賈 林

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

北京奔馳后驅(qū)車工廠配有2 臺車身沖孔設(shè)備，用來對車身前懸掛安裝孔做定位沖孔，為了確保沖孔質(zhì)量穩(wěn)定，搭配酒精噴射系統(tǒng)共同使用。盡管這套酒精噴射裝置已經(jīng)滿足了閉環(huán)自動控制和功能性等設(shè)計需求，但是并沒有充分考慮到?jīng)_孔板材的降溫和脫模的實際效果。沖孔過程中一旦缺少了酒精的輔助，幾個沖孔循環(huán)后，模具的表面就會被工件上的鋁屑包裹失去原有的鋒利，在沖孔時會加劇摩擦造成工件變形甚至車身報廢。車身沖孔設(shè)備在用的酒精噴射系統(tǒng)是德國MENZEL 品牌的產(chǎn)品，儲液罐為20 L 的不銹鋼封閉罐體，充氣壓力0.2 MPa，并備有加注口、泄壓閥、浮球開關(guān)、虹吸管等裝置，酒精從罐體流出，通過多條管路接入末端的8 個酒精噴嘴。由于整套系統(tǒng)沒有過濾裝置，罐內(nèi)溶液會因為水堿、顆粒異物、團狀微生物、水堿、可見異物等阻塞管路而影響酒精的噴射。

1 項目背景介紹

1.1 浮球開關(guān)

酒精儲液罐內(nèi)安裝了1 組浮球開關(guān)，即高低雙位，采用串聯(lián)雙位置開關(guān)設(shè)計（圖1），安裝后可在罐體底部和3 L 位置起到低液位和空罐的監(jiān)視作用，因為一直采用人工加注的方式，所以罐內(nèi)并沒有測量高位的開關(guān)裝置。

1.2 自動控制的應用

生產(chǎn)現(xiàn)場主要配備的PLC 是S7-300 系列的中型機，有著模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)和較高的指令運算速度，實用性價比突出。通常情況下，PLC 選型要在考慮采購成本、控制點數(shù)和掃描周期的處理速度，并且還有留有10%左右的冗余空間，方便后期升級改造使用。

1.3 現(xiàn)場接線

現(xiàn)場的浮球開關(guān)通過線纜接入040WSZ112 沖孔設(shè)備的費斯托閥島16×DI 模塊當中，使用X5 號接口，對應程序當中的IN點為E2945.0 和E2945.1，分別為酒精低液位預報警和酒精罐空報警（圖1）。

圖1 浮球開關(guān)的接線位置

1.4 控制程序

程序控制方面，首先直接引入上述的E2945.0 作為酒精液位預報警的信號輸入點，當酒精儲液罐內(nèi)浮于上方的開關(guān)因為液位降低而斷開時，會觸發(fā)DB1342.DBX132.0 程序塊在操作界面當中彈出酒精低液位預報警的提示信息（圖2），此時不會對正常生產(chǎn)造成影響。

圖2 酒精液位低預報警程序

如果酒精儲液罐內(nèi)的液位進一步降低且未補充加注，此時酒精罐底部的浮球開關(guān)因此而斷開，E2945.1 點將會觸發(fā)下一段控制程序，DB1342.DBX132.1 會在系統(tǒng)的操作界面中彈出酒精液位低的報警信息（圖3），同時觸發(fā)DB1342.DBX130.0 程序中的界面狀態(tài)提示信息，在沖孔設(shè)備頁面中點亮酒精罐空液狀態(tài)燈。

圖3 酒精低液位報警程序

DB1342.DBX130.0 程序除了提示當前空罐狀態(tài)，同時還會被工位的循環(huán)停止功能調(diào)用（圖4），目的是為了保證沖孔工藝的質(zhì)量要求，在酒精儲備不足時，該工位完成當前循環(huán)后進入循環(huán)停止狀態(tài)，阻止生產(chǎn)自動運行，強制操作人員立即補充酒精至低浮球開關(guān)重新觸發(fā)，才能將工位恢復自動運行。

圖4 低液位報警會觸發(fā)工位循環(huán)停止

2 項目改造介紹

為了滿足現(xiàn)場的實際使用需求，形成自動控制循環(huán)，需要在現(xiàn)有酒精罐、浮球開關(guān)的硬件基礎(chǔ)上增加1 套酒精過濾加注系統(tǒng)（圖5）。該系統(tǒng)由過濾桶、濾芯、水泵、水管截門、浮球開關(guān)等部件組成，目的是通過工人向過濾桶內(nèi)添加酒精溶液，通過濾網(wǎng)過濾后儲存，再由水泵送入酒精儲液罐內(nèi)，整個過程由兩組雙位浮球開關(guān)和1 個單浮球開關(guān)分別監(jiān)控2 個罐體的液位狀態(tài)；在設(shè)備正常運行中，當?shù)鸵何活A警觸發(fā)時，控制程序會檢查高液位和超高液位是否為0，同時檢查過濾桶中的低液位監(jiān)控是否為1，如果條件滿足，控制程序會啟動接觸器接通302 空開引入的220 V 交流電驅(qū)動水泵電機執(zhí)行抽水動作，直至高浮球開關(guān)被觸發(fā)，罐內(nèi)滿液后自動切斷接觸器線圈供電。如果在水泵抽水加注過程中過濾桶內(nèi)的液位監(jiān)控置0 或酒精罐內(nèi)的超高液位置1，程序?qū)袛嗬^電器供電保證水泵和酒精設(shè)備的使用安全，同時啟動循環(huán)停止功能提示操作人員維修設(shè)備或加注酒精。

圖5 過濾酒精自動加注系統(tǒng)原理

2.1 酒精罐和過濾桶加裝液位開關(guān)

新增傳感器接入040WZS112 的費斯托閥島KF097.4 的DI模塊，使用X1 口的E2946.0 和E2946.1，以及X2 口的E2946.2，分別對應酒精桶內(nèi)的滿位、超液位和過濾桶中的液位監(jiān)控3 個傳感器相應功能。

浮球開關(guān)選用方面仍然使用壓力容器專用浮球開關(guān)，單、雙各一組分別安裝在過濾桶和酒精罐內(nèi)，其中單浮球開關(guān)安裝在過濾桶中距離桶低50 mm 的位置（約7.5 L），雙浮球開關(guān)則安裝在距離罐頂200 mm 的位置（約14 L），這樣既可以保證抽水泵不會因為缺液空轉(zhuǎn)造成燒毀，也能確保酒精罐內(nèi)的有足夠的壓縮空氣噴射酒精。

2.2 水泵和接觸器性能解析

酒精過濾自動加注系統(tǒng)中除了增加2 組浮球開關(guān)外，還添加了水泵和啟動電機的接觸器2 個電氣硬件。水泵方面利舊了1 臺國產(chǎn)220 V 的小型不銹鋼水泵，輸出功率約為0.37 kW，額定流量20 L/min，額定揚程17 m，出水壓力0.15～0.22 MPa。接觸器搭配的是1 塊西門子3RT2015-2BB41，具有24 V 直流驅(qū)動，三主一輔觸點，額定電壓220 V，電流7 A，滿足搭配需求。

2.3 硬件線纜搭接

改造項目當中，電氣接線工作主要分為動力和控制兩部分。動力電使用的是線邊低壓配電柜內(nèi)的220 V低壓交流電，從備用的302開關(guān)下接入，通過XD1 線排接至QA1 接觸器，當接觸器吸合后水泵電機得電開始轉(zhuǎn)動（圖6）。

圖6 水泵電機動力線纜接線

控制回路方面重新接入的線纜較多，包括雙位浮球開關(guān)、單只浮球開關(guān)、QA1 繼電器吸合反饋、QA1 繼電器吸合控制電、水泵手動開關(guān)等。滿位和超位浮球開關(guān)安裝在酒精罐內(nèi)，單只浮球開關(guān)安裝在過濾罐內(nèi)，根據(jù)輸入就近的原則，開關(guān)信號接入040WZS112 設(shè)備上的費斯托閥島數(shù)字量DI 模塊，接口為-KF097.4 模塊的X1 和X2 接口（圖7）。

圖7 傳感器開關(guān)信號接線

為了方便調(diào)試和實現(xiàn)手動操作，水泵控制回路當中接入了1 個手動開關(guān)，安裝在水泵旁邊，在設(shè)備調(diào)試、手動排水、設(shè)備維修等情況時可以直接通過按鈕控制水泵轉(zhuǎn)動，控制信號同樣聯(lián)入-KF097.4 的X2 接口（圖7）。

繼電器線圈的控制在低壓配電柜內(nèi)依托西門子的ET200總線控制模塊實現(xiàn)，接觸器控制方面主要考慮兩方面的需求，一是輸出24 V 直流電控制繼電器吸合，二是檢查繼電器吸合反饋，將新加的QA1 繼電器安裝在低壓柜220 V 隔離開關(guān)一側(cè)，線圈A1 和A2 控制電由KF023.14 輸出模塊的1、3 口輸出。繼電器吸合反饋13NO 和14NO 接入KF023.11 輸入模塊的1、3口輸入（圖7）。

2.4 邏輯控制程序分析

硬件和線路搭接完成后，需要通過修改和編寫控制程序來實現(xiàn)設(shè)備的自動控制功能。自動運行過程中，PLC 實時對酒精罐和過濾桶內(nèi)的5 個浮球開關(guān)進行監(jiān)控，通過監(jiān)控開關(guān)所在的不同位置判斷啟動水泵、彈出提示或者停止自動運行。

2.4.1 程序I/O 對照（表1）

表1 程序I/O 對照

2.4.2 手/自動控制功能

通過手動和自動功能實現(xiàn)酒精儲液罐的補液功能，實際上來講就是利用液位開關(guān)控制接觸器的吸合啟閉水泵電機?？刂瞥绦蛑饕獥l件包括手動、自動2 個功能。

（1）自動模式（圖8）。接通程序塊DB113.DBX149.0 自動模式。①檢查I2945.0 儲液罐液位少于低液位監(jiān)控；②檢查I2946.0 儲液罐滿位少于滿液位監(jiān)控；③檢查I2946.2 過濾罐液位多于低液位監(jiān)控；④檢查I2946.1 儲液罐液位少于超液位監(jiān)控；⑤檢查M1110.0 報警提示沒有觸發(fā)；⑥輸出Q150.0 水泵啟動接觸器控制電。

圖8 自動控制程序

（2）手動模式（圖9）。接通程序塊DB113.DBX1 48.7 手動模式。①檢查I2946.3 手動按鈕是否接通；②檢查I2945.0 儲液罐液位是否高于低位開關(guān)，開關(guān)觸發(fā)后切換至Q150.5 接觸器吸合保持；③檢查I2946.0 儲液罐滿位少于滿液位監(jiān)控；④檢查I2946.2 過濾罐液位多于低液位監(jiān)控；⑤檢查I2946.1 儲液罐液位少于超液位監(jiān)控；⑥檢查M1110.0 報警提示沒有觸發(fā)；⑦輸出Q150.0 水泵啟動接觸器控制電。

圖9 手動控制程序

2.4.3 報警提示

圖10 和圖11 的報警程序都是利用PLC程序中的時間定時器功能實現(xiàn)比對輸出的，在接觸器線圈吸合報警程序中（圖10），當Q150.0 輸出接觸器線圈控制電后，使用接觸器上的輔助觸點的通斷來判斷接觸器的吸合狀態(tài)，如果線圈通電2 s 且一直沒有I200.1 的信號反饋，控制供電線路、接觸器可能有故障發(fā)生，程序會通過M1110.0 端口向外輸出報警提示QA1 接觸器故障。

圖10 接觸器吸合超時報警

水泵運行超時報警（圖11）的工作原理與接觸器相同，根據(jù)水泵的額定功率20 L/min，儲液罐空罐到滿位傳感器大約為14 L的容量，理論上水泵在啟動后1 min 內(nèi)就可以將酒精加注到觸發(fā)滿位的位置，如果1 min 內(nèi)依舊沒有滿位信號，則表示管路可能有泄漏或者水泵損壞等情況，這是程序就會通過M1110.1 端口向外輸出報警提示加注超時。

圖11 泵機運轉(zhuǎn)超時報警

2.4.4 循環(huán)停止

該功能程序沒有做太多的調(diào)整，只是在觸發(fā)條件中添加了儲液罐的超位報警，出于設(shè)備使用安全考慮，如果整個系統(tǒng)在自動運行中出現(xiàn)了多個傳感器、接觸器同時故障的情況，水泵無法停止運行，此時儲液罐內(nèi)將充滿酒精稀釋液和壓縮空氣，對于連接管路周邊的電氣設(shè)備來說還是具有相當?shù)奈ｋU性的。因此需要系統(tǒng)對此情況進行判斷停止下一自動循環(huán)（圖12），在超位信號消除前阻止該工位的自動運行請求。

圖12 工位循環(huán)停止程序

2.5 過濾桶和濾芯

作為本次改造項目當中的添加的主體結(jié)構(gòu)，酒精過濾桶使用的是自主設(shè)計的機加工制造的定制產(chǎn)品。該過濾桶以1.5 mm厚的不銹鋼作為桶身材料，主體結(jié)構(gòu)分為上下兩部。上部過濾桶尺寸為504 mm×310 mm×510 mm，配有2 個180 mm×410 mm的過濾架，用來放入兩個袋式濾芯，同時裝有透明上蓋和把手便于使用和觀察。下部成品桶尺寸為504 mm×304 mm×412 mm，液體容積約為60 L，桶身側(cè)面裝有外置式液位觀察窗方便加工人了解罐內(nèi)的實際儲液量。濾芯采購的則是伊頓品牌1 μm 袋式過濾器，接觸食品級的過濾器能夠有效對酒精溶液中的微生物和雜質(zhì)異物進行過濾隔離，有效提升溶液潔凈度，防止管路和噴嘴阻塞的發(fā)生（圖13）。

圖13 自行設(shè)計的酒精過濾裝置

3 結(jié)束語

通過對酒精罐加裝自動過濾補液系統(tǒng)，有效降低了酒精原液中雜質(zhì)阻塞噴頭和水管對車身沖孔產(chǎn)生的影響，完善了設(shè)備自動控制能力。并且在改造項目的設(shè)計和實施階段，發(fā)現(xiàn)了很多技術(shù)上和能力實踐上的不足，從中學習到了很多項目設(shè)計、電氣接線、元件選型和程序編寫等實用的相關(guān)知識，今后能夠更好地完成設(shè)備維修管理工作。