自动清洁过滤器结构与自动化控制设计

0引言

研究先进的水处理技术和产品以提高效率、降低成本[1],不仅是践行习近平总书记“绿水青山就是金山银山”科学论断的重要体现,也是提升工业用水领域经济效益的有效途径[2]。根据对广州某公司一台使用工业水冷却高温部件的设备进行调研,发现该设备每月用水量达到3 500 t,水费成本达5.6万元。该设备在水净化过程中使用可循环清洁的SUS304滤芯,每月需清洁滤芯4次,每次需要生产设备停机30min。2024年度,由于更换滤芯操作不当,该公司发生设备无法启动或启动后供水异常的故障5起,反复拆装过滤器导致内部弹簧、卡扣等部件脱焊或变形而损坏,2个过滤器无法继续使用。因此,循环使用的滤芯虽然大大降低了耗材成本,但仍需耗费大量的人力成本和设备停机时间,还伴随着人员操作不当以及设备损耗增加的风险。如果过滤器能在免拆卸条件下自动清洗滤芯,则可大大降低人力成本,同时提高设备的效率和稳定性。

1 当前通用的过滤技术

1.1 当前过滤技术与常用的过滤器

过滤器是安装在供水管路中,由内部的滤芯对水的杂质进行过滤的器具。过滤器净化后的水通常需进一步增加UV杀菌装置、采用化学处理法等改善水质[3],而水净化处理功能的核心仍是过滤。滤芯属于耗材,使用一段时间后拦截下来的杂质会不断累积,堵塞滤芯的孔隙,导致水流量下降,对水的净化效果也会下降,水路系统无法满足供水要求,需要对滤芯进行更换。

一般水净化处理工艺中,粗过滤使用不锈钢滤芯,可在清洗后循环使用,降低耗材成本;精过滤使用一次性纤维熔喷滤芯[4]、活性炭滤芯[5]等,保证最终处理后的水质。

1.2现有技术的缺陷及优化方法

虽然在粗过滤中,可反复使用的滤芯大大降低了耗材成本,但仍需要耗费大量的人力和时间进行清洁作业,清洁过程中,也需要停止供水设备运行,这就降低了制程设备的生产能力。清洁作业中,人员拆装操作不当,会导致漏水、过滤器内部元件耗损等风险,降低设备的稳定性。

无须拆卸即可自动清洗滤芯的过滤器,则可避免出现上述技术缺陷。无须人员介入操作,无须对过滤器进行拆装,更高效率、无风险地完成滤芯清洁工作,能够快速恢复水处理系统的净化能力。

2自动清洗过滤器设计

2.1自动清洗设计原理

不锈钢滤芯由大量的孔隙构成,带有压力的水从滤芯外部进入内部时,水中的固体颗粒物被拦截下来,完成过滤净化的作业。相反地,当滤芯的孔隙被拦截的杂质堵塞之后,若让高压水从滤芯内部流向外部,即可将孔隙中拦截下来的杂质冲出,并将污水排走,从而完成滤芯的清洁作业。因此,在过滤器上设计可以切换水流通道的结构,再增加排污口,同时配合电气元件实现自动化控制,即可完成过滤器自动清洗的功能。

2.2自动清洗过滤器结构设计

自动清洁过滤器的结构如图1所示。过滤器的转轴转动,可以切换内部水流的通道。

过滤器正常工作时,进行水过滤净化处理的状态如图2所示,此时过滤器进水口与过滤器墙体直接相通,过滤器出水口通过活塞内部的孔与滤芯内部相通,水进入过滤器后从滤芯外侧流向内侧,再经过活塞内的孔从过滤器出水口流出,完成过滤工作。

滤芯堵塞后要进行清洗时的状态如图3所示,转轴转动90°,过滤器通过活塞内的孔与滤芯内侧相通,同时原先活塞与过滤器出水口相通的孔也被活

塞堵住,水进入过滤器后通过活塞的孔从滤芯内侧流向外侧,此时水将滤芯上的脏污冲出,形成污水,从过滤器下方的排污口流出,完成滤芯清洗工作。

2.3 自动清洗过滤器性能与尺寸设计

工业设备用水的压力一般为1.0~2.0 Mpa,通常由水泵供水,水泵的功率在0.5~3.5 kw,供水流量在5~20 m3/h。为了保证过滤器有足够的承压能力,能够适应高水压工况下的作业,按水压P=2.0 Mpa计算。

2.3.1外壳直径确定

常用的滤芯直径有60、80 mm,本次按直径60mm的滤芯进行设计,为保证滤芯正常安装到过滤器内部,且有较大的通水空间,取1.3倍的间隙放大系数,设计过滤器外壳的直径D=80 mm。

2.3.2外壳厚度确定与校核

外壳的厚度关系到过滤器的承压能力,同时为了保证过滤器不易被腐蚀,使用SUS304材质,表面钝化处理。在当前使用工况下,最小壁厚t的计算公式为:

式中:P为设计压力,本次设计 目标的承压能力为2 Mpa;D为过滤器壳体的内径,本次设计取80 mm;S为材料许用应力,不锈钢304的室温下屈服强度σy=205Mpa,抗拉强度σu=515Mpa,基于屈服强度计算,S1=2/3σy≈ 136.67Mpa,基于抗拉强度计算S2=1/3.5×σu≈147.14Mpa,因此,保守取S=136.67Mpa;E为焊缝系数,考虑壳体焊接成型部分对承压能力的削弱现象,本次设计假设罐体为无缝或焊接质量良好,取1;C为腐蚀裕量,考虑长期使用后,水对壳体腐蚀导致的壁厚减小而承压能力减弱,一般取0.1mm。

因此,过滤器壳体厚度取0.685 mm即可满足要求,实际加工中,一般厚度为整数,本次使用厚度t=1 mm的SUS304材质。

强度使用 目前定义的材料厚度t=1mm进行核算:

因此,该厚度设计符合要求。

2.3.3进出水口的直径确定与校核

本次设计以工业常用的2.5 kw水泵计算,供水流量Q=10m3/h=1×1010mm3/h,水系统管道流速通常为1~3m/s(经济流速范围),本次按0=2m/s=7.2×106mm/h计算,则管径d为:

常用的工业管道为标准管道,上式计算出的管道直径42.06 mm比较接近公称直径DN40的标准水管,DN40的标准不锈钢管规格为外径48.3 mm,壁厚3.68 mm。因此,过滤器进出口建议适配DN40管道及配件,根据管件标准配置,DN40外螺纹接头为1.5英寸(0.038 m)的螺纹,故本过滤器的进出口为1.5英寸英制内螺纹。

3自动化控制设计

3.1 系统总体设计

自动清洁过滤器控制系统以三菱FX3U系列PLC为控制核心,通过压差检测实现滤芯堵塞判断,控制气动阀和电磁阀完成自动清洁流程。系统采用模块化设计,包含主控制器、模拟量采集模块、执行机构和通信接口。支持后期与上位PLC通过CC-Link网络集成,兼顾低成本与高稳定性要求。

用于控制过滤器自动切换状态的基本电气配件由压差计、气动阀、电磁阀和控制器及其配套模块构成,如图4所示。压差计用于检测水进入滤芯前后的压力差,气动阀则安装在过滤器的上方转轴上,用于带动转轴旋转切换过滤器的内部通道。

3.2硬件选型与配置

3.2.1控制器选型

选用三菱FX3U-16MT/ES-A作为主控制器,该型号具备8点输入/8点晶体管输出,支持高速计数与脉冲输出,内置8K步程序内存,满足系统控制需求。其晶体管输出特性适合驱动电磁阀,响应速度达0.21 μs/基本指令,能确保控制精度。

3.2.2模拟量采集模块

配置FX3U-4AD模拟量输入模块,用于采集过滤器进出水口压差信号。该模块支持4通道独立输入,可配置为4~20mA电流信号模式,分辨率达12位(4000分度),转换时间≤15 ms。通过BFM#0寄存器设置通道1为电流输入模式(H0001),实现压差信号的高精度采集。

3.2.3通信模块

选用FX3U-16CCL-M作为CC-Link主站模块,支持ver2.0协议,传输速度可选156 kbit/s~10 Mbit/s,最大连接16个远程站。模块占用8点I/O地址,通过旋钮开关设置站号为0,采用RS-485总线结构,配置110Ω终端电阻抑制信号反射。

3.3 软件设计

3.3.1主控制逻辑

系统采用结构化编程,主程序包含初始化、手动/自动切换、状态监控和故障处理四个功能块。初始化阶段完成模拟量模块参数配置(采样周期200 ms,滤波系数8)和cc—Link网络初始化。控制逻辑实现三种工作模式:

1)压差控制模式:当检测压差>0.2 MPa时,触发清洁流程;

2)定时控制模式:累计运行10天自动执行清洁(可通过D8013时钟寄存器实现);

3)远程控制模式:接收上位机cc—Link指令执行清洁(RX0.0触发)。

3.3.2模拟量处理程序

压差P(单位为MPa)转换公式如下:

P=(D—800)×0.6/3 200

通过FROM指令读取FX3U—4AD模块数据(BFM#10),将4~20 mA电流信号转换为实际压差:

LD M8000

FROM K0 K10 D10 K1// 读取通道1数据至D10 FLTD10 D12// 转换为浮点数

SUB D12 K800 D14// 减去4 mA对应值

MULD14 K600 D16// 乘以量程系数

DIVD16 K3200 D18//除以满量程对应值

3.3.3清洁流程控制

采用顺序控制设计清洁时序:打开排污电磁阀(Y0置1),延时2 s→启动气动阀旋转(Y1置1),持续3 min→关闭气动阀(Y1复位),延时1 s→关闭排污电磁阀(Y0复位),完成清洁。

3.3.4cc—Link通信配置

在GXWorks2中配置网络参数:

1)传输速度:2.5 Mbit/s;

2)远程I/O分配:RX0~RX1F(输入),RY0~RY1F(输出);

3)远程寄存器:RWr0~RWr3F(主站→从站),RWw0~RWw3F(从站→主站)。

通过特殊继电器SB1000触发数据刷新,将系统状态(运行/清洁/故障)写入RWw0,接收上位机控制指令(RWr0.0为清洁触发)。

3.4抗干扰与稳定性设计

3.4.1抗干扰措施

对电源进行滤波处理,配置Dc24 V/5 A开关电源,输入端加装EMI滤波器,提高供电的稳定性;信号隔离,模拟量模块与压差计之间串联信号隔离器(如宇通7017);接地上,要求系统接地电阻≤4 Ω,采用独立接地极,与动力接地分开;软件滤波,对压差信号采用滑动平均滤波(N=16),消除高频干扰。

3.4.2稳定性设计

定义故障自诊断功能,程序内置模块故障检测(BFM#29)、通信错误报警 (SB1007)和超时监控(T37设定5 min);使用冗余设计,关键控制信号(如清洁触发)采用双线圈输出,增加可靠性;配置过压保护 (压敏电阻MYG—20K)和浪涌抑制器 (OBO V20—c/3+NPE);环境适应能力上,选用宽温型元器件(—10~60℃),控制柜加装散热风扇(IP54防护)。

4结束语

本文设计了一种自动清洁过滤器,可在设备运行且不拆卸过滤器的条件下自动清洁被杂质堵塞的滤芯,提高设备的运行效率和稳定性,降低人力成本。本过滤器在固体微小颗粒物较多的水介质中使用有较好的效果,可以广泛应用于工业和农业领域的用水处理设备。

[参考文献]

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[5] 白瑞,慕苗,卢翠英,等.碳材料在水净化处理中的研究进展[J].化工新型材料,2022,50(9):242—246.

《机电信息》2025年第20期第15篇