劉俊才，姜來(lái)舉，王春玲

(1.海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備公司 天津 300452；2.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 天津 300452)

1 試壓工作站工作的基本構(gòu)成

壓力容器試壓工作站是以PLC-變頻控制的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的離心水泵。由壓力信號(hào)反饋控制系統(tǒng)、溫度傳感控制系統(tǒng)、加熱裝置、壓力容器試壓工作站的管網(wǎng)系統(tǒng)、各種控制閥門(mén)和循環(huán)水儲(chǔ)水箱等組成。

2 壓力容器試壓工作站工作原理(見(jiàn)圖1)

壓力容器試壓工作站是由PLC-變頻控制的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心泵，離心泵的進(jìn)水口與儲(chǔ)水箱相連，出水口與被試壓容器的進(jìn)水口管道相連接，利用液體具有等值傳遞作用力的原理。當(dāng)試壓泵出口達(dá)到某一壓力值時(shí)，容器也相應(yīng)地受到了此壓力，壓力傳感器將壓力信號(hào)反饋給 PLC控制系統(tǒng)，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，并保壓觀察1,h。當(dāng)環(huán)境溫度低于5,℃時(shí)，溫度控制系統(tǒng)啟動(dòng)加熱裝置，并將試壓水和管網(wǎng)系統(tǒng)的溫度保持在 5,℃以上。環(huán)境溫度高于5,℃時(shí)，加熱裝置停止運(yùn)行。

壓力容器試壓工作完成后，關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)、打開(kāi)排水閥門(mén)，啟動(dòng)水泵把試壓水抽回循環(huán)水儲(chǔ)水箱，以備下次使用。

圖1 壓力容器試壓工作站工作原理Fig.1 Working principle of a pressure vessel test station

3 電氣控制設(shè)計(jì)思路

3.1 使用繼電器控制的常見(jiàn)問(wèn)題

為實(shí)現(xiàn)控制目的，繼電器全部采用機(jī)械式的觸點(diǎn)和導(dǎo)線連接，其缺點(diǎn)較多，如電氣器件種類多，線路復(fù)雜，控制動(dòng)作慢，出現(xiàn)故障后修理困難等。并且，繼電器控制裝置特別是觸點(diǎn)極易損壞(松動(dòng)、燒蝕、粘連等)，控制線圈易過(guò)流燒壞，且繼電器控制只能實(shí)現(xiàn)即時(shí)控制，一旦斷電，繼電器線圈失電，觸點(diǎn)恢復(fù)自然狀態(tài)，不具備記憶存儲(chǔ)功能。此外，使用接觸器控制交流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流較大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊較大。

3.2 新型電氣控制思路

PLC-變頻控制，它能完成邏輯判斷、定時(shí)、記憶和算術(shù)運(yùn)算等功能。作為電氣控制技術(shù)中的新技術(shù)，從功能和技術(shù)方面完全滿足壓力容器試壓工作站的要求。PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，操作簡(jiǎn)單方便、通用靈活、體積小、使用壽命長(zhǎng)、功能強(qiáng)大、容易操作、可靠性高、系統(tǒng)穩(wěn)定，可以通過(guò)弱電控制強(qiáng)電，其核心是微處理芯片，本身具備記憶功能。主要優(yōu)點(diǎn)為：①PLC內(nèi)部含有很多用于開(kāi)關(guān)量處理的類似繼電器的軟元件，可輕松地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開(kāi)關(guān)量邏輯控制。PLC可以方便地與各種類型的輸入、輸出量連接，實(shí)現(xiàn) D/A、A/D 轉(zhuǎn)換及PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、數(shù)字控制等功能。②PLC內(nèi)部含有大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等編程元件，使用程序(軟接線)代替硬接線，減少了大量安裝接線工作。設(shè)計(jì)人員只要將 PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬調(diào)試，就可實(shí)現(xiàn)邏輯動(dòng)作控制，且更加快捷方便。③通過(guò) PLC-變頻控制節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流對(duì)供電設(shè)備無(wú)沖擊，對(duì)電動(dòng)機(jī)無(wú)機(jī)械沖擊。避免了大電流沖擊對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響，從而提高了電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)的壽命。

4 PLC系統(tǒng)的選型

4.1 PLC系統(tǒng)的配置

選用西門(mén)子S7-200產(chǎn)品CPU226的PLC，輸入點(diǎn)24個(gè)，輸出點(diǎn)16個(gè)，加上1臺(tái)擴(kuò)展模擬量模塊EM235。這樣配置比較合適，也兼顧了以后增加或者擴(kuò)展控制系統(tǒng)的需要。

4.2 PLC模擬量擴(kuò)展單元的配置及應(yīng)用

PLC的普通輸入、輸出端口均為開(kāi)關(guān)量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見(jiàn)的方法是為整體式 PLC加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)展單元可以將外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運(yùn)算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機(jī)外所需的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨(dú)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨(dú)用于數(shù)/模轉(zhuǎn)換的，也有兼具模/數(shù)及數(shù)/模兩種功能的。如用 S7-200系列 PLC的模擬量擴(kuò)展模塊 EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸出，可以滿足壓力容器試壓工作站的需要。PLC及擴(kuò)展模塊接線如圖2所示。

4.3 變頻器的選擇

對(duì)于泵和風(fēng)機(jī)類的負(fù)載，在過(guò)載能力方面要求不高，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度的平方成正比，又因這類負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速的精度沒(méi)有特殊要求，所以選型時(shí)一般以廉價(jià)為原則，選擇普通功能型通用變頻器。

圖2 壓力容器試壓工作站PLC及擴(kuò)展模塊接線Fig.2 PLC and extended module connection in a pressure vessel test station

5 電氣控制系統(tǒng)原理圖及電路圖(見(jiàn)圖3、圖4)

圖3 壓力容器試壓工作站PLC電氣控制原理Fig.3 PLC electric control principle in a pressure vessel test station

圖4 變頻控制電路圖Fig.4 Circuit diagram of frequency converter control

6 PLC的安裝及接線

6.1 PLC的安裝

PLC一般要求安裝在 0～55,℃環(huán)境溫度，無(wú)陽(yáng)光直射，相對(duì)濕度不超過(guò) 85%，無(wú)油煙、無(wú)煙塵、無(wú)腐蝕性及可燃性氣體的場(chǎng)合，遠(yuǎn)離振動(dòng)源、強(qiáng)磁場(chǎng)，可防雨、防潮濕。在封閉的柜中安裝還要注意通風(fēng)散熱。

PLC外部要安裝緊急停機(jī)電路、保護(hù)電路。基本單元、擴(kuò)展單元的＋24,V不能從外部供給電源。輸入、輸出線不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)為 50,m 左右，這樣基本不會(huì)產(chǎn)生噪聲，為安全起見(jiàn)，配線最好在 30,m 以內(nèi)。數(shù)字脈沖信號(hào)頻率較高，傳輸過(guò)程易受外界干擾，應(yīng)選用屏蔽電纜傳輸。模擬量信號(hào)是連續(xù)變化的信號(hào)，外界的各種干擾都會(huì)疊加在模擬信號(hào)上，造成干擾，因而應(yīng)選用屏蔽線或帶防護(hù)的雙絞線。PLC的輸入、輸出線要與動(dòng)力線分開(kāi)，距離在 200,mm 以上，如果不能保證上述距離，可將這部分動(dòng)力線穿管并將管接地，不可將 PLC的輸入、輸出線與動(dòng)力高壓線捆綁在一起。應(yīng)盡量減少動(dòng)力線與信號(hào)線平行敷設(shè)的長(zhǎng)度，或增大兩者的距離，以減少噪聲干擾，一般兩線間距為 200,mm，當(dāng)兩線長(zhǎng)距離平行敷設(shè)時(shí)，兩線間距應(yīng)在400,mm以上。

6.2 PLC的接線

PLC在工作前必須正確接入控制系統(tǒng)。和PLC連接的主要有 PLC的電源線，輸入輸出器件的接線、通信線、接地線。PLC電源供電有兩種情況，一是使用工頻交流電，通過(guò)交流輸入端子連接，對(duì)電壓的要求比較寬松，100～250,V均可使用；二是采用外部直流開(kāi)關(guān)電源供電，一般配有直流 24,V輸入端子。采用交流供電的 PLC內(nèi)自帶有直流 24,V內(nèi)部電源為輸入器件供電。

輸出端的外部線路要有保護(hù)措施，以防止輸出單元的繼電器、晶體管、晶閘管開(kāi)關(guān)元件出現(xiàn)故障，而導(dǎo)致輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)失靈。

6.3 PLC-變頻控制系統(tǒng)的抗干擾措施

電源是 PLC-變頻控制系統(tǒng)引入干擾的途徑之一，PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動(dòng)較小、波形畸變較小的電源，這對(duì)于提高PLC的可靠性有很大幫助。在干擾較強(qiáng)或可靠性要求較高的場(chǎng)所，PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備(如弧焊機(jī)、高頻爐)分開(kāi)。為防止對(duì) PLC-變頻系統(tǒng)的干擾，應(yīng)采取以下措施：①PLC的接地采用專用的接地極，或與其他盤(pán)板共用接地系統(tǒng)，但需要配有專用接地線，直接與公共接地極連接，不允許與大功率晶閘管裝置和大型電動(dòng)機(jī)之類的設(shè)備共用接地系統(tǒng)連接。②PLC的接地極離PLC越近越好，PLC如由多單元組成，各單元之間應(yīng)采用同一點(diǎn)接地，以保證各單元間等電位。③PLC的輸入、輸出信號(hào)線采用屏蔽電纜時(shí)，其屏蔽層應(yīng)用一點(diǎn)接地，并用靠近PLC這段的電纜接地，電纜的另一端不接地，如果信號(hào)隨噪聲波動(dòng)，可以連接一個(gè)0.3,μF/25,V 的電容器到接地端。④接地線截面積應(yīng)大于2.5,mm2，接地線一般不超過(guò) 20,m，PLC接地系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)小于4,Ω。

6.4 運(yùn)行前的檢查與試驗(yàn)

通電前，應(yīng)檢查電源，接地線，輸入、輸出接線是否正確。程序檢查，新裝入程序正式運(yùn)行之前，應(yīng)檢查寫(xiě)入的程序是否正確，同時(shí)利用可編程器檢查功能檢查電路錯(cuò)誤、文法錯(cuò)誤。運(yùn)行試驗(yàn)，在PLC電源為ON時(shí)，自診斷功能便發(fā)揮作用。如無(wú)異常，PLC便進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。如果有文法或電路錯(cuò)誤，故障指示燈閃爍?！?/p>

［1］張萬(wàn)忠.可編程控制器入門(mén)與應(yīng)用(西門(mén)子 S7-200系列)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

［2］董原.高級(jí)電工實(shí)用技術(shù)[M].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古人民出版社，2008.

［3］王兆晶.國(guó)家職業(yè)資格培訓(xùn)教材維修電工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.