聚羧酸减水剂复配自动控制系统的设计

费冬妹　安春燕　王莉娜　余志永

(河北联合大学迁安学院,河北迁安　064400)

聚羧酸减水剂复配自动控制系统的设计

费冬妹安春燕王莉娜余志永

(河北联合大学迁安学院,河北迁安064400)

结合聚羧酸减水剂复配工艺需求开发了基于S7-200 PLC的控制系统，该系统采用上位机下位机两部分实现对聚羧酸减水剂复配过程进行自动控制和监控，上位机界面采用W inCC组态软件，此软件便于操作和集中监控，通过合理地选择控制模块与执行器降低了工程成本。产品最终设计实现了对聚羧酸减水剂复配过程的自动控制，大大提高了生产自动化。

聚羧酸PLCW inCC自动控制

聚羧酸减水剂（Polycarboxy late Superp lasticizer）是目前常用高性能减水剂之一，它是应用在水泥混凝土当中的一种水泥分散剂[1]。但是，在我国大多数的生产线仍然处于手工操作的阶段，没有办法保证产品质量的稳定性。水泥混凝土作为建筑中最根本的需求物质，更是要求生产的水泥混凝土可以足够稳定，所以聚羧酸减水剂起到了相当重要的作用。从而，要求整个生产线自动化就成了必然的需求。

然而我国的聚羧酸减水剂复配还处于起步阶段，本文结合聚羧酸生产工艺研制出一套基于西门子公司S7-200系列PLC的自动控制系统，并采用W inCC作为监控软件实施生产监测。

1　聚羧酸减水剂作用机理

聚羧酸减水剂粒子表层由于静电排斥作用产生的零电位比萘系等其它品种的减水剂要小一些，然而相对水泥却具有较大的分散力，聚羧酸粒子的静电排斥力越大，高分子对水泥的分散力越显著。聚羧酸减水剂吸附水泥粒子的形态如图1所示。聚羧酸中的羧酸离子对水泥粒子产生梳状吸附[2]。另外在聚羧酸高分子中含有多个醚键（—C—O—C—）侧链，在水溶液中醚键的氧与水分子反应形成强力的氢键，形成亲水性立体保护膜，这层保护膜除了有分散性，还具有分散稳定性。在普通混凝土配合比的条件下，长侧链键聚合物没有展现出减水性增强的效果。相反在水胶比较小的超高强混凝土配合比中，如果调整聚合物主链和接枝侧链长度的聚合物结构平衡，可明显增强减水率[1]。

聚羧酸减水剂能够保持塌落度的原因主要有以下两方面原因:（1）分散分子所表现出来的分散力和保持性能是由于其内部的分子架构;（2）在分散成分内具有混合保持坍落度的成分。其中第（2）项，在混凝土中，可以利用碱的加水分解作用，逐渐使分散成分发生变化而形成反应性高分子和交联聚合物，也就是在混合搅拌后，能够产生一种具有能使流动度后续增长性质的成分，而这种成分就是一种有用的保持成分[3]。

2　控制系统硬件选型

聚羧酸减水剂复配自动控制系统分为上位机和下位机两部分进行控制，上位机采用SIMENS公司的IPC547D型号的工业控制计算机，该计算机性能很强，具有较好的抗震和防冲击能力，通过创新技术获得最高系统性能，能够快速进行数据采集和管理，该设备结构高度紧凑，全金属外壳，具有良好的电磁兼容性[4]，能够很好的适应高温高压的工业环境，并在上位机上安装W inCC组态软件，对自动控制系统进行监控界面的设计。

图1　聚羧酸减水剂吸附水泥粒子形态图

图2　聚羧酸减水剂复配自动控制流程图

图3　聚羧酸减水剂复配自动控制部分程序

下位机采用S7-200系列的PLC，该控制器具有结构紧凑、配置灵活、价格低廉和指令集强大等特点，提供多种类型的CPU以适应各种应用，本系统采用CPU 224XP最为核心控制元件，同时S7-200系统PLC有多种类型的扩展模块来满足系统的扩展要求。数字量模块控制系统中电磁阀、电机和泵启停状态的采集，模拟量模块负责系统中温度、压力等模拟量信号的控制与传输记录。

上位机和下位机之间通过以太网通信协议进行数据的上传和下载，完成两者之间的实时通信[5]。上位机主要负责监控整个自动控制系统的运行情况并进行数据的处理与运算，下位机负责采集来自现场的数据和信号状态，两者配合共同完成聚羧酸减水剂复配的自动控制过程。

3　控制系统软件编程

STEP7-M icro/W IN 4.0版是适用于S7-200的32位编程软件包，它支持最新CPU增强功能的新软件工具，比如PID整定控制面板、数据归档向导和配方向导等[6]。此系统既可以爱PC机上运行，也可以在编程器上运行，调试和修改程序都很方便，图2为聚羧酸减水剂复配的自动控制流程图。

根据流程图编写PLC程序，首先要先统计输入输出点数，制定羧酸IO表，然后进行程序的编写和调试。部分程序如图3所示。

4　上位机监控设计

SIMATIC W inCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。本系统选用W inCC作为组态软件，可以全面的对聚羧酸减水剂复配过程进行监视与过程控制，根据生产工艺要求设计登陆界面、聚羧酸减水剂复配流程监控界面、运行子界面、手动操作界面、监控报警界面和数据统计界面等等[4]。利用W incc组态软件设计了聚羧酸减水剂复配自动控制系统流程监控界面，通过监控界面可以对复配流程中的每个环节进行实时监控，部分环节设有后续选项，可以进行配料方案的选择等，另外水槽和计量槽的当前重量也可以一目了然。另外还有细化的监控子界面，使整个生产过程都在操作人员的监控状态下，并配有变量归档页面，方便整理资料与信息。系统登录界面实现用户管理，分别设置管理员和操作员的账号和登录密码，规范操作权限。聚羧酸减水剂复配自动监控界面通过流程以及实时的状态数据对整个生产过程进行监视，保证生产安全有序的进行，各个监控子界面设有电机或者阀门的开关，操作人员可以手动进行选择和操作。组态报警界面有利于安全可靠的维护系统的正常运行，增强系统的稳定性。

5　结语

基于S7-200系列PLC以及相关执行器的辅佐实现了聚羧酸减水剂复配过程的自动控制，提高了生产的自动化水平，并通过后期的调试与安装，逐步实现系统稳定可靠的运行，保证生产的良好运行。

[1]卞利军.聚羧酸系高效减水剂的研究[D].大连理工大学,2003. [2]徐小军,胡建华,杨武利等.丙烯酸酯类微凝胶的制备及其表征[M].复旦学报(自然科学版),1998(3):265-270.

[3]Hiroshi Uchikawa, et al.The Role of Steric Repulsive Force in the Dispersion of Cement Particles in Fresh Paste Prepared with Organia Admixture.Cement and Concrete Research,1997(1): 37-50.

[4]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:淸华大学出版社,2001.

[5]张玲.羧酸共聚型高效减水剂的研制.河南科学,2002(1):30-32.

[6]郭保文,杨玉启,尉家臻.新型羧酸系高效减水剂合成研究[J].山东建材学院学报,1998(1):89-92.

费冬妹(1987—),女,河北昌黎人,硕士,助教,研究方向:自动检测与自动控制。