。[4] 这样，控制系统线路图（如图 2 所示）可分为三大部分：泵运行、阀运行和网运行（图 2 中左边的三部 分） 。在网运行中又分出了低速运行和高速运行两种模式，以保证在漂浮物来量不同时，滤网能够按需工作， 不会浪费电能。低速和高速运行指的就是前面所说的滤网低速和高速转动的状态。泵的运行就是指滤网工作 - 327 http://www.sj-ce.org
时水泵同时反向冲洗的动作；而阀的信号则产生于线路图的左起第二部分，并进入 PLC 来控制阀门的动作。 控制系统还选用 CYG02 系列差压传感器。它设有正负两个压力腔，精度高，稳定性好，工作可靠，且 有较好的线性关系。传感器布置在阀门下方，上有引压管（如图 3），故可以灵敏地感受到两个压力区的压力 变化值。
2.2 PLC 控制系统的动作设定和选型 PLC 的 CPU 采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈被接通或断开，该线圈的所 有触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。PLC 的运算速度远远低于 PC 机的执行速度。PLC 扫描周期一般小于 100 毫秒[6]，但对于清漂工作已经足够快了。加上它价格低廉，接线方便、控制灵活，稳 定可靠，故采用 PLC 系统对于动作周期恒定的清漂机十分合理。对于回转式清漂机这种固定工作模式的机械， 采用工业计算机或者更加高级的控制系统其实是一种浪费。因此，设计采用 PLC 作为控制系统的核心部件。
图 2 回转式清漂机控制线路图
图 3 压力传感器的布置 - 328 http://www.sj-ce.org
为了防止因漂浮物缠绕机械出现故障，PLC 系统随时对系统各设备状态进行循环检测。一有故障，则强 行关闭清漂机，同时发出声光报警，指示故障类型；然后，进入自动或手动状态。在手动工作时，可随意起、 停各单台设备；在自动工作时，则完全由 PLC 根据实时水位差及定时时间是否满足设定值而自动进入清漂程 序，即实际水位差一旦达到启动设定值，将先启动冲洗水泵一段时间后，启动给水阀门，再间隔数秒钟，启 动旋转滤网，待清漂机工作一段时间后，系统自动检测当前水位是否小于停止值，若小于停止值，则按一定 次序关闭各清漂系统，从而完成一次清漂过程。若不小于停止值，且不大于启动值，则系统自动工作一段时 间后，按次序关闭各清漂系统。若系统长时间达不到启动设定值时，控制系统会按照定时开关选定的时间定 时启动设备，实现例行工作的要求。 当水位差继续升高到高速启动值时，将自动切换到高速运转，并且实时监测。在清漂机运行期间，水位 差达到第一越限值时，将发出声光报警；若水位差继续升高到第二越限值时，报警与电铃同时发出信号。
图 4 PLC 控制图（局部）
因为 PLC 的输入就是发送的命令，当然这些命令要通过电信号获得。[7]输出是指 PLC 接受命令后所要 执行的动作。通常情况下，每一个输出点代表一个执行元件[8]，如电磁阀、中间继电器线包、指示灯等。PLC 控制系统的输入信号总计 18 个，均为开关量。其中各种单操作按钮开关 4 个，自动、手动选择开关 1 个（占 1 个输入接点） ，其他开关量的开关是通过模拟电路的输出信号控制。PLC 的输出信号共有 12 个，其中三个 分别驱动越限报警、泵/阀过载报警、链松/卡报警。两个驱动泵开关；两个驱动阀开关；三个驱动网的开关， 其中网速有高速控制与低速控制两种模式；其余两个开关用来驱动电铃报警与故障信号发出。根据这些条件， 最后选用三菱 FX2N-48MR-001 系列 PLC，其中输入点数 24 个，输出点数 24 个[9][10]，不仅满足清漂机的动 作需要，还留有裕量。 如图 4 第二行，当输入点 X000（手动或自动模式）接通时，其常闭触电打开，程序不进行跳转。自动 操作程序段为从程序段的第 6 步到标号 P0 处。在水位差达到停止值时，而此时的启动与越限必定没有达到； - 329 http://www.sj-ce.org
而在水位差达到高速启动时或者越限时，低速启动之必然已达到，此时应进行高速启动而不应进行低速启动。 而在输入接点 X000 不接通时，其常闭触点闭合，程序进行跳转（到 CJ P0） ，将跳过自动程序段而到达标号 P0 结束程序。X015 是泵过载信号，X016 为阀过载信号，二者中任意一个信号出现，就会产生报警。此时 Y001 报警灯接通，会有声、光、电的报警信号出现。经过调试，控制系统能够实现预期的所有功能而无任 何矛盾出现。
3 结论 这一设计在以前人工控制运行的固定式清漂机的基础上，以简单实用的机械系统，采用压力传感器和测 深传感器结合低廉、可靠的 PLC 系统进行自动清漂，完成了机械全自动控制的设计方案，既是对原有人工清 漂机械改进，同时也是一个崭新的尝试。设计中考虑了所有可能发生的异常情况，特别着重解决了清漂自动 化、清漂效果和清漂效率的问题。通过对整个控制系统的实验测试，能够及时、安全地实现打捞、冲洗和自 动报警等动作，达到理想的效果，而且使用方便。
致谢 本设计获得河海大学“疏浚技术教育部工程研究中心”及相关实验室的大力支持，在此深表感谢。
REFERENCES [1] 陆春晖. 清漂机系统设计[J], 水利电力机械, 2006.11: 80-81[Chunhui Lu, The System Design of the Floating Cleaning Machine[J], Machine of Water and Electric Power, 2006.11: 80-81] [2] 陆春晖. 清漂机总体设计[J], 起重运输机械, 2007. 3: 14-17[Chunhui Lu, Overall Design of the Floating Selecting Machine in Reservoir[J].
Hoisting and Conveying Machinary, 2007. 3: 14-17]
[3] Chunhui Lu, The PLC System Design of the Floating Cleaning Machine[J]. Applied Mechanics and Materials, V157-158, 527-530, 2012 [4] Chunhui Lu, Design of the Floating Selecting Machine [J]. Applied Mechanics and Materials, Volumes 105-107, 3-vol-set 10, 2011 [5] 廖常初主编. PLC 编程及应用[M]. 机械工业出版社, 2005.2[Changchu Liao Edited, The PLC Program and Using[M]. Machinery Industry Press, 2005.2] [6] 高钦河. PLC 应用开发案例精选[M]. 人民邮电出版社, 2004.7: 45-73 [Qinhe Gao Edited, The Selected Cases of PLC Technology and Design[M]. Posts and Telecommunications Press, 2004.7: 45-73] [7] 何希才主编. 传感器及其应用实例[M]机械工业出版社, 2004: 79-106 [Xicai He Edited, Sensors and Its Applied Examples[M]. Publishing House of Chinese Machinery and Industry, China, 2004: 79-106] [8] 张进秋, 陈永利, 张中明 主编.可编程控制器原理及应用实例[M]. 机械工业出版社, 2003: 12-60.[Jinqiu Zhang etc. Edited, PLC Theory and Applied Examples[M]. Publishing House of Chinese Machinery and Industry, 2003: 12-60] [9] 魏海明主编.实用电子电路500例[M]化学工业出版社, 1996: 180-210.[Haiming Wei Edited, 500 Examples of Applied Electric Circuit［M］Publishing House of Chinese Chemistry and Industry, 1996, 180-210] [10] 史国生主编.电器控制与可编程控制器技术[M]化学工业出版社, 2004: 75-98.[Guosheng Shi Edited, Electrical Equipment and PLC Technology[M]. Publishing House of Chinese Chemistry and Industry, 2004: 75-98]
【作者简介】 陆春晖（1969-），女，汉族，硕士，讲师，曾赴美国加州州立大学作访问学者，长年从事机械设计和机械 原理等课程的教学及专业的研究工作。
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