高 挺，劉顯暉，楊 帆，李建強

（1.廣西科技大學 自動化學院，廣西 柳州 545001；2.柳州泰姆預應力機械有限公司，廣西 柳州 545100）

0 引言

液壓系統(tǒng)在工程機械中被廣泛采用，工程機械的工作裝置、行駛系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常常離不開液壓系統(tǒng)。對于液壓系統(tǒng)而言，液壓油的質(zhì)量至關(guān)重要。因此，液壓油的污染程度對整機的可靠性有非常大的影響[1]。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力系統(tǒng)，通過電機或者動力機從油箱吸入液壓油，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)所需要的液壓動力。在實際應用中，液壓泵所需的液壓油的清潔性和過濾性是影響液壓系統(tǒng)工作質(zhì)量的一大因素。如果液壓油中存在過多的雜質(zhì)會影響到液壓元件，例如堵塞閥門、擦傷密封件等，并且液壓油使用過程中出現(xiàn)乳化情況會污染環(huán)境。可是液壓油無法做到完全無雜質(zhì)，長時間使用又會出現(xiàn)乳化，這種情況下就可利用濾油系統(tǒng)對液壓油進行過濾、凈化，既可以節(jié)約資源、保護環(huán)境，也可以為企業(yè)節(jié)約成本。

以繼電接觸器為主的老一代控制系統(tǒng)已不能滿足油污處理的控制，這一領(lǐng)域的計算機化已勢在必行，而應用在當前工業(yè)過程控制領(lǐng)域的PLC是使其計算機化的最簡便、最可靠的途徑[2]。本濾油控制系統(tǒng)以西門子PLC為控制核心，不僅可以提高濾油效率也安全可靠。

圖1 真空濾油機工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of vacuum oil filter

圖2 真空濾油機流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the vacuum oil filter process

1 真空濾油機的工作流程

真空濾油機是根據(jù)水和液壓油的沸點不同而設(shè)計的。油液中的水以游離水、乳化水或者是溶解水的形式存在，真空脫水是利用高真空度下水的迅速汽化進行脫水的[3]。濾油機是由真空加熱罐、精濾器、冷凝器、初濾器、真空泵、排油泵以及電氣控制柜等組成。其工作原理圖如圖1。

真空泵與真空罐內(nèi)的空氣抽出形成真空，外界油液在大氣壓的作用下，油液經(jīng)過入口管道進初濾器消除較大的顆粒，之后初濾后的油液進入加熱罐內(nèi)，經(jīng)過加熱到40℃～75℃再經(jīng)過溫度控制閥，此閥是為保證進入真空罐內(nèi)的油液溫度達到要求。真空罐中有旋轉(zhuǎn)裝置，經(jīng)過加熱后的油液通過旋轉(zhuǎn)裝置上的噴翼飛快旋轉(zhuǎn)將油分離成半霧狀，油中的水分急速蒸發(fā)成水蒸氣并連續(xù)被真空泵吸入冷凝器內(nèi)，進入冷凝器內(nèi)的水氣經(jīng)冷卻后再返回成水放出。在真空罐內(nèi)的油液，由排油泵排入精濾罐，通過罐內(nèi)的精濾器將微粒雜質(zhì)過濾出來。從而完成真空濾油機迅速除去油中雜質(zhì)、水分、氣體的全過程，使?jié)崈舻挠鸵簭某隹谔幣懦鰴C外。

2 系統(tǒng)控制方案的設(shè)計

2.1 控制方案分析

根據(jù)各流程的特點和要求，需要協(xié)調(diào)每一個流程進度。系統(tǒng)為了能夠?qū)σ簤河瓦M行自動過濾、加熱、脫水等處理，需要控制加熱罐、真空泵、油泵等執(zhí)行部件，另外包括入口控制球閥和溫度控制閥。在系統(tǒng)運行過程中，需要溫度傳感器、壓力傳感器等參數(shù)作為各部件運行的判斷標準。

本系統(tǒng)為實現(xiàn)流量監(jiān)視以及自動關(guān)停的功能，在入油口處裝置了渦輪流量傳感器，利用PLC對渦輪流量傳感器脈沖信號進行處理并在組態(tài)觸摸屏上實現(xiàn)流量的可視化，將入口流量數(shù)值作為系統(tǒng)是否關(guān)斷的標準。

2.2 控制方案要求

根據(jù)分析中所需的要求，本控制系統(tǒng)程序關(guān)鍵為以下幾點：

1）上下限傳感器與入口閥門開關(guān)相關(guān)聯(lián)。在真空罐中裝有上下限傳感器，傳感器信號接入PLC輸入端，由傳感器輸出邏輯信號作為判斷依據(jù)來控制電動閥門的開關(guān)，以此使得罐內(nèi)油液保持在合適的液位。

2）手動與自動之間的切換。在濾油系統(tǒng)使用的過程中，針對一些情況并不需要所有部分都工作，這時候切換到手動模式，針對特有的情況調(diào)整部分系統(tǒng)以達到期望的效果。

3）溫度和壓力檢測及超限處理。為保證濾油過程中的安全，將油液溫度傳感器和加熱器相關(guān)聯(lián)，監(jiān)控加熱器中油液溫度，防止溫度過高造成危險。另外，將精濾罐中的壓力傳感器與輸油泵相關(guān)聯(lián)，防止精濾罐中壓力過大。

4）渦流流量傳感器安裝在入油口處進行流量檢測。真空濾油系統(tǒng)在使用過程中為了在無人看管的情況下保證安全，在油液都過濾完成后各部分都處于空載情況，特別是加熱罐長期處于空載會有安全隱患。因此，本系統(tǒng)在油液入口處安裝渦輪流量傳感器。這樣一者可以實時監(jiān)視油液流量在達到目標流量值的時候關(guān)停系統(tǒng)，二者可以在監(jiān)視入口處油液無流量時并延時一段時間后，認定為油液全部過濾完成后關(guān)停系統(tǒng)。

表1 I/O分配表Table 1 I/O allocation table

3 系統(tǒng)硬件選型

針對濾油系統(tǒng)的需求，對控制系統(tǒng)進行硬件選型。

3.1 CPU選型

現(xiàn) 選 用SIEMENS公 司 的S7-200PLC，CPU型 號 為224XP CN，此型號CPU有14個輸入和10個輸出共24個數(shù)字量I/O端口，并且有2個模擬量信號輸入端口。此CPU價格低廉并且完全可以滿足系統(tǒng)功能，具有極高的性價比。

3.2 渦輪流量傳感器

渦輪液壓流量傳感器采用渦輪轉(zhuǎn)速與液體流速成正比的原理，被測流體從傳感器的進口流入，在流體作用下葉輪受力旋轉(zhuǎn)。傳感器內(nèi)部的磁電轉(zhuǎn)化器在葉輪周期的轉(zhuǎn)動下產(chǎn)生周期性的磁場變化，周期性變化的磁場又在檢測線圈中產(chǎn)生周期性的電脈沖信號，經(jīng)放大器放大后，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化傳送給PLC[4]。

在本控制系統(tǒng)中使用的LWGY-25型流量傳感器，該傳感器價格低廉，集成度高，體積小巧，在供電方面使用24VDC供電，信號輸出二線制4mA～20mA電信號。

3.3 觸摸屏選型

本系統(tǒng)使用威綸通TK6070IP組態(tài)觸摸屏，并采用EasyBuilder8000軟件進行界面設(shè)計，與下位機PLC采用RS232專用電纜連接。流量、壓力和溫度傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC的處理后數(shù)據(jù)放入相關(guān)寄存器，并在觸摸屏上顯示出傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)以及上下限傳感器邏輯狀態(tài)。

圖3 渦輪流量傳感器安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of turbine flow sensor installation

表2 齒輪泵參數(shù)表Table 2 Gear pump parameters

表3 真空泵參數(shù)表Table 3 Vacuum pump parameter table

3.4 油泵選型

本系統(tǒng)中輸油泵采用齒輪油泵。齒輪泵體積小，質(zhì)量輕，自吸能力強且價格便宜[5]。

3.5 真空泵選型

采用單級旋片真空泵，此類泵結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，質(zhì)量輕，采用風冷，操作方便，容易安裝維護，符合本系統(tǒng)的使用要求。

4 濾油系統(tǒng)軟件設(shè)計

真空度和油液的溫度是油處理成效的關(guān)鍵因素[6]。本套系統(tǒng)為了可以保證過濾后油液的質(zhì)量，需要對罐內(nèi)傳感器的參數(shù)進行監(jiān)視并判斷。在系統(tǒng)開始后，首先是確認手動或者自動，手動的情況下，使用繼電器和開關(guān)對各部分進行單獨控制。當油液沒有乳化情況下不需要使用加熱器。在確認使用自動控制之后，首先是真空泵開始運行，延時一段時間在當真空表面達到負壓-0.08MPa時，方可打開入口控制球閥開始進油，否則系統(tǒng)后續(xù)工作無法開展。之后，油液因為內(nèi)外氣壓差被濾油器吸入罐內(nèi)，經(jīng)過初濾器進入加熱器中。為了避免加熱器干燒的危險，在打開入口球閥后先延時，延時時間取決于加熱罐的實際尺寸。在加熱罐中有足量的油液后進行加熱，通過溫度傳感器傳遞模擬信號到PLC計算出罐內(nèi)油液的溫度。當油液溫度加熱達到50℃的時候才打開溫度控制閥可以將油液流入真空罐中，在油液進入真空罐后利用上下限液位傳感器邏輯狀態(tài)來判斷入口控制球閥的開關(guān)，通過罐中的旋轉(zhuǎn)器將油液霧化，揮發(fā)出油液中的水分。這些水分被冷凝器吸入冷卻液化通過放水閥排出，在油水分離罐中剩下的油液被輸油泵排入精濾罐中，通過精濾器對油液進行過濾，過濾完成的油液最后通過止回閥排放至罐外。根據(jù)流程需求，主程序流程圖如圖3。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

圖5 定時中斷程序流程圖Fig.5 Scheduled interrupt program flow chart

本系統(tǒng)停止方式有兩種：一種是急停，也就是在系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時立即停止所有執(zhí)行部分的工作；另外，就是油液過濾完成后正常停止。首先，是在程序判斷入口無流量進入的時候PLC自動下達系統(tǒng)停止的信號，先停機加熱器3min，再停真空泵，關(guān)閉入口控制閥，再根據(jù)油液排除情況設(shè)置延時一定時間，即油液徹底排空后，關(guān)閉排油泵。

中斷程序主要是為了模擬量刻度轉(zhuǎn)換、渦輪流量傳感器脈沖輸入值計數(shù)處理以及溫度超標預警處理、壓力超標預警處理、無流量流入預警處理。中斷程序由子程序中設(shè)置ATCH指令來觸發(fā)中斷，并在定時中斷的時間間隔寄存器SMB34中設(shè)置中斷時間。在系統(tǒng)中，利用I0.0作為高速計數(shù)器HSC0專用計數(shù)端口這一屬性，通過高速計數(shù)器對渦輪流量傳感器發(fā)出的脈沖信號進行計數(shù)。對此在子程序中利用HDEF指令對HSC0進行定義參數(shù)，利用寄存器HS0中的當前值進行累加并換算可以得到一定時間段內(nèi)的入口流量，為減少計數(shù)誤差再通過高速定時器定時中斷對高速計數(shù)器寄存器HS0中的當前值定時清零。系統(tǒng)通過入口流量值判斷入口是否還有流量吸入，當入口流量為零并延時一段時間無流量，即可視為油液已經(jīng)過濾完成，便可開始關(guān)停系統(tǒng)。本系統(tǒng)中使用的溫度和壓力傳感器信號輸出的模擬量均為4mA～20mA的電流信號，利用模擬量刻度轉(zhuǎn)換指令模塊Scale_I_to_R將對應模擬量轉(zhuǎn)化為CPU內(nèi)部的數(shù)值，之后根據(jù)轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)值來進行預警處理。當溫度傳感器檢測到加熱器中油溫大于70℃時，需要觸發(fā)報警器并關(guān)閉加熱器。當過濾罐中的壓力傳感器檢測到壓力大于0.4MPa時，應關(guān)閉輸油泵防止過濾罐中壓力過大發(fā)生危險。另外，壓力過大也有可能是內(nèi)部濾芯表層吸附的雜質(zhì)太多需要及時清洗和更換。中斷程序流程圖如圖5。

5 結(jié)束語

本文為對液壓油真空濾油機進行改進，針對自動濾油的需求設(shè)計了控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)以西門子S7-200PLC為核心，以原本濾油機的工作流程為基礎(chǔ)，實現(xiàn)濾油流程自動控制和液位控制，并實現(xiàn)入口流量的數(shù)據(jù)采集和無流量預警處理，極大地增加了系統(tǒng)運行的安全性。本濾油機脫水率很高，可以過濾大多數(shù)微小雜質(zhì)，能夠有效地降低油液的污染度，濾出的油液可以滿足大多數(shù)的工業(yè)需求。在此硬件基礎(chǔ)上，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠，實用性強，極大地提升了濾油機的性能，節(jié)省了為新購液壓油增加的成本。