李雙喜，毛旺志

（安徽科技學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院，安徽蚌埠 233101）

中小型變壓器油箱酸洗磷化工藝PLC改造設(shè)計(jì)*

李雙喜，毛旺志

（安徽科技學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院，安徽蚌埠 233101）

介紹了一套變壓器油箱酸洗、磷化自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。應(yīng)用西門子S7-200 Smart智能型PLC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了變壓器油箱酸洗與磷化過(guò)程自動(dòng)控制，提升了中小型變壓器生產(chǎn)車間的自動(dòng)化水平和操作的安全性。

變壓器；油箱；PLC；自動(dòng)控制

0 前言

在中小型油浸式變壓器的生產(chǎn)過(guò)程中，油箱的生產(chǎn)質(zhì)量與變壓器的使用壽命密切相關(guān)。目前，在我國(guó)中小型油浸式變壓器油箱的生產(chǎn)過(guò)程中普遍采用酸洗、磷化的過(guò)程對(duì)變壓器的油箱進(jìn)行處理，鑒于實(shí)際情況，這一生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度不是很高，由人工進(jìn)行操作。

原始的人工操作生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與操作者的責(zé)任性和技術(shù)水平具有極大的關(guān)聯(lián)性，在產(chǎn)品質(zhì)量的保證上難以獲得更高層次的水平。因此變壓器油箱生產(chǎn)車間的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)與改造對(duì)安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率具有非常重要的實(shí)際作用和使用價(jià)值。

1 酸洗、磷化工藝分析

中小型變壓器油箱焊接完成后通過(guò)檢漏，質(zhì)量合格的油箱在噴漆前需要進(jìn)行酸洗磷化工藝的處理，經(jīng)過(guò)這一工藝環(huán)節(jié)處理，變壓器油箱上的焊接殘?jiān)?、金屬毛刺、油脂等?jīng)過(guò)處理得到清除，為使變壓器油箱在噴漆前不致于生銹影響變壓器油箱的質(zhì)量，噴漆前還需要進(jìn)行磷化防銹處理。一般中小型變壓器油箱的浸漬式酸洗磷化工藝過(guò)程為：脫脂—水洗（室溫）—酸洗—水洗（室溫）—中和（室溫）—水洗（室溫）—磷化—水洗（室溫）[1]。

其對(duì)應(yīng)的工藝流程示意圖如圖1所示。

1.1 浸入式化學(xué)脫脂處理

浸入式化學(xué)脫脂處理主要是使用堿性溶液（主要成分為NaoH，Na2CO3），在其中加入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣萌芤旱脑砘饔萌コ饘倭慵谋砻嬖砘杂椭?，這一過(guò)程根據(jù)使用的脫脂成分比例的不同，脫脂時(shí)間也不一樣。

1.2 浸入式酸洗處理

將金屬零件浸泡在酸性溶液中，用酸性溶液與零件數(shù)表面的氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使氧化物脫離技術(shù)的表面，達(dá)到凈化金屬表面的目的，這一過(guò)程稱為酸洗除銹。在工藝上使用耐腐蝕的酸洗槽，將工件直接通過(guò)吊鉤或通過(guò)酸洗籃浸入酸洗溶液中浸泡，通過(guò)一定的時(shí)間處理，能夠有效將工件表面的焊接殘?jiān)⒔饘倜桃约拌F銹有去除。

1.3 中和處理

通常從酸洗池中提出的工件由于酸液的殘留，為防止殘存在工件上的酸液對(duì)工件的進(jìn)一步腐蝕，需要將酸洗后的工件通過(guò)堿性溶液進(jìn)行中和處理，這一工藝段的時(shí)間一般控制在3～5分鐘。一般堿性中和溶液的成分Na2CO3的含量一般采用50 g/L。

1.4 磷化處理

鑒于酸洗除銹后的變壓器油箱表面活性很強(qiáng)，在空氣中短時(shí)間內(nèi)可能再次氧化生銹，為防止在噴漆前變壓器的油箱再次生銹，需要在含鋅、錳、鐵的單磷酸鹽溶液中進(jìn)行處理，使金屬工件的表面形成難溶性磷酸鹽膜的過(guò)程。磷化膜在大氣條件下具有很好的穩(wěn)定性，其耐腐蝕性是發(fā)藍(lán)膜的2～10倍。同時(shí)磷化膜具有很好的多孔性、對(duì)漆類具有良好的吸附作用，可有效提升油漆與工件的結(jié)合力，從而提升變壓器油箱的耐腐蝕能力，良好的磷化膜同時(shí)兼具較好的電氣絕緣性能，擊穿電壓可達(dá)到250～1 200 V，兼具絕緣能力。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與功能

2.1 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

根據(jù)需要完成酸洗磷化工件搬運(yùn)任務(wù)的吊籃上升/下降、左移/右移分別采用兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)M1、M2拖動(dòng)，M1完成吊藍(lán)的上升與下降驅(qū)動(dòng)，M2完成吊藍(lán)的左移與右移驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)主電路如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)以S7-200 SMART型PLC作為系統(tǒng)控制的主機(jī)，根據(jù)酸洗磷化工藝過(guò)程的需求，考慮到系統(tǒng)工作各工藝段的時(shí)間順序特點(diǎn)和保護(hù)功能的實(shí)際需要，PLC主機(jī)的CPU型號(hào)選擇為CPU CR40，該型CPU具有24點(diǎn)數(shù)字量輸入和16點(diǎn)數(shù)字量輸出，可以滿足系統(tǒng)對(duì)輸入輸出控制點(diǎn)數(shù)的需求。人機(jī)接口模塊采用西門子配套的SMART LINE觸摸屏，以西門子SITOP POWER（24V/ 3.5A）直流電源作為系統(tǒng)直流電源供應(yīng)來(lái)源?？刂葡到y(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主電路圖

2.2 控制系統(tǒng)的功能

所開發(fā)的酸洗磷化工藝控制系統(tǒng)主要的功能包括控制功能、保護(hù)功能。

控制功能：設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，手動(dòng)方式通過(guò)手動(dòng)上升、手動(dòng)下降、手動(dòng)左移、手動(dòng)右移控制實(shí)現(xiàn)，與原來(lái)的手動(dòng)控制方式的操作要求一致，方便系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行以及故障條件下的應(yīng)急運(yùn)行操作。自動(dòng)控制方式根據(jù)酸洗、磷化工藝的控制要求按照預(yù)先設(shè)置的程序自動(dòng)完成一系列的工藝操作，完成酸洗處理與磷化處理的全部過(guò)程，不需要人為干預(yù)。設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)采用該方式進(jìn)行，以提升產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度并有效保護(hù)操作者的人身健康。

圖3 酸洗磷化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

保護(hù)功能：系統(tǒng)設(shè)置電機(jī)電流過(guò)流等相關(guān)參數(shù)超標(biāo)時(shí)，PLC主機(jī)發(fā)出控制指令停機(jī)并報(bào)警，通過(guò)電機(jī)主電路的熱繼電器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)，將熱繼電器KH1、KH2的常閉合觸點(diǎn)串聯(lián)作為PLC保護(hù)控制輸入點(diǎn)信號(hào)。

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用STEP7-Micro/win smart軟件進(jìn)行開發(fā)[2]，STEP7-Micro/win smart是西門子smart系列PLC編程該工具，具有梯形圖、功能塊和語(yǔ)句表方式編程方案。鑒于酸洗磷化工藝過(guò)程明確的時(shí)間順序性，該系統(tǒng)PLC控制策略采用順序控制結(jié)構(gòu)，即按照酸洗磷化工藝過(guò)程的各環(huán)節(jié)先后順序進(jìn)行。為滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用“手動(dòng)程序”與“自動(dòng)程序”兩種工作模式，前者手動(dòng)程序采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法即可滿足要求，相對(duì)復(fù)雜的自動(dòng)程序的設(shè)計(jì)采用順序控制法設(shè)計(jì)[3]。

3.1 控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行主要考慮的是吊籃的上下位置定位以及各溶液槽位置定位，綜合考慮控制系統(tǒng)的各方面的要求，該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的輸入符號(hào)表、輸出符號(hào)表如圖4（a）、（b）所示，系統(tǒng)的主程序主要由手動(dòng)控制程序與自動(dòng)控制程序組成，如圖5所示。

3.2 手動(dòng)程序設(shè)計(jì)

圖4 符號(hào)表定義

圖5 系統(tǒng)的主程序

當(dāng)手動(dòng)/自動(dòng)控制模式選擇在手動(dòng)的位置時(shí)，通過(guò)手動(dòng)上升控制、手動(dòng)下降控制、手動(dòng)左移控制、手動(dòng)右移控制進(jìn)行M1、M2的點(diǎn)動(dòng)控制，根據(jù)操作者的要求進(jìn)行工作。這一操作方式程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)將原來(lái)的繼電器—接觸器系統(tǒng)適當(dāng)改造即可完成，各工藝處理效果可以根據(jù)工人的現(xiàn)場(chǎng)觀察、檢測(cè)進(jìn)行逐級(jí)循環(huán)處理。

3.3 自動(dòng)程序設(shè)計(jì)

順序控制設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法便于設(shè)計(jì)運(yùn)用[4]，自動(dòng)程序設(shè)計(jì)充分考慮變壓器油箱磷化工藝生產(chǎn)過(guò)程的順序性，考慮各工藝環(huán)節(jié)處理的時(shí)間需求，在吊籃位置信號(hào)的作用下，根據(jù)PLC內(nèi)部狀態(tài)寄存器和時(shí)間的順序，產(chǎn)生各工藝環(huán)節(jié)的動(dòng)作要求。以脫脂—水洗（室溫）—酸洗—水洗（室溫）—中和（室溫）—水洗（室溫）—磷化—水洗（室溫）各階段的處理時(shí)間和處理質(zhì)量作為程序設(shè)計(jì)的要求，根據(jù)酸洗磷化工藝的具體過(guò)程以及技術(shù)參數(shù)確定自動(dòng)控制的順序功能圖（SFC），繼而按照PLC梯形圖的設(shè)計(jì)方法完成系統(tǒng)自動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以西門子S7-200 SMART型PLC對(duì)中小型變壓器油箱酸洗磷化過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，通過(guò)合理的工藝流程設(shè)計(jì)以及對(duì)原來(lái)的人工操作系統(tǒng)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了各工藝環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制，在降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，可以提升設(shè)備的利用率，滿足節(jié)能需要以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提升的要求。

SMARTIC S7-200是西門子公司經(jīng)過(guò)大量的實(shí)際調(diào)研為中國(guó)市場(chǎng)開發(fā)的一款性能價(jià)格比很高的產(chǎn)品，具有工作性能穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、故障率低的特點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)置了“手工操作運(yùn)行方式”和“自動(dòng)操作運(yùn)行方式”，有效解決有生產(chǎn)過(guò)程中在PLC系統(tǒng)故障時(shí)能夠正常運(yùn)行，通過(guò)西門子觸摸屏技術(shù)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，可實(shí)現(xiàn)控制界面的切換、系統(tǒng)的巡查、故障復(fù)位以及控制方式的轉(zhuǎn)換[5]?？傊瑢?duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的智能化改造在提升企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的同時(shí)，對(duì)安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量提升以及降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義與作用。

［1］趙月靜.變壓器制造工藝［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

［2］廖常初.S7-200 SMART PLC編程及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［3］S7-200 SMART可編程序控制器產(chǎn)品目錄［Z］.西門子（中國(guó)）有限公司，2012.

［4］S7-200 SMART可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)［Z］.西門子（中國(guó)）有限公司，2012.

［5］廖常初.西門子人機(jī)界面（觸摸屏）組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

The Design of Medium and Small Transformer Tank Pickling Phosphating Process Based on PLC

LI Shuang-xi，MAO Wang-zhi
（Anhui Science Technology University，College of Mathematics，Physics and Information Engineering，Bengbu233101，China）

This paper introduces the design idea of automatic control system of a transformer oil tank pickling,phosphating.With the Application of Siemens S7-200 Smart intelligent PLC to make automatic control system of Pickling,phosphating process line.The system can achieve the Automatic control of Pickling and phosphating process of transformer oil tank.It enhances the security level of automation and operation of transformer production workshop.

transformer；oil tank；PLC；automatic control

TP273

A

1009－9492(2014)09－0096－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.026

李雙喜，男，1972年生，安徽懷寧人，碩士，副教授。研究領(lǐng)域：機(jī)電系統(tǒng)智能控制與檢測(cè)。已發(fā)表論文10篇。

(編輯：向 飛)

*安徽省高等教育振興人才計(jì)劃項(xiàng)目（2013高校教師掛職企業(yè)服務(wù)）；安徽科技學(xué)院電子信息工程專業(yè)卓越工程師項(xiàng)目（Xj201222）

2014－03－19