基于PLC的模块化乳胶基质地面站控制系统研究

2017-12-05张小友

采矿技术 2017年6期

关键词：输出模块油相乳胶

张小友

(长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012)

基于PLC的模块化乳胶基质地面站控制系统研究

张小友

(长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012)

为了保证乳化炸药半成品生产的安全可靠性，研制了一种基于PLC控制的模块化地面站控制系统,对模块化地面站的动力模块、制备模块、制乳模块进行自动控制，对温度、压力、流量、液位、称重等传感数据进行采集，全面监测各个模块的运行状况，提高了控制系统的安全性和可靠性。

模块化地面站；PLC控制器； PID控制；乳胶基质

0 引言

模块化地面站是乳胶基质生产的地面设备，是将水相、油相、乳化剂在地面制成乳胶基质，是现场混装乳化炸药生产工艺的一部分。模块化地面站由动力模块、制备模块、制乳模块组成。模块化地面站控制系统采用主-从控制方式，大大提高了控制系统的安全性和可靠性。

动力模块作为从站，由锅炉，给水系统、动力配电柜和PLC控制系统等组成，主要为乳胶基质生产提供蒸汽和动力。制备模块作为主站，由破碎机、输送螺旋、水相制备罐，油相制备罐、敏化剂配制罐、促进剂配制罐、流量计、温度传感器、称重传感器、动力配电柜和PLC控制系统等组成，主要为乳胶基质生产提供原料配制。制乳模块设计为独立系统,由水相储存罐、油相储存罐、水相输送泵、油相输送泵、预乳罐、基质泵、静态乳化器、流量计、压力传感器、温度传感器、液位传感器、变频器、动力配电柜和PLC控制系统等组成，主要制作乳胶基质。

1 动力模块

1.1 硬件组成

动力模块由锅炉，软水箱、回水箱、冷凝水箱、软水处理器、压力传感器、液位传感器、PLC控制系统等组成，设备组成如图1所示。

PLC控制系统主要由PLC系统和工业控制机、压力传感器、液位传感器和相关执行器组成，控制功能主要由PLC实现，硬件组成如图2所示。

PLC系统主要由CPU、PLC电源、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块组成。CPU通过开关量输入模块和模拟量输入模块完成对动力模块的软水箱液位、回水箱液位、冷凝水箱液位、生产用水水管压力传感器等信号采集。通过主-从站通讯把数据信号传输给主站处理。主站把数据处理结果传输给从站CPU,通过开关量输出模块控制冷凝水电机、回水箱电机、加水磁阀控等控制。

图1 动力模块设备组成

图2 动力模块硬件组成

1.2 控制流程

锅炉输送蒸汽到制备模块和制乳模块使用后的回水在冷凝水箱里收集再次利用。模拟量输入模块采集冷凝水箱的液位、回水箱液位、软水箱液位和工业用水水管的压力等现场数据，通过主站CPU进行数据运算处理。通过从站开关量输出模块驱动执行机构，主站CPU对动力模块的液位和设备运行状态监测和控制。按照冷凝水箱优先用水的控制逻辑工艺要求，保证锅炉不间断供水，系统软件控制流程如图3所示。

图3 系统软件控制流程

冷凝水箱、回水箱、软水箱液位控制各有高液位和低液位两个设定值，工业用水水管压力工艺要求的压力设定值。

(1) 当冷凝水箱液位大于冷凝水箱高液位设定值且回水箱液位小于回水箱高液位设定值；或者冷凝水箱液位大于冷凝水箱低液位设定值，回水箱液位小于回水箱低液位设定值时，CPU控制开关量输出模块启动冷凝水箱电机，向回水箱加水，直到回水箱液位大于回水箱高液位设定值；当冷凝水箱液位小于低液位设定值时，CPU通过开关量输出模块停止冷凝水箱电机指令。

(2) 当软水箱液位小于软水箱低液位设定值且回水箱液位大于回水箱低液位设定值、且工业用水水管压力大于压力设定值时，CPU控制开关量输出模块优先启动回水箱电机，向回水箱加水。直到软水箱液位大于软水箱高液位设定值或者回水箱液位小于回水箱低液位设定值时，CPU通过开关量输出模块停止回水箱电机指令。

(3) 当软水箱液位小于软水箱低液位设定值、回水箱液位小于回水箱低液位设定值，工业用水水管压力大于压力设定值时，CPU通过开关量输出模块开启管道加水电磁阀指令经软水处理器向软水箱补水。

(4) 当软水箱液位小于软水箱低液位设定值、回水箱液位小于回水箱低液位设定值、工业用水水管压力小于压力设定值时，CPU通过开关量输出模块作出报警、联锁停机等控制指令。

2 制备模块

2.1 硬件组成

制备模块由破碎机、输送螺旋、水相制备罐，油相制备罐、敏化剂配制罐、促进剂配制罐、流量计、温度传感器、称重传感器、配电柜和PLC控制系统等组成，主要为乳胶基质生产提供原料。硬件组成如图4所示。

图4 制备模块硬件组成

2.2 控制流程

制备模块是乳胶基质生产工艺的原料配制工序，模拟量输入模块通过温度传感器采集水相罐、油相罐的温度；通过流量计采集水相罐加水量、油相罐加油量；通过称重传感器采集油相罐的重量；开关量输入模块采现场开关输送信号等现场数据。通过CPU进行PID数据运算处理，开关量输出模块控制执行机构。触摸屏和工控机对制备模块的流量、温度、重量、设备运行和报警信息等数据监测、显示和记录，系统软件控制流程如图5所示。

2.2.1 温度控制

水相、油相温度控制各有一个控制设定值。CPU通过模拟量输入模块采集水相、油相温度，进行PID数据运算处理。当水相、油相温度小于控制设定值，CPU通过开关量输出模块开启水相、油相蒸汽电动球阀，直到水相、油相温度达到控制设定值后关闭水相、油相蒸汽电动球阀。温度控制在指令中引入回差值运算，避免蒸汽电动球阀频繁动作。

2.2.2 流量控制流程

乳胶基质工艺水相配方是按比例将硝铵和水加热混合熔解。CPU通过触摸屏或工控机采集人工输入加水量设定值、开启加水电磁阀信号等数据；通过模拟量输入模块采集加水流量计的流量，进行数据运算处理。CPU通过开关量输出模块开启加水电磁阀，当加水流量计加水总量等于加水量设定值时，关闭加水磁阀，加水完成。加水流量控制引入加水惯性值，用来修正加水准确性。

乳胶基质工艺油相配方是按比例将柴油和乳化剂加热混合溶解。CPU通过触摸屏或工控机采集人工输入加油量设定值、开启加油电磁阀信号等数据；通过模拟量输入模块采集加油流量计的流量，进行数据运算处理。CPU通过开关量输出模块开启加油电磁阀，当加油流量计加油总量等于加油量设定值时，关闭加油磁阀，加油工序完成。加油流量控制引入加油惯性值，用来修正加油准确性。

图5 系统软件控制流程

3 制乳模块

3.1 硬件组成

制乳模块由水相储罐、水相输送泵、油相储罐、油相输送泵、预乳罐、基质泵、静态乳化器、流量计量装置、压力传感器、温度传感器、液位传感器、电流转换器、配电柜和PLC制系统等组成，硬件组成如图6所示。

3.2 控制流程

制乳模块是乳胶基质生产工艺的制乳工序，是乳胶基质生产工艺重要的工序。制乳模块将水相、油相按比例混合，通过预乳罐搅拌切割成粗乳，再由基质泵通过静态乳化器形成乳胶基质，输送到基质罐中存储，整个生产流程采用连续生产。

模拟量输入模块通过温度传感器采集水相储罐、油相罐的温度；通过流量计采集水相流量、油相流量；通过压力传感器采集水相管道压力、油相管道压力、基质泵出口压力、静态乳化器出口压力；通过液位传感器采集预乳罐的液位；开关量输入模块采集现场开关信号等数据，通过CPU进行数据运算处理，开关量输出模块控制执行机构。触摸屏及工控机对制乳模块的流量、温度、压力、液位、设备运行状态和报警信息等数据显示、监测和记录。系统软件控制流程如图7所示。

图6 制乳模块硬件组成

图7 系统软件控制流程

3.2.1 流量控制流程

水相泵和油相泵采用变频器调节控制，PLC经过PID运算与变频器通讯调节。CPU通过触摸屏及工控机采集生产工艺数据；通过模拟量输入模块采集水相流量、油相流量，进行数据运算处理。CPU通过模拟量输出模块调节水相变频器、油相变频器的运行频率来调控流量，通过触摸屏及工控机显示实时的流量数据进行监测和报警记录。

3.2.2 压力控制流程

CPU通过模拟量输入模块采集水相管道压力、油相管道压力、基质泵出口压力、静态乳化器出口压力等数据，进行数据运算处理。当实时压力值大于压力报警值，CPU通过开关量输出模块报警；当实时压力值大于压力报警停机值，CPU通过开关量输出模块发送停机指令。所有报警信号通过触摸屏和工控机显示并记录。

3.2.3 液位控制

对预乳罐的液位进行监测，水相、油相经输送泵输送到预乳罐进行混合，经预乳罐搅拌切割形成初乳，本系统采用连续生产工艺。为了使输入量与输出量达到动态平衡，CPU通过模拟量输入模块对预乳罐液位采集，采用模糊控制算法，通过通讯模块控制基质泵变频器的运行频率，将预乳罐液位控制在一定高度。

CPU通过模拟量输入模块对预乳罐液位采集，进行数据PID运算处理，控制预乳罐搅拌变频器运行频率，达到预乳罐搅拌转速的控制。