黃顯杭，陳紅剛，仲　峰

(中國葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，　重慶　400065)

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基于PLC的油相制備自動計量控制系統(tǒng)研究

黃顯杭，陳紅剛，仲峰

(中國葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，重慶400065)

摘要：為了能夠提高油相制備工藝配比精度以及減少人工操作強度，研究了一種基于PLC的油相制備自動計量控制系統(tǒng)。首先，分析了自動計量制備控制系統(tǒng)，確定了其原理結(jié)構(gòu)以及硬件選型。其次，針對硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計了系統(tǒng)軟件控制流程。最后，通過搭建自動計量制備控制系統(tǒng)來驗證系統(tǒng)的有效性。實驗結(jié)果表明，開發(fā)的自動計量控制系統(tǒng)能夠控制乳化劑的質(zhì)量誤差在±0.5%以內(nèi)，柴油的質(zhì)量誤差在±0.3%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：油相制備；自動計量；控制系統(tǒng)

0引言

在現(xiàn)場混裝乳化炸藥的制作過程中，油相作為乳化炸藥制備所需要的半成品之一，其油相的配比質(zhì)量直接影響到現(xiàn)場混裝乳化炸藥在爆破施工作業(yè)過程中的爆破效果。如果油相密度偏大，可能會因為油膜過厚導(dǎo)致發(fā)泡效果不理想；如果油相密度偏小，可能會因為油膜太薄導(dǎo)致發(fā)泡過量，從而引起乳化炸藥析晶?？偠灾?，油相配比需嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝配方進(jìn)行配置，油相密度偏大或偏小都會影響乳化炸藥發(fā)泡效果，從而導(dǎo)致乳化炸藥爆破效果達(dá)不到預(yù)期效果，甚至發(fā)生拒爆現(xiàn)象。

在油相制備的過程中，嚴(yán)格控制柴油以及乳化劑的比例顯得至關(guān)重要。目前，在油相制備的生產(chǎn)工藝中，乳化劑的計量過程中主要都是采用地磅稱重的方式或則采用人工經(jīng)驗的判斷方式來確定乳化劑的質(zhì)量。通過這種方式進(jìn)行油相配比，往往會產(chǎn)生乳化劑抽取的質(zhì)量與實際的工藝配比有偏差，從而導(dǎo)致油相制備的質(zhì)量得不到保障。

因此，為了能夠確保在油相制備過程中乳化劑以及柴油的質(zhì)量，研究一種油相制備自動計量控制系統(tǒng)是目前亟待解決的問題。

1油相制備生產(chǎn)工藝流程

油相制備生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，油相制備可概括為兩個步驟，一是對柴油進(jìn)行抽取，二是對乳化劑進(jìn)行抽取，但2種原材料必須嚴(yán)格按照工藝配比進(jìn)行抽取。目前，對于柴油抽取量的計量儀器大多為體積流量計，對于乳化劑抽取量的計量大多為地磅稱重儀，采用上述工藝對油相進(jìn)行制備主要存在以下問題：

(1) 整個操作過程均為人工操作，人工勞動強度大，自動化程度低；

(2) 抽取過程需時刻觀察流量計以及地磅的顯示數(shù)值從而判斷是否達(dá)到目標(biāo)抽取量；

(3) 柴油體積隨溫度變化，體積流量計無法準(zhǔn)確計量柴油抽取質(zhì)量。

上述問題的存在，一定程度上影響了油相制備的精確性，對于乳化炸藥的生產(chǎn)存在著質(zhì)量隱患。

圖1　油相制備生產(chǎn)工藝

2計量控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)整體架構(gòu)

對于目前油相制備過程中存在的問題，本文采用自動化、信息化技術(shù)對油相制備的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造，實現(xiàn)油相制備自動化以及精確化。油相制備生產(chǎn)工藝流程改造圖如圖2所示，與圖1相比該工藝流程改造主要有以下幾點：

(1) 在乳化劑儲罐中加入蒸汽加熱裝置,包括電磁閥、溫度計以及蒸汽管道等，以解決目前乳化劑流動性低、抽取困難等問題；

(2) 柴油以及乳化劑的計量裝置改為質(zhì)量流量計；

(3) 加入相應(yīng)的PLC控制器以及配套的電氣設(shè)備以實現(xiàn)自動控制。

圖2　油相制備生產(chǎn)工藝改造

2.2硬件系統(tǒng)設(shè)計

通過需求分析，可將自動計量控制系統(tǒng)主要功能概括如下：

(1) 具備柴油自動抽取功能，可根據(jù)設(shè)置的抽取量進(jìn)行自動啟停控制；

(2) 具備乳化劑自動加熱功能，可根據(jù)乳化劑設(shè)置溫度進(jìn)行自動加熱控制；

(3) 具備乳化劑自動抽取功能，可根據(jù)設(shè)置的抽取量進(jìn)行自動啟動控制。

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計一套能夠滿足油相制備自動計量控制的系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)，其系統(tǒng)硬件架構(gòu)見圖3。

圖3　系統(tǒng)原理

從圖3中可知，該系統(tǒng)主要由7類硬件設(shè)備構(gòu)成：PLC、觸摸屏、AD轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量流量計、溫度計、電磁閥以及交流電機。其中，觸摸屏與PLC之間采用RS422串口協(xié)議進(jìn)行通信。PLC與AD轉(zhuǎn)換器之間采用擴展線纜連接。AD轉(zhuǎn)換器通過雙絞線與質(zhì)量流量計以及溫度計連接。電磁閥以及電機通過中間繼電器與PLC輸出端連接。

PLC作為數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)控制流程的實現(xiàn)，其主要功能包括：

(1) 獲取AD轉(zhuǎn)換器采集的流量計的流量值以及溫度計的溫度值，流量計以及溫度計輸出的信號均為4～20 mA電流信號；

(2) 根據(jù)觸摸屏輸入的目標(biāo)加熱溫度控制蒸汽加熱系統(tǒng)的啟停，根據(jù)目標(biāo)抽取質(zhì)量控制泵送系統(tǒng)的啟停。

觸摸屏作為系統(tǒng)的人機交互界面，主要功能如下：

(1) 負(fù)責(zé)溫度值、乳化劑以及柴油目標(biāo)抽取值的初始化設(shè)置；

(2) 負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的啟停控制信號輸入。

本次系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到生產(chǎn)工藝配比的準(zhǔn)確性，在生產(chǎn)過程中需要準(zhǔn)確的測量乳化劑和柴油的質(zhì)量。因此，在整個控制系統(tǒng)的設(shè)計中，流量計作為計量裝置在整個系統(tǒng)中具有最重要的作用，本文特采用了基于科里奧利原理的質(zhì)量流量計，其測量液體的質(zhì)量精度在0.5%以內(nèi)。

2.3軟件流程設(shè)計

本文根據(jù)程序控制流程設(shè)計的油相制備自動計量控制系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示，圖中簡要概括了PLC控制器程序控制流程方法。

圖4　程序流程

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，首先打開啟動按鈕，系統(tǒng)上電后便開始運行。系統(tǒng)啟動后，進(jìn)行初始化操作，包括對寄存器、I/O口狀態(tài)進(jìn)行清零處理。然后，在觸摸屏中輸入柴油、乳化劑抽取量，乳化劑加熱值等目標(biāo)參數(shù)，該值作為制備過程中乳化劑實際加熱目標(biāo)值、乳化劑及柴油實際需要抽取的質(zhì)量值等信息傳送到PLC中。最后，PLC通過AD轉(zhuǎn)換器采集溫度計實際溫度值以及流量計實際抽取乳化劑與柴油的實際值，通過判斷目標(biāo)值與實際值之間的大小來控制電磁閥以及電機啟停，如果檢測到的實際值與目標(biāo)值之間的誤差在合理范圍內(nèi)則停止相應(yīng)的電磁閥或電機，停止加熱或泵送系統(tǒng)，整個控制流程結(jié)束。

3測試結(jié)果

為了驗證自動計量控制系統(tǒng)的有效性以及其測量結(jié)果的精確性，本文通過多次實驗對兩種不同的油相制備生產(chǎn)工藝,包括傳統(tǒng)的配制方式以及自動計量控制系統(tǒng)進(jìn)行實際對比驗證, 油相制備自動計量控制系統(tǒng)如圖5所示。

采用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行油相制備時，在對乳化劑進(jìn)行抽取時(以抽取184 kg乳化劑為例)，如果采用人工觀察地磅值，通過計算地磅值是否達(dá)到目標(biāo)值后，再去控制輸送泵停止的方法，乳化劑質(zhì)量計量誤差在±3 kg左右。如果采用質(zhì)量流量計設(shè)計的自動計量控制系統(tǒng)，乳化劑質(zhì)量計量誤差在±0.92 kg左右。

在對柴油進(jìn)行抽取時(以抽取345 kg柴油為例)，如果采用人工方式，通過判斷體積流量計所測量的體積來確定其抽取質(zhì)量，其質(zhì)量計量誤差在±2 kg左右。如果采用質(zhì)量流量計設(shè)計的質(zhì)量自動計量控制系統(tǒng)，柴油質(zhì)量計量誤差在±0.38 kg左右。

圖5　油相制備自動計量控制系統(tǒng)

通過查閱企業(yè)某個生產(chǎn)點某個月的相關(guān)乳化炸藥成本分析表可知，乳化劑的平均用量約為4514 kg，機油的平均用量約為8959 kg。乳化劑的價格約為30.84元/kg，柴油的價格約為9.08元/kg。由以上數(shù)據(jù)可得采用不同生產(chǎn)工藝制備一次油相時所產(chǎn)生的最大計量誤差費用(見表1)。

由表1可知，在制備一個標(biāo)準(zhǔn)配比油相時，采用不同的工藝對乳化劑和柴油進(jìn)行計量，在計量過程中由于計量誤差導(dǎo)致的最大費用分別為110.66元(手工操作)、32.75元(自動計量控制系統(tǒng))。由此可以看出，采用自動計量控制系統(tǒng)可以有效的減少在生產(chǎn)過程中對機油和乳化劑的配比誤差，從而減少生產(chǎn)成本。

表1　不同生產(chǎn)工藝誤差成文分析

4結(jié)論

本文研究了一種基于PLC的油相制備自動計量控制系統(tǒng)。首先，分析了自動計量制備控制系統(tǒng)，確定了其原理結(jié)構(gòu)以及硬件選型。其次，針對硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件控制流程。最后，通過搭建自動計量制備控制系統(tǒng)來驗證系統(tǒng)的有效性。實驗結(jié)果表明:該自動計量控制系統(tǒng)，一方面能夠控制乳化劑的質(zhì)量誤差在±0.5%以內(nèi)，柴油的質(zhì)量誤差在±0.3%以內(nèi)，從而能夠更準(zhǔn)確的按照工藝配比對油相進(jìn)行制備，提升乳化炸藥的生產(chǎn)質(zhì)量，另一方面能夠提高油相制備的自動化生產(chǎn)程度，減少配料員在制備過程中因為操作復(fù)雜而發(fā)生錯誤。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：黃顯杭(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要從事工業(yè)炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)研究，Email:huangxh@expl.cn。