1 引言
合成油作为性能指标较高的一种润滑油,是重要的工业原料,应用非常广泛,因此需求量较大。在合成油生产线中实现自动化,可提高生产率,能够为企业带来可观的经济效益。可编程控制器(PLC)作为一种常用的工业控制器,具有很高的可靠性,它可以通过各种传感器实现对外界各种物理信号的采集与处理,并且能够及时为控制装置提供输出信号。S7-200 PLC 作为西门子PLC系列产品中的小型PLC,设计紧凑、指令功能强大,在实际工程中近乎完美地执行各种中小规模控制任务,从而在各行业自动化系统中广泛使用[1]。因此,在合成油生产线中使用PLC作为现场控制器,可及时对流量、温度、液位、阀位等物理量进行采集与处理,并对生产线中的各种泵及阀门进行有效控制,同时,使用监控组态软件-力控进行操作界面设计,使生产操作直观方便,又为实现生产信息化、管控一体化提供了便利条件[2]。
2 合成油生产线主要装置组成
合成油生产过程如下:
如图1所示,三个计量罐中事先由人工装入油料(三个罐中油料的规格可以不同),罐中油料的液位由磁翻柱液位计(LT401、LT402、LT403)测量并显示,以便于人工注料,同时该液位计通过变送器输出4～20mA电流信号,由PLC接收以控制计量罐向调和罐的注料。计量罐中注满油料后通过电磁阀MV401、MV402、MV403用导热油控制油温,以满足合成油工艺要求,用Pt100(TT401、TT402、TT403)检测油温。当油温符合要求时即可通过电动阀MV404、MV405、MV406和泵P402、P403、P404向调和罐注入油料,注入的量分别由椭圆齿轮流量计FT401、FT402、FT03测量。计量罐出油结束后为清空管路需自动扫线,分别由电磁阀MV407、MV408、MV409控制。
如图2所示,两个调和罐对应每一个计量罐都有一个入料阀,调和罐R-401对应计量罐V-401有MV410,调和罐R-402对应计量罐V-401有MV411,调和罐R-401对应计量罐V-402有MV412,调和罐R-402对应计量罐V-402有MV413,调和罐R-401对应计量罐V-403有MV414,调和罐R-402对应计量罐V-403有MV415,因此,由计量罐向调和罐注料时,要控制对应的计量罐出料阀、出料泵、调和罐入料阀。例如,由计量罐V-401向R-402注料时,先打开电动阀MV404和电磁阀MV411,两阀打开后再启动泵P402,才能实现R-402的注料。为保证能够正常入料、出料,调和罐中设有液位传感器(LT404、LT405),用于高、低液位报警处理。电磁阀FV401、FV402分别用于控制两个调和罐中导热油的流动,从而控制调和罐中油料的温度,满足工艺要求,温度的测量由TT404、TT405实现。油料的调和由搅拌电机带动搅拌桨实现,在调和过程中,根据工艺要求需加入各种添加剂,添加剂由抽料机注入。抽料机控制器为独立的PLC控制系统,其抽料量可反馈到生产线工控机监控界面中。调和罐中油料加工完成后,由电动阀MV416、MV417和泵P405、P406放出到成品罐中。放完油料后,管路中同样需自动扫线,扫线由电磁阀MV418、MV419控制。
如图3所示,三个成品罐用于存放牌号可不同的合成油成品。电磁阀MV420、MV421、MV422是调和罐R-401分别对成品罐VP-401、VP-402、VP-403的入料阀,电磁阀MV423、MV424、MV425是调和罐R-402分别对成品罐VP-401、VP-402、VP-403的入料阀。成品罐中有用于检测液位的传感器LT406、LT407、LT408。
3 控制系统硬件组成
根据合成油生产线的设备条件和控制要求,PLC控制系统由CPU模块、3个数字量I/O模块和3个模拟量I/O模块组成。
图4为PLC控制系统CPU模块电路图。图中SB1、SB2、SB3分别为系统启动、停止、暂停按钮,设置整个控制系统的工作状态。4011～4018号端子所接开关信号为电磁阀MV410～MV413的开关反馈信号。4001、4003、4004号端子所接分别为流量计FT401、FT402、FT403的脉冲输出信号,这些流量计为椭圆齿轮流量计,用于测量计量罐向调和罐中注油量,由于流量计输出脉冲频率较高,为保证流量脉冲的记录准确可靠,采用高速计数器对输入脉冲进行处理,CPU226具有6个高速计数器,系统中使用了3个。4070～4085号端子为电磁阀、电动阀的驱动线圈提供控制信号。
图5为控制系统中数字量扩展模块EM223(1)电路。4023～4032号端子接计量罐、调和罐出料电动阀MV404、MV405、MV406、MV416、MV417的开关反馈信号。4033、4034号端子接调和罐搅拌电机的状态反馈信号。4057～4062号端子分别控制泵P401～P406的启停。4063～4069号端子所接为各成品罐入料阀和调和罐R402出料阀继电器驱动线圈。
图6为控制系统中数字量扩展模块EM222电路。4041～4043号端子分别控制系统的启动、停止、暂停指示灯,这些指示灯在PLC机柜上。
图7为控制系统中数字量扩展模块EM223(2)电路。4035～4039端子所接为计量罐、调和罐扫线阀继电器驱动线圈。4040、4046～4048号端子所接为调和罐搅拌电机控制继电器驱动线圈。4301～4316号端子所接为调和罐、成品罐入料电磁阀继电器驱动线圈。
图8～图10为控制系统中模拟量扩展模块EM231电路。图中LT401～LT408分别是计量罐、调和罐和成品罐的液位传感器,TT401～TT403分别是三个计量罐的温度传感器。
4 控制系统软件设计
控制系统的PLC控制程序是根据合成油生产线的控制要求进行编制的。生产线中的许多操作允许单独控制,如各个计量罐的注油、控温,由计量罐向调和罐的注油,调和罐的搅拌,由调和罐向成品罐的注油等有17个操作逻辑,每套逻辑均可自动运行。此外,皂化罐的生产可自动运行,其控制流程图见图11。各个相关逻辑在程序上作了互锁处理,例如,计量罐1向调和罐R-401注油的同时不能向调和罐R-402注油,因为两者用的是同一个流量计,同时注油发生冲突;同时,逻辑自身也作了自锁处理,例如,计量罐向调和罐注油时,用计量罐出料阀、调和罐入料阀和泵的开关及运行状态作为该逻辑执行的自锁条件。设计时要充分考虑各个逻辑的运行制约条件,结合现场设备的实际布局和工作条件及性能参数,力求程序逻辑严密、运行可靠。
控制系统中每个逻辑在工控机运行界面上都有对应的启动、停止按钮,而且都有对应的参数设置窗口,部分界面视图见图12。利用组态软件灵活的组态方式,可以为用户快速构建所需要的测试流程或控制流程,从而大大缩短软件开发周期,降低成本,便于维护[3]。本项目中采用了力控6.0监控组态软件进行操作界面设计和生产过程监控,该软件是北京三维力控科技有限公司开发的用于工业控制与信息化管理监控的组态软件,具有较好的数据处理能力,界面设置灵活,模拟动画形象逼真,可进行报表操作,是生产自动化和企业信息化的有力数据处理平台,在高端自动化市场中占有重要的地位。设计中使用力控6.0软件,使动画形象直观,为现场监控和操作带来了很大的便利。
5 结束语
用S7-200系列小型PLC对合成油生产线进行控制,完成了对流量、液位、温度、阀位等各类输入信号的实时接收和运算处理,并根据生产要求实现了对众多的泵、电动阀、电磁阀等设备的输出控制,可见其较强的现场控制能力和较高的可靠性。通过与力控组态软件的结合,操作方便,画面形象直观,有利于操作人员对生产现场的监控管理,降低了事故发生率。该生产线控制系统经过朝鲜胜利会社近7个月的生产运行,取得了用户的认可和好评。从PLC硬件系统组成来看,PLC系统的扩展并没有达到饱和,还有一定的潜力,说明PLC具有较强的扩展能力,S7-200系列PLC可以完成一般中小规模控制系统的设计,相对于扩展能力更强的S7-300和S7-400系列PLC来说,使控制系统具有较高的性价比,降低了成本。S7-200系列小型PLC在合成油生产线上的成功应用,进一步开发了该系列小型PLC的控制潜力,为S7-200系列PLC与力控软件的在化工生产线上的综合应用又增添了一个新的尝试。
参考文献:
[1] 韩军,常瑞丽.基于工控机和PLC的过程装备控制实验系统开发[J].机床与液压,2011,39(12):98-100.
[2] 赵英.基于PLC的润滑脂生产线控制系统的设计与实现[J].辽宁工业大学学报(自然版),2011,31(5):301-306.
[3] 尹延国,赵小虎,俞建卫等.基于力控6.0的多功能摩擦磨损智能测试系统研究[J].仪表技术与传感器,2009(10):54-57.
作者简介:赵英(1971-),男,硕士,讲师,从事机电控制领域的研究。