張小友

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

基于PLC的模塊化乳膠基質(zhì)地面站控制系統(tǒng)研究

張小友

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

為了保證乳化炸藥半成品生產(chǎn)的安全可靠性，研制了一種基于PLC控制的模塊化地面站控制系統(tǒng),對模塊化地面站的動力模塊、制備模塊、制乳模塊進行自動控制，對溫度、壓力、流量、液位、稱重等傳感數(shù)據(jù)進行采集，全面監(jiān)測各個模塊的運行狀況，提高了控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

模塊化地面站；PLC控制器； PID控制；乳膠基質(zhì)

0 引 言

模塊化地面站是乳膠基質(zhì)生產(chǎn)的地面設(shè)備，是將水相、油相、乳化劑在地面制成乳膠基質(zhì)，是現(xiàn)場混裝乳化炸藥生產(chǎn)工藝的一部分。模塊化地面站由動力模塊、制備模塊、制乳模塊組成。模塊化地面站控制系統(tǒng)采用主-從控制方式，大大提高了控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

動力模塊作為從站，由鍋爐，給水系統(tǒng)、動力配電柜和PLC控制系統(tǒng)等組成，主要為乳膠基質(zhì)生產(chǎn)提供蒸汽和動力。制備模塊作為主站，由破碎機、輸送螺旋、水相制備罐，油相制備罐、敏化劑配制罐、促進劑配制罐、流量計、溫度傳感器、稱重傳感器、動力配電柜和PLC控制系統(tǒng)等組成，主要為乳膠基質(zhì)生產(chǎn)提供原料配制。制乳模塊設(shè)計為獨立系統(tǒng),由水相儲存罐、油相儲存罐、水相輸送泵、油相輸送泵、預(yù)乳罐、基質(zhì)泵、靜態(tài)乳化器、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、變頻器、動力配電柜和PLC控制系統(tǒng)等組成，主要制作乳膠基質(zhì)。

1 動力模塊

1.1 硬件組成

動力模塊由鍋爐，軟水箱、回水箱、冷凝水箱、軟水處理器、壓力傳感器、液位傳感器、PLC控制系統(tǒng)等組成，設(shè)備組成如圖1所示。

PLC控制系統(tǒng)主要由PLC系統(tǒng)和工業(yè)控制機、壓力傳感器、液位傳感器和相關(guān)執(zhí)行器組成，控制功能主要由PLC實現(xiàn)，硬件組成如圖2所示。

PLC系統(tǒng)主要由CPU、PLC電源、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊組成。CPU通過開關(guān)量輸入模塊和模擬量輸入模塊完成對動力模塊的軟水箱液位、回水箱液位、冷凝水箱液位、生產(chǎn)用水水管壓力傳感器等信號采集。通過主-從站通訊把數(shù)據(jù)信號傳輸給主站處理。主站把數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳輸給從站CPU,通過開關(guān)量輸出模塊控制冷凝水電機、回水箱電機、加水磁閥控等控制。

圖1 動力模塊設(shè)備組成

圖2 動力模塊硬件組成

1.2 控制流程

鍋爐輸送蒸汽到制備模塊和制乳模塊使用后的回水在冷凝水箱里收集再次利用。模擬量輸入模塊采集冷凝水箱的液位、回水箱液位、軟水箱液位和工業(yè)用水水管的壓力等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過主站CPU進行數(shù)據(jù)運算處理。通過從站開關(guān)量輸出模塊驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，主站CPU對動力模塊的液位和設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測和控制。按照冷凝水箱優(yōu)先用水的控制邏輯工藝要求，保證鍋爐不間斷供水，系統(tǒng)軟件控制流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件控制流程

冷凝水箱、回水箱、軟水箱液位控制各有高液位和低液位兩個設(shè)定值，工業(yè)用水水管壓力工藝要求的壓力設(shè)定值。

(1) 當冷凝水箱液位大于冷凝水箱高液位設(shè)定值且回水箱液位小于回水箱高液位設(shè)定值；或者冷凝水箱液位大于冷凝水箱低液位設(shè)定值，回水箱液位小于回水箱低液位設(shè)定值時，CPU控制開關(guān)量輸出模塊啟動冷凝水箱電機，向回水箱加水，直到回水箱液位大于回水箱高液位設(shè)定值；當冷凝水箱液位小于低液位設(shè)定值時，CPU通過開關(guān)量輸出模塊停止冷凝水箱電機指令。

(2) 當軟水箱液位小于軟水箱低液位設(shè)定值且回水箱液位大于回水箱低液位設(shè)定值、且工業(yè)用水水管壓力大于壓力設(shè)定值時，CPU控制開關(guān)量輸出模塊優(yōu)先啟動回水箱電機，向回水箱加水。直到軟水箱液位大于軟水箱高液位設(shè)定值或者回水箱液位小于回水箱低液位設(shè)定值時，CPU通過開關(guān)量輸出模塊停止回水箱電機指令。

(3) 當軟水箱液位小于軟水箱低液位設(shè)定值、回水箱液位小于回水箱低液位設(shè)定值，工業(yè)用水水管壓力大于壓力設(shè)定值時，CPU通過開關(guān)量輸出模塊開啟管道加水電磁閥指令經(jīng)軟水處理器向軟水箱補水。

(4) 當軟水箱液位小于軟水箱低液位設(shè)定值、回水箱液位小于回水箱低液位設(shè)定值、工業(yè)用水水管壓力小于壓力設(shè)定值時，CPU通過開關(guān)量輸出模塊作出報警、聯(lián)鎖停機等控制指令。

2 制備模塊

2.1 硬件組成

制備模塊由破碎機、輸送螺旋、水相制備罐，油相制備罐、敏化劑配制罐、促進劑配制罐、流量計、溫度傳感器、稱重傳感器、配電柜和PLC控制系統(tǒng)等組成，主要為乳膠基質(zhì)生產(chǎn)提供原料。硬件組成如圖4所示。

圖4 制備模塊硬件組成

2.2 控制流程

制備模塊是乳膠基質(zhì)生產(chǎn)工藝的原料配制工序，模擬量輸入模塊通過溫度傳感器采集水相罐、油相罐的溫度；通過流量計采集水相罐加水量、油相罐加油量；通過稱重傳感器采集油相罐的重量；開關(guān)量輸入模塊采現(xiàn)場開關(guān)輸送信號等現(xiàn)場數(shù)據(jù)。通過CPU進行PID數(shù)據(jù)運算處理，開關(guān)量輸出模塊控制執(zhí)行機構(gòu)。觸摸屏和工控機對制備模塊的流量、溫度、重量、設(shè)備運行和報警信息等數(shù)據(jù)監(jiān)測、顯示和記錄，系統(tǒng)軟件控制流程如圖5所示。

2.2.1 溫度控制

水相、油相溫度控制各有一個控制設(shè)定值。CPU通過模擬量輸入模塊采集水相、油相溫度，進行PID數(shù)據(jù)運算處理。當水相、油相溫度小于控制設(shè)定值，CPU通過開關(guān)量輸出模塊開啟水相、油相蒸汽電動球閥，直到水相、油相溫度達到控制設(shè)定值后關(guān)閉水相、油相蒸汽電動球閥。溫度控制在指令中引入回差值運算，避免蒸汽電動球閥頻繁動作。

2.2.2 流量控制流程

乳膠基質(zhì)工藝水相配方是按比例將硝銨和水加熱混合熔解。CPU通過觸摸屏或工控機采集人工輸入加水量設(shè)定值、開啟加水電磁閥信號等數(shù)據(jù)；通過模擬量輸入模塊采集加水流量計的流量，進行數(shù)據(jù)運算處理。CPU通過開關(guān)量輸出模塊開啟加水電磁閥，當加水流量計加水總量等于加水量設(shè)定值時，關(guān)閉加水磁閥，加水完成。加水流量控制引入加水慣性值，用來修正加水準確性。

乳膠基質(zhì)工藝油相配方是按比例將柴油和乳化劑加熱混合溶解。CPU通過觸摸屏或工控機采集人工輸入加油量設(shè)定值、開啟加油電磁閥信號等數(shù)據(jù)；通過模擬量輸入模塊采集加油流量計的流量，進行數(shù)據(jù)運算處理。CPU通過開關(guān)量輸出模塊開啟加油電磁閥，當加油流量計加油總量等于加油量設(shè)定值時，關(guān)閉加油磁閥，加油工序完成。加油流量控制引入加油慣性值，用來修正加油準確性。

圖5 系統(tǒng)軟件控制流程

3 制乳模塊

3.1 硬件組成

制乳模塊由水相儲罐、水相輸送泵、油相儲罐、油相輸送泵、預(yù)乳罐、基質(zhì)泵、靜態(tài)乳化器、流量計量裝置、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、電流轉(zhuǎn)換器、配電柜和PLC制系統(tǒng)等組成，硬件組成如圖6所示。

3.2 控制流程

制乳模塊是乳膠基質(zhì)生產(chǎn)工藝的制乳工序，是乳膠基質(zhì)生產(chǎn)工藝重要的工序。制乳模塊將水相、油相按比例混合，通過預(yù)乳罐攪拌切割成粗乳，再由基質(zhì)泵通過靜態(tài)乳化器形成乳膠基質(zhì)，輸送到基質(zhì)罐中存儲，整個生產(chǎn)流程采用連續(xù)生產(chǎn)。

模擬量輸入模塊通過溫度傳感器采集水相儲罐、油相罐的溫度；通過流量計采集水相流量、油相流量；通過壓力傳感器采集水相管道壓力、油相管道壓力、基質(zhì)泵出口壓力、靜態(tài)乳化器出口壓力；通過液位傳感器采集預(yù)乳罐的液位；開關(guān)量輸入模塊采集現(xiàn)場開關(guān)信號等數(shù)據(jù)，通過CPU進行數(shù)據(jù)運算處理，開關(guān)量輸出模塊控制執(zhí)行機構(gòu)。觸摸屏及工控機對制乳模塊的流量、溫度、壓力、液位、設(shè)備運行狀態(tài)和報警信息等數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測和記錄。系統(tǒng)軟件控制流程如圖7所示。

圖6 制乳模塊硬件組成

圖7 系統(tǒng)軟件控制流程

3.2.1 流量控制流程

水相泵和油相泵采用變頻器調(diào)節(jié)控制，PLC經(jīng)過PID運算與變頻器通訊調(diào)節(jié)。CPU通過觸摸屏及工控機采集生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)；通過模擬量輸入模塊采集水相流量、油相流量，進行數(shù)據(jù)運算處理。CPU通過模擬量輸出模塊調(diào)節(jié)水相變頻器、油相變頻器的運行頻率來調(diào)控流量，通過觸摸屏及工控機顯示實時的流量數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和報警記錄。

3.2.2 壓力控制流程

CPU通過模擬量輸入模塊采集水相管道壓力、油相管道壓力、基質(zhì)泵出口壓力、靜態(tài)乳化器出口壓力等數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)運算處理。當實時壓力值大于壓力報警值，CPU通過開關(guān)量輸出模塊報警；當實時壓力值大于壓力報警停機值，CPU通過開關(guān)量輸出模塊發(fā)送停機指令。所有報警信號通過觸摸屏和工控機顯示并記錄。

3.2.3 液位控制

對預(yù)乳罐的液位進行監(jiān)測，水相、油相經(jīng)輸送泵輸送到預(yù)乳罐進行混合，經(jīng)預(yù)乳罐攪拌切割形成初乳，本系統(tǒng)采用連續(xù)生產(chǎn)工藝。為了使輸入量與輸出量達到動態(tài)平衡，CPU通過模擬量輸入模塊對預(yù)乳罐液位采集，采用模糊控制算法，通過通訊模塊控制基質(zhì)泵變頻器的運行頻率，將預(yù)乳罐液位控制在一定高度。

CPU通過模擬量輸入模塊對預(yù)乳罐液位采集，進行數(shù)據(jù)PID運算處理，控制預(yù)乳罐攪拌變頻器運行頻率，達到預(yù)乳罐攪拌轉(zhuǎn)速的控制。

4 結(jié) 論

模塊化移動式地面站將各個工序分成模塊化控制，通過溫度、壓力、流量、液位、稱重等傳感器數(shù)據(jù)采集，全面監(jiān)測各個模塊的運行狀況，及時全面掌握地面站的設(shè)備運行狀態(tài)，當某個模塊出現(xiàn)異常情況時采取相應(yīng)的保護措施，能避免或減少重大事故的發(fā)生，提高了乳膠基質(zhì)生產(chǎn)的可靠控制。

[1]鄧聲普，邱朝陽,等.基于PLC的乳化炸藥乳化器的在線監(jiān)測與智能控制[J].礦業(yè)工程，2008，10(2)：5￣8.

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[4]段仁君.連續(xù)乳化炸藥生產(chǎn)工藝的自動控制[J].基礎(chǔ)自動化,1995(6):33￣35.

[5]段仁君,張小友.乳化器的實時監(jiān)測及安全保護系統(tǒng)[J].采礦技術(shù),2014,14(2):71￣73.(收稿日期：2017￣06￣17)

張小友(1985-)，男，湖南郴州人，助理工程師，主要從事工業(yè)自動化過程控制研究，Email:511588177@qq.com。