酒精儲(chǔ)液罐加裝過濾補(bǔ)液系統(tǒng)

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(tái)車身沖孔設(shè)備，用來對(duì)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(dòng)控制和功能性等設(shè)計(jì)需求，但是并沒有充分考慮到?jīng)_孔板材的降溫和脫模的實(shí)際效果。沖孔過程中一旦缺少了酒精的輔助，幾個(gè)沖孔循環(huán)后，模具的表面就會(huì)被工件上的鋁屑包裹失去原有的鋒利，在沖孔時(shí)會(huì)加劇摩擦造成工件變形甚至車身報(bào)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(chǔ)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(gè)酒精噴嘴。由于整套系統(tǒng)沒有過濾裝置，罐內(nèi)溶液會(huì)因?yàn)樗畨A、顆粒異物、團(tuán)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(xiàng)目背景介紹

1.1 浮球開關(guān)

酒精儲(chǔ)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(jì)（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?yàn)橐恢辈捎萌斯ぜ幼⒌姆绞?，所以罐?nèi)并沒有測(cè)量高位的開關(guān)裝置。

1.2 自動(dòng)控制的應(yīng)用

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)主要配備的PLC 是S7-300 系列的中型機(jī)，有著模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和較高的指令運(yùn)算速度，實(shí)用性價(jià)比突出。通常情況下，PLC 選型要在考慮采購成本、控制點(diǎn)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(jí)改造使用。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)接線

現(xiàn)場(chǎng)的浮球開關(guān)通過線纜接入040WSZ112 沖孔設(shè)備的費(fèi)斯托閥島16×DI 模塊當(dāng)中，使用X5 號(hào)接口，對(duì)應(yīng)程序當(dāng)中的IN點(diǎn)為E2945.0 和E2945.1，分別為酒精低液位預(yù)報(bào)警和酒精罐空?qǐng)?bào)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(yù)報(bào)警的信號(hào)輸入點(diǎn)，當(dāng)酒精儲(chǔ)液罐內(nèi)浮于上方的開關(guān)因?yàn)橐何唤档投鴶嚅_時(shí)，會(huì)觸發(fā)DB1342.DBX132.0 程序塊在操作界面當(dāng)中彈出酒精低液位預(yù)報(bào)警的提示信息（圖2），此時(shí)不會(huì)對(duì)正常生產(chǎn)造成影響。

圖2 酒精液位低預(yù)報(bào)警程序

如果酒精儲(chǔ)液罐內(nèi)的液位進(jìn)一步降低且未補(bǔ)充加注，此時(shí)酒精罐底部的浮球開關(guān)因此而斷開，E2945.1 點(diǎn)將會(huì)觸發(fā)下一段控制程序，DB1342.DBX132.1 會(huì)在系統(tǒng)的操作界面中彈出酒精液位低的報(bào)警信息（圖3），同時(shí)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(diǎn)亮酒精罐空液狀態(tài)燈。

圖3 酒精低液位報(bào)警程序

DB1342.DBX130.0 程序除了提示當(dāng)前空罐狀態(tài)，同時(shí)還會(huì)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(chǔ)備不足時(shí)，該工位完成當(dāng)前循環(huán)后進(jìn)入循環(huán)停止?fàn)顟B(tài)，阻止生產(chǎn)自動(dòng)運(yùn)行，強(qiáng)制操作人員立即補(bǔ)充酒精至低浮球開關(guān)重新觸發(fā)，才能將工位恢復(fù)自動(dòng)運(yùn)行。

圖4 低液位報(bào)警會(huì)觸發(fā)工位循環(huán)停止

2 項(xiàng)目改造介紹

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用需求，形成自動(dòng)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(chǔ)存，再由水泵送入酒精儲(chǔ)液罐內(nèi)，整個(gè)過程由兩組雙位浮球開關(guān)和1 個(gè)單浮球開關(guān)分別監(jiān)控2 個(gè)罐體的液位狀態(tài)；在設(shè)備正常運(yùn)行中，當(dāng)?shù)鸵何活A(yù)警觸發(fā)時(shí)，控制程序會(huì)檢查高液位和超高液位是否為0，同時(shí)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(huì)啟動(dòng)接觸器接通302 空開引入的220 V 交流電驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)執(zhí)行抽水動(dòng)作，直至高浮球開關(guān)被觸發(fā)，罐內(nèi)滿液后自動(dòng)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)?huì)切斷繼電器供電保證水泵和酒精設(shè)備的使用安全，同時(shí)啟動(dòng)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(dòng)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(fèi)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(duì)應(yīng)酒精桶內(nèi)的滿位、超液位和過濾桶中的液位監(jiān)控3 個(gè)傳感器相應(yīng)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(huì)因?yàn)槿币嚎辙D(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(dòng)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(dòng)電機(jī)的接觸器2 個(gè)電氣硬件。水泵方面利舊了1 臺(tái)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(yáng)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(dòng)，三主一輔觸點(diǎn)，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(xiàng)目當(dāng)中，電氣接線工作主要分為動(dòng)力和控制兩部分。動(dòng)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(dāng)接觸器吸合后水泵電機(jī)得電開始轉(zhuǎn)動(dòng)（圖6）。

圖6 水泵電機(jī)動(dòng)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(dòng)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(hào)接入040WZS112 設(shè)備上的費(fèi)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(hào)接線

為了方便調(diào)試和實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，水泵控制回路當(dāng)中接入了1 個(gè)手動(dòng)開關(guān)，安裝在水泵旁邊，在設(shè)備調(diào)試、手動(dòng)排水、設(shè)備維修等情況時(shí)可以直接通過按鈕控制水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，控制信號(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制功能。自動(dòng)運(yùn)行過程中，PLC 實(shí)時(shí)對(duì)酒精罐和過濾桶內(nèi)的5 個(gè)浮球開關(guān)進(jìn)行監(jiān)控，通過監(jiān)控開關(guān)所在的不同位置判斷啟動(dòng)水泵、彈出提示或者停止自動(dòng)運(yùn)行。

2.4.1 程序I/O 對(duì)照（表1）

表1 程序I/O 對(duì)照

2.4.2 手/自動(dòng)控制功能

通過手動(dòng)和自動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)酒精儲(chǔ)液罐的補(bǔ)液功能，實(shí)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(jī)。控制程序主要條件包括手動(dòng)、自動(dòng)2 個(gè)功能。

（1）自動(dòng)模式（圖8）。接通程序塊DB113.DBX149.0 自動(dòng)模式。①檢查I2945.0 儲(chǔ)液罐液位少于低液位監(jiān)控；②檢查I2946.0 儲(chǔ)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(chǔ)液罐液位少于超液位監(jiān)控；⑤檢查M1110.0 報(bào)警提示沒有觸發(fā)；⑥輸出Q150.0 水泵啟動(dòng)接觸器控制電。

圖8 自動(dòng)控制程序

（2）手動(dòng)模式（圖9）。接通程序塊DB113.DBX1 48.7 手動(dòng)模式。①檢查I2946.3 手動(dòng)按鈕是否接通；②檢查I2945.0 儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)液罐液位少于超液位監(jiān)控；⑥檢查M1110.0 報(bào)警提示沒有觸發(fā)；⑦輸出Q150.0 水泵啟動(dòng)接觸器控制電。

圖9 手動(dòng)控制程序

2.4.3 報(bào)警提示

圖10 和圖11 的報(bào)警程序都是利用PLC程序中的時(shí)間定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)比對(duì)輸出的，在接觸器線圈吸合報(bào)警程序中（圖10），當(dāng)Q150.0 輸出接觸器線圈控制電后，使用接觸器上的輔助觸點(diǎn)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(hào)反饋，控制供電線路、接觸器可能有故障發(fā)生，程序會(huì)通過M1110.0 端口向外輸出報(bào)警提示QA1 接觸器故障。

圖10 接觸器吸合超時(shí)報(bào)警

水泵運(yùn)行超時(shí)報(bào)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(chǔ)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(dòng)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(hào)，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(huì)通過M1110.1 端口向外輸出報(bào)警提示加注超時(shí)。

圖11 泵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)超時(shí)報(bào)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(chǔ)液罐的超位報(bào)警，出于設(shè)備使用安全考慮，如果整個(gè)系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行中出現(xiàn)了多個(gè)傳感器、接觸器同時(shí)故障的情況，水泵無法停止運(yùn)行，此時(shí)儲(chǔ)液罐內(nèi)將充滿酒精稀釋液和壓縮空氣，對(duì)于連接管路周邊的電氣設(shè)備來說還是具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性的。因此需要系統(tǒng)對(duì)此情況進(jìn)行判斷停止下一自動(dòng)循環(huán)（圖12），在超位信號(hào)消除前阻止該工位的自動(dòng)運(yùn)行請(qǐng)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(xiàng)目當(dāng)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(jì)的機(jī)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(gè)180 mm×410 mm的過濾架，用來放入兩個(gè)袋式濾芯，同時(shí)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(shí)際儲(chǔ)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(jí)的過濾器能夠有效對(duì)酒精溶液中的微生物和雜質(zhì)異物進(jìn)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(jì)的酒精過濾裝置

3 結(jié)束語

通過對(duì)酒精罐加裝自動(dòng)過濾補(bǔ)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(duì)車身沖孔產(chǎn)生的影響，完善了設(shè)備自動(dòng)控制能力。并且在改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施階段，發(fā)現(xiàn)了很多技術(shù)上和能力實(shí)踐上的不足，從中學(xué)習(xí)到了很多項(xiàng)目設(shè)計(jì)、電氣接線、元件選型和程序編寫等實(shí)用的相關(guān)知識(shí)，今后能夠更好地完成設(shè)備維修管理工作。