基于PLC的液壓濾油系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

高 挺，劉顯暉，楊 帆，李建強(qiáng)

（1.廣西科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣西 柳州 545001；2.柳州泰姆預(yù)應(yīng)力機(jī)械有限公司，廣西 柳州 545100）

0 引言

液壓系統(tǒng)在工程機(jī)械中被廣泛采用，工程機(jī)械的工作裝置、行駛系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常常離不開(kāi)液壓系統(tǒng)。對(duì)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(duì)整機(jī)的可靠性有非常大的影響[1]。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)或者動(dòng)力機(jī)從油箱吸入液壓油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)所需要的液壓動(dòng)力。在實(shí)際應(yīng)用中，液壓泵所需的液壓油的清潔性和過(guò)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(guò)多的雜質(zhì)會(huì)影響到液壓元件，例如堵塞閥門(mén)、擦傷密封件等，并且液壓油使用過(guò)程中出現(xiàn)乳化情況會(huì)污染環(huán)境?？墒且簤河蜔o(wú)法做到完全無(wú)雜質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間使用又會(huì)出現(xiàn)乳化，這種情況下就可利用濾油系統(tǒng)對(duì)液壓油進(jìn)行過(guò)濾、凈化，既可以節(jié)約資源、保護(hù)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(jì)算機(jī)化已勢(shì)在必行，而應(yīng)用在當(dāng)前工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的PLC是使其計(jì)算機(jī)化的最簡(jiǎn)便、最可靠的途徑[2]。本濾油控制系統(tǒng)以西門(mén)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(jī)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of vacuum oil filter

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

1 真空濾油機(jī)的工作流程

真空濾油機(jī)是根據(jù)水和液壓油的沸點(diǎn)不同而設(shè)計(jì)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(jìn)行脫水的[3]。濾油機(jī)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(guò)入口管道進(jìn)初濾器消除較大的顆粒，之后初濾后的油液進(jìn)入加熱罐內(nèi)，經(jīng)過(guò)加熱到40℃～75℃再經(jīng)過(guò)溫度控制閥，此閥是為保證進(jìn)入真空罐內(nèi)的油液溫度達(dá)到要求。真空罐中有旋轉(zhuǎn)裝置，經(jīng)過(guò)加熱后的油液通過(guò)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(jìn)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(guò)罐內(nèi)的精濾器將微粒雜質(zhì)過(guò)濾出來(lái)。從而完成真空濾油機(jī)迅速除去油中雜質(zhì)、水分、氣體的全過(guò)程，使?jié)崈舻挠鸵簭某隹谔幣懦鰴C(jī)外。

2 系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)

2.1 控制方案分析

根據(jù)各流程的特點(diǎn)和要求，需要協(xié)調(diào)每一個(gè)流程進(jìn)度。系統(tǒng)為了能夠?qū)σ簤河瓦M(jìn)行自動(dòng)過(guò)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(yùn)行過(guò)程中，需要溫度傳感器、壓力傳感器等參數(shù)作為各部件運(yùn)行的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)視以及自動(dòng)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(duì)渦輪流量傳感器脈沖信號(hào)進(jìn)行處理并在組態(tài)觸摸屏上實(shí)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(biāo)準(zhǔn)。

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(diǎn)：

1）上下限傳感器與入口閥門(mén)開(kāi)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(hào)接入PLC輸入端，由傳感器輸出邏輯信號(hào)作為判斷依據(jù)來(lái)控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，以此使得罐內(nèi)油液保持在合適的液位。

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

3）溫度和壓力檢測(cè)及超限處理。為保證濾油過(guò)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(guò)高造成危險(xiǎn)。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(guò)大。

4）渦流流量傳感器安裝在入油口處進(jìn)行流量檢測(cè)。真空濾油系統(tǒng)在使用過(guò)程中為了在無(wú)人看管的情況下保證安全，在油液都過(guò)濾完成后各部分都處于空載情況，特別是加熱罐長(zhǎng)期處于空載會(huì)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(shí)時(shí)監(jiān)視油液流量在達(dá)到目標(biāo)流量值的時(shí)候關(guān)停系統(tǒng)，二者可以在監(jiān)視入口處油液無(wú)流量時(shí)并延時(shí)一段時(shí)間后，認(rèn)定為油液全部過(guò)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(duì)濾油系統(tǒng)的需求，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件選型。

3.1 CPU選型

現(xiàn) 選 用SIEMENS公 司 的S7-200PLC，CPU型 號(hào) 為224XP CN，此型號(hào)CPU有14個(gè)輸入和10個(gè)輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O端口，并且有2個(gè)模擬量信號(hào)輸入端口。此CPU價(jià)格低廉并且完全可以滿足系統(tǒng)功能，具有極高的性價(jià)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(cè)流體從傳感器的進(jìn)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(dòng)下產(chǎn)生周期性的磁場(chǎng)變化，周期性變化的磁場(chǎng)又在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生周期性的電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后，再經(jīng)過(guò)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(jià)格低廉，集成度高，體積小巧，在供電方面使用24VDC供電，信號(hào)輸出二線制4mA～20mA電信號(hào)。

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(jìn)行界面設(shè)計(jì)，與下位機(jī)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(guò)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(qiáng)且價(jià)格便宜[5]。

3.5 真空泵選型

采用單級(jí)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(fēng)冷，操作方便，容易安裝維護(hù)，符合本系統(tǒng)的使用要求。

4 濾油系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(guò)濾后油液的質(zhì)量，需要對(duì)罐內(nèi)傳感器的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視并判斷。在系統(tǒng)開(kāi)始后，首先是確認(rèn)手動(dòng)或者自動(dòng)，手動(dòng)的情況下，使用繼電器和開(kāi)關(guān)對(duì)各部分進(jìn)行單獨(dú)控制。當(dāng)油液沒(méi)有乳化情況下不需要使用加熱器。在確認(rèn)使用自動(dòng)控制之后，首先是真空泵開(kāi)始運(yùn)行，延時(shí)一段時(shí)間在當(dāng)真空表面達(dá)到負(fù)壓-0.08MPa時(shí)，方可打開(kāi)入口控制球閥開(kāi)始進(jìn)油，否則系統(tǒng)后續(xù)工作無(wú)法開(kāi)展。之后，油液因?yàn)閮?nèi)外氣壓差被濾油器吸入罐內(nèi)，經(jīng)過(guò)初濾器進(jìn)入加熱器中。為了避免加熱器干燒的危險(xiǎn)，在打開(kāi)入口球閥后先延時(shí)，延時(shí)時(shí)間取決于加熱罐的實(shí)際尺寸。在加熱罐中有足量的油液后進(jìn)行加熱，通過(guò)溫度傳感器傳遞模擬信號(hào)到PLC計(jì)算出罐內(nèi)油液的溫度。當(dāng)油液溫度加熱達(dá)到50℃的時(shí)候才打開(kāi)溫度控制閥可以將油液流入真空罐中，在油液進(jìn)入真空罐后利用上下限液位傳感器邏輯狀態(tài)來(lái)判斷入口控制球閥的開(kāi)關(guān)，通過(guò)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(guò)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(guò)精濾器對(duì)油液進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾完成的油液最后通過(guò)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(shí)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(shí)立即停止所有執(zhí)行部分的工作；另外，就是油液過(guò)濾完成后正常停止。首先，是在程序判斷入口無(wú)流量進(jìn)入的時(shí)候PLC自動(dòng)下達(dá)系統(tǒng)停止的信號(hào)，先停機(jī)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(shí)一定時(shí)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(jì)數(shù)處理以及溫度超標(biāo)預(yù)警處理、壓力超標(biāo)預(yù)警處理、無(wú)流量流入預(yù)警處理。中斷程序由子程序中設(shè)置ATCH指令來(lái)觸發(fā)中斷，并在定時(shí)中斷的時(shí)間間隔寄存器SMB34中設(shè)置中斷時(shí)間。在系統(tǒng)中，利用I0.0作為高速計(jì)數(shù)器HSC0專用計(jì)數(shù)端口這一屬性，通過(guò)高速計(jì)數(shù)器對(duì)渦輪流量傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。對(duì)此在子程序中利用HDEF指令對(duì)HSC0進(jìn)行定義參數(shù)，利用寄存器HS0中的當(dāng)前值進(jìn)行累加并換算可以得到一定時(shí)間段內(nèi)的入口流量，為減少計(jì)數(shù)誤差再通過(guò)高速定時(shí)器定時(shí)中斷對(duì)高速計(jì)數(shù)器寄存器HS0中的當(dāng)前值定時(shí)清零。系統(tǒng)通過(guò)入口流量值判斷入口是否還有流量吸入，當(dāng)入口流量為零并延時(shí)一段時(shí)間無(wú)流量，即可視為油液已經(jīng)過(guò)濾完成，便可開(kāi)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(hào)輸出的模擬量均為4mA～20mA的電流信號(hào)，利用模擬量刻度轉(zhuǎn)換指令模塊Scale_I_to_R將對(duì)應(yīng)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(lái)進(jìn)行預(yù)警處理。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到加熱器中油溫大于70℃時(shí)，需要觸發(fā)報(bào)警器并關(guān)閉加熱器。當(dāng)過(guò)濾罐中的壓力傳感器檢測(cè)到壓力大于0.4MPa時(shí)，應(yīng)關(guān)閉輸油泵防止過(guò)濾罐中壓力過(guò)大發(fā)生危險(xiǎn)。另外，壓力過(guò)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(shí)清洗和更換。中斷程序流程圖如圖5。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文為對(duì)液壓油真空濾油機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)自動(dòng)濾油的需求設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)以西門(mén)子S7-200PLC為核心，以原本濾油機(jī)的工作流程為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)濾油流程自動(dòng)控制和液位控制，并實(shí)現(xiàn)入口流量的數(shù)據(jù)采集和無(wú)流量預(yù)警處理，極大地增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。本濾油機(jī)脫水率很高，可以過(guò)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(jì)的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，實(shí)用性強(qiáng)，極大地提升了濾油機(jī)的性能，節(jié)省了為新購(gòu)液壓油增加的成本。