1 引言
合成油作為性能指標較高的一種潤滑油,是重要的工業原料,應用非常廣泛,因此需求量較大。在合成油生產線中實現自動化,可提高生產率,能夠為企業帶來可觀的經濟效益。可編程控制器(PLC)作為一種常用的工業控制器,具有很高的可靠性,它可以通過各種感測器實現對外界各種物理信號的採集與處理,並且能夠及時為控制裝置提供輸出信號。S7-200 PLC 作為西門子PLC系列產品中的小型PLC,設計緊湊、指令功能強大,在實際工程中近乎完美地執行各種中小規模控制任務,從而在各行業自動化系統中廣泛使用[1]。因此,在合成油生產線中使用PLC作為現場控制器,可及時對流量、溫度、液位、閥位等物理量進行採集與處理,並對生產線中的各種泵及閥門進行有效控制,同時,使用監控組態軟體-力控進行操作界面設計,使生產操作直觀方便,又為實現生產信息化、管控一體化提供了便利條件[2]。
2 合成油生產線主要裝置組成
合成油生產過程如下:
如圖1所示,三個計量罐中事先由人工裝入油料(三個罐中油料的規格可以不同),罐中油料的液位由磁翻柱液位計(LT401、LT402、LT403)測量並顯示,以便於人工注料,同時該液位計通過變送器輸出4～20mA電流信號,由PLC接收以控制計量罐向調和罐的注料。計量罐中注滿油料后通過電磁閥MV401、MV402、MV403用導熱油控制油溫,以滿足合成油工藝要求,用Pt100(TT401、TT402、TT403)檢測油溫。當油溫符合要求時即可通過電動閥MV404、MV405、MV406和泵P402、P403、P404向調和罐注入油料,注入的量分別由橢圓齒輪流量計FT401、FT402、FT03測量。計量罐出油結束後為清空管路需自動掃線,分別由電磁閥MV407、MV408、MV409控制。
如圖2所示,兩個調和罐對應每一個計量罐都有一個入料閥,調和罐R-401對應計量罐V-401有MV410,調和罐R-402對應計量罐V-401有MV411,調和罐R-401對應計量罐V-402有MV412,調和罐R-402對應計量罐V-402有MV413,調和罐R-401對應計量罐V-403有MV414,調和罐R-402對應計量罐V-403有MV415,因此,由計量罐向調和罐注料時,要控制對應的計量罐出料閥、出料泵、調和罐入料閥。例如,由計量罐V-401向R-402注料時,先打開電動閥MV404和電磁閥MV411,兩閥打開后再啟動泵P402,才能實現R-402的注料。為保證能夠正常入料、出料,調和罐中設有液位感測器(LT404、LT405),用於高、低液位報警處理。電磁閥FV401、FV402分別用於控制兩個調和罐中導熱油的流動,從而控制調和罐中油料的溫度,滿足工藝要求,溫度的測量由TT404、TT405實現。油料的調和由攪拌電機帶動攪拌槳實現,在調和過程中,根據工藝要求需加入各種添加劑,添加劑由抽料機注入。抽料機控制器為獨立的PLC控制系統,其抽料量可反饋到生產線工控機監控界面中。調和罐中油料加工完成後,由電動閥MV416、MV417和泵P405、P406放出到成品罐中。放完油料后,管路中同樣需自動掃線,掃線由電磁閥MV418、MV419控制。
如圖3所示,三個成品罐用於存放牌號可不同的合成油成品。電磁閥MV420、MV421、MV422是調和罐R-401分別對成品罐VP-401、VP-402、VP-403的入料閥,電磁閥MV423、MV424、MV425是調和罐R-402分別對成品罐VP-401、VP-402、VP-403的入料閥。成品罐中有用於檢測液位的感測器LT406、LT407、LT408。
3 控制系統硬體組成
根據合成油生產線的設備條件和控制要求,PLC控制系統由CPU模塊、3個數字量I/O模塊和3個模擬量I/O模塊組成。
圖4為PLC控制系統CPU模塊電路圖。圖中SB1、SB2、SB3分別為系統啟動、停止、暫停按鈕,設置整個控制系統的工作狀態。4011～4018號端子所接開關信號為電磁閥MV410～MV413的開關反饋信號。4001、4003、4004號端子所接分別為流量計FT401、FT402、FT403的脈衝輸出信號,這些流量計為橢圓齒輪流量計,用於測量計量罐向調和罐中注油量,由於流量計輸出脈衝頻率較高,為保證流量脈衝的記錄準確可靠,採用高速計數器對輸入脈衝進行處理,CPU226具有6個高速計數器,系統中使用了3個。4070～4085號端子為電磁閥、電動閥的驅動線圈提供控制信號。
圖5為控制系統中數字量擴展模塊EM223(1)電路。4023～4032號端子接計量罐、調和罐出料電動閥MV404、MV405、MV406、MV416、MV417的開關反饋信號。4033、4034號端子接調和罐攪拌電機的狀態反饋信號。4057～4062號端子分別控制泵P401～P406的啟停。4063～4069號端子所接為各成品罐入料閥和調和罐R402出料閥繼電器驅動線圈。
圖6為控制系統中數字量擴展模塊EM222電路。4041～4043號端子分別控制系統的啟動、停止、暫停指示燈,這些指示燈在PLC機柜上。
圖7為控制系統中數字量擴展模塊EM223(2)電路。4035～4039端子所接為計量罐、調和罐掃線閥繼電器驅動線圈。4040、4046～4048號端子所接為調和罐攪拌電機控制繼電器驅動線圈。4301～4316號端子所接為調和罐、成品罐入料電磁閥繼電器驅動線圈。
圖8～圖10為控制系統中模擬量擴展模塊EM231電路。圖中LT401～LT408分別是計量罐、調和罐和成品罐的液位感測器,TT401～TT403分別是三個計量罐的溫度感測器。
4 控制系統軟體設計
控制系統的PLC控制程序是根據合成油生產線的控制要求進行編製的。生產線中的許多操作允許單獨控制,如各個計量罐的注油、控溫,由計量罐向調和罐的注油,調和罐的攪拌,由調和罐向成品罐的注油等有17個操作邏輯,每套邏輯均可自動運行。此外,皂化罐的生產可自動運行,其控制流程圖見圖11。各個相關邏輯在程序上作了互鎖處理,例如,計量罐1向調和罐R-401注油的同時不能向調和罐R-402注油,因為兩者用的是同一個流量計,同時注油發生衝突;同時,邏輯自身也作了自鎖處理,例如,計量罐向調和罐注油時,用計量罐出料閥、調和罐入料閥和泵的開關及運行狀態作為該邏輯執行的自鎖條件。設計時要充分考慮各個邏輯的運行制約條件,結合現場設備的實際布局和工作條件及性能參數,力求程序邏輯嚴密、運行可靠。
控制系統中每個邏輯在工控機運行界面上都有對應的啟動、停止按鈕,而且都有對應的參數設置窗口,部分界面視圖見圖12。利用組態軟體靈活的組態方式,可以為用戶快速構建所需要的測試流程或控制流程,從而大大縮短軟體開發周期,降低成本,便於維護[3]。本項目中採用了力控6.0監控組態軟體進行操作界面設計和生產過程監控,該軟體是北京三維力控科技有限公司開發的用於工業控制與信息化管理監控的組態軟體,具有較好的數據處理能力,界面設置靈活,模擬動畫形象逼真,可進行報表操作,是生產自動化和企業信息化的有力數據處理平台,在高端自動化市場中佔有重要的地位。設計中使用力控6.0軟體,使動畫形象直觀,為現場監控和操作帶來了很大的便利。
5 結束語
用S7-200系列小型PLC對合成油生產線進行控制,完成了對流量、液位、溫度、閥位等各類輸入信號的實時接收和運算處理,並根據生產要求實現了對眾多的泵、電動閥、電磁閥等設備的輸出控制,可見其較強的現場控制能力和較高的可靠性。通過與力控組態軟體的結合,操作方便,畫面形象直觀,有利於操作人員對生產現場的監控管理,降低了事故發生率。該生產線控制系統經過朝鮮勝利會社近7個月的生產運行,取得了用戶的認可和好評。從PLC硬體系統組成來看,PLC系統的擴展並沒有達到飽和,還有一定的潛力,說明PLC具有較強的擴展能力,S7-200系列PLC可以完成一般中小規模控制系統的設計,相對於擴展能力更強的S7-300和S7-400系列PLC來說,使控制系統具有較高的性價比,降低了成本。S7-200系列小型PLC在合成油生產線上的成功應用,進一步開發了該系列小型PLC的控制潛力,為S7-200系列PLC與力控軟體的在化工生產線上的綜合應用又增添了一個新的嘗試。
參考文獻:
[1] 韓軍,常瑞麗.基於工控機和PLC的過程裝備控制實驗系統開發[J].機床與液壓,2011,39(12):98-100.
[2] 趙英.基於PLC的潤滑脂生產線控制系統的設計與實現[J].遼寧工業大學學報(自然版),2011,31(5):301-306.
[3] 尹延國,趙小虎,俞建衛等.基於力控6.0的多功能摩擦磨損智能測試系統研究[J].儀錶技術與感測器,2009(10):54-57.
作者簡介:趙英(1971-),男,碩士,講師,從事機電控制領域的研究。
