PLC 在稀油润滑控制系统中的应用

冉祥涛

(中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038)

润滑系统在有色冶炼的生产中占有十分重要的位置,其设计、调试和维修保养,对于提高设备的使用寿命和保障生产的稳定进行有重要的作用。生产中很多机械设备以及高压电机的传动系统中,基本采用集中润滑系统进行润滑和降温。集中润滑系统是一个或者两个油液压油泵提供一定排量、一定压力的润滑油,为系统中需要高速或低速旋转的齿轮箱供油,由分流器将油按所需油量分配到各润滑点,同时带走旋转所产生的大部分热量,以实现润滑并降温的目的。

某工程项目现场某机械设备所在厂房环境一般,散热量较大,加上项目所处地理位置常年高温干燥,需要工作稳定的润滑系统进行降温和润滑。早期的设计为传统的继电器、接触器润滑系统,故障率高、稳定性差。经过对控制系统的改造,利用PLC控制器来实现润滑系统的功能,较好地解决了故障率高稳定性差的问题,极大提高了生产效率。

1 润滑系统的构造及其工作原理

1.1 润滑系统的构造

改造前的润滑系统设计于20 世纪90 年代,系统全部采用工业继电器来控制。整个系统由两台油泵电机和一台加热器组成,还有配套的冷却水降温系统。两台油泵中其中一台为备用机,当工作的一台发生故障时,备用机会自动投入工作。因为润滑中润滑油的粘稠度跟温度有关,所以在温度低的情况时不能直接开润滑泵润滑,需通过加热器给润滑油加热后,才能开润滑泵。同样,在润滑过程中,油温也不能过高,过高会影响对工作机械的降温,所以当油温达到设定值时开冷却阀利用冷却水给润滑油降温,从而保证整个系统工作在一个设定的安全温度范围内。整个润滑系统的主要工作原理如图1、图2 所示。

1.2 润滑系统的工作原理

由图1 可知,油泵的启动分为三种情况,一是开一泵备二泵,二是手动,三是开二泵备一泵,开一备二和开二备一都属于自动状态,此处说的自动不是自动启动,而是当开一个泵的时候,如果这个泵出现故障跳闸则另一个备用泵自动启动。手动状态则简单,是手动来控制开油泵一或油泵二。

图1 润滑系统控制原理图

由图2 可知,当润滑系统开始工作后,若油温低于10 ℃时,油泵不能启动。当油温大于10 ℃小于20 ℃时,虽油泵可以正常启动,但粘稠度达不到要求,润滑时的流量就会偏低,所以当油温小于20 ℃时,要求加热器工作,开始对润滑油加热。当润滑油温度加热到35 ℃时,加热器自锁打开,加热结束。当出口油温过高时,此时如果继续润滑,则不能很好地给传动系统的齿轮箱降温,时间长会造成齿轮等传动设备的损害,所以当温度超过设定值50 ℃的时候,冷却水阀门打开,利用冷却水对油路进行降温,随着温度的下降,当温度降低到设定值35 ℃以下时,冷却水阀门自动停止,冷却结束。

图2 润滑系统中加热器冷水阀及高低温报警控制原理图

系统除了检测油温油压保持正常工作之外,还有温度高低值的报警功能,当检测传感器检测到油温达到报警的限制时,系统通过报警灯和电笛进行报警,同时还设置了报警复位功能。

2 基于PLC 的润滑系统的硬件选择及原理图设计

2.1 系统的硬件选择

由于改造前润滑系统使用数量众多的工业继电器控制,所以故障率较高。改造后采用西门子公司生产的S7-200 系列PLC 来代替实现润滑系统的控制。

S7-200 是西门子可编程逻辑控制器家族中的一员,运用于各个行业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列PLC 虽然属于一种小型的控制器,但其功能强大,无论独立运行,还是通过组网的方式,都能实现较为复杂的控制功能。S7-200 系列PLC 集成24 个输入点,16 个输出点,共40个数字量I/O 点。最大可连接7 个扩展模块,通过连接扩展模块,可将I/O 点数最大扩展至248 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。S7-200 系列PLC 标配13 K 字节程序和数据存储空间,拥有6 个独立的30 kHz 高速计数器,2 路独立的20 kHz 高速脉冲输出,还具有PID 控制功能。S7-200 系列PLC还有丰富的编程接口,不但具有PPI 通讯协议、MPI通讯协议,还有自由方式通讯能力,还可以通过扩展模块实现DP 的通讯方式。S7-200 系列PLC 的端子排可灵活拆卸,方便故障时更换。所以对于一些复杂的中小型控制系统适用 S7 -200 系列PLC[1,4-5]。

对于该润滑系统来说,S7-200 系列PLC 足以完成所有需要的任务和要求,并且接线简洁方便、性能可靠稳定。

2.2 系统的原理图设计

PLC 系统设计时要最大限度地满足被控对象的功能要求,还要保证长期运行中安全、可靠、稳定,根据润滑系统的工作需求,将PLC 的输入输出端子分配,如表1 所示。

根据输入输出端子的分配,系统的硬件设计如图3 所示。在硬件设计的过程中,考虑全面要实现的各种功能,对系统总体的输入输出要有全局的把握。其中油压、油流、压差、油温均由分布于油路中的相应传感器检测输入。

图3 PLC 集中润滑控制系统硬件图

3 控制系统的程序设计及说明

利用S7-200 可编程控制器的专用编程软件进行程序设计,它支持很多种编程方式,如梯形图、指令表及功能图等,本文主要是以梯形图的方式进行软件编程。流程图根据润滑系统控制的工作流程设计,在程序设计的过程中,采用了结构化设计的方法。

3.1 控制系统的主程序流程图设计

根据要实现的功能及原理,系统的主程序流程如图4 所示,当油温满足要求时,油泵一启动,当油泵出现故障时或者管路压力检测到低于设定值时,油泵二自动投入运行,当检测到出油温度过高时,开冷却器降温。当回油温度过高或者检测到管路压力过低时,系统报警。

图4 系统的主程序流程图

整个系统的启动由油路的温度检测开始,启动后油路压力传感器开始工作,油温和油压的检测贯穿在系统运行的整个过程中。

设计好主程序流程图后,可按照流程图来设计润滑系统的程序,这样编程时就可以按照各个功能分块来编写。

3.2 程序的设计及说明

在进行软件编程时,根据流程图的设计,将整个系统的控制过程分成不同功能的模块,编写各个模块子程序,在子程序中编写具体的控制程序。本程序主要由油泵启动程序、加热器启动程序、冷水阀工作程序以及故障综合显示程序组成,篇幅所限,仅对部分主要程序的重点予以说明。

油泵启动程序主要通过转换开关来设定各油泵的工作状态,启动投入运行还是作为备自投,当油压传感器测量到油压达设定压力值以下时,两个泵同时投入运行。

加热器启动程序设置了手动和自动两种工作方式,选择加热器手动时,按下热器启动按钮,加热器启动。当油温传感器测到出油温度高于设定值时,加热器停止运行。选择自动时,若油温低于设定值,加热器自动投入运行,若系统检测到出油温度低于设定值,加热器开始自动投入运行,当温度加热到设定值,加热器自动停止。

冷水阀工作程序,当系统检测到出油温度高于设定值,冷水阀开始工作给油路降温,当温度降低到设定值以下时,冷水阀自动断电停止工作。

故障综合显示程序,当检测传感器检测到润滑故障时,润滑故障报警灯报警。在故障的判断上,为避免启动时误报警的情况,低油压和流量低采用延时输出方式[2-3]。

4 结语

本文通过对润滑系统的改造,说明了随着工业自动化的不断发展,PLC 可编程逻辑控制器控制领域发挥着越来越重要的作用,随着PLC 的网络化应用,其在未来工业控制领域必然会获得更加广阔的发展空间,并将为现代化工业生产的自动化和能源管控提供强大的技术支持。在新系统投入运行的三年里,故障率低、稳定性极高,保证了生产的安全稳定运行,取得了不错的效果。