中小型變壓器油箱酸洗磷化工藝PLC改造設計*

李雙喜，毛旺志

（安徽科技學院數理與信息工程學院，安徽蚌埠 233101）

中小型變壓器油箱酸洗磷化工藝PLC改造設計*

李雙喜，毛旺志

（安徽科技學院數理與信息工程學院，安徽蚌埠 233101）

介紹了一套變壓器油箱酸洗、磷化自動控制系統的設計思想。應用西門子S7-200 Smart智能型PLC對系統進行自動控制，實現了變壓器油箱酸洗與磷化過程自動控制，提升了中小型變壓器生產車間的自動化水平和操作的安全性。

變壓器；油箱；PLC；自動控制

0 前言

在中小型油浸式變壓器的生產過程中，油箱的生產質量與變壓器的使用壽命密切相關。目前，在我國中小型油浸式變壓器油箱的生產過程中普遍采用酸洗、磷化的過程對變壓器的油箱進行處理，鑒于實際情況，這一生產過程的自動化程度不是很高，由人工進行操作。

原始的人工操作生產的產品質量與操作者的責任性和技術水平具有極大的關聯性，在產品質量的保證上難以獲得更高層次的水平。因此變壓器油箱生產車間的自動化控制設計與改造對安全生產、產品質量、提升生產效率具有非常重要的實際作用和使用價值。

1 酸洗、磷化工藝分析

中小型變壓器油箱焊接完成后通過檢漏，質量合格的油箱在噴漆前需要進行酸洗磷化工藝的處理，經過這一工藝環節處理，變壓器油箱上的焊接殘渣、金屬毛刺、油脂等經過處理得到清除，為使變壓器油箱在噴漆前不致于生銹影響變壓器油箱的質量，噴漆前還需要進行磷化防銹處理。一般中小型變壓器油箱的浸漬式酸洗磷化工藝過程為：脫脂—水洗（室溫）—酸洗—水洗（室溫）—中和（室溫）—水洗（室溫）—磷化—水洗（室溫）[1]。

其對應的工藝流程示意圖如圖1所示。

1.1 浸入式化學脫脂處理

浸入式化學脫脂處理主要是使用堿性溶液（主要成分為NaoH，Na2CO3），在其中加入適當的表面活性劑，利用溶液的皂化作用去除金屬零件的表面皂化性油脂，這一過程根據使用的脫脂成分比例的不同，脫脂時間也不一樣。

1.2 浸入式酸洗處理

將金屬零件浸泡在酸性溶液中，用酸性溶液與零件數表面的氧化物發生化學反應，使氧化物脫離技術的表面，達到凈化金屬表面的目的，這一過程稱為酸洗除銹。在工藝上使用耐腐蝕的酸洗槽，將工件直接通過吊鉤或通過酸洗籃浸入酸洗溶液中浸泡，通過一定的時間處理，能夠有效將工件表面的焊接殘渣、金屬毛刺以及鐵銹有去除。

1.3 中和處理

通常從酸洗池中提出的工件由于酸液的殘留，為防止殘存在工件上的酸液對工件的進一步腐蝕，需要將酸洗后的工件通過堿性溶液進行中和處理，這一工藝段的時間一般控制在3～5分鐘。一般堿性中和溶液的成分Na2CO3的含量一般采用50 g/L。

1.4 磷化處理

鑒于酸洗除銹后的變壓器油箱表面活性很強，在空氣中短時間內可能再次氧化生銹，為防止在噴漆前變壓器的油箱再次生銹，需要在含鋅、錳、鐵的單磷酸鹽溶液中進行處理，使金屬工件的表面形成難溶性磷酸鹽膜的過程。磷化膜在大氣條件下具有很好的穩定性，其耐腐蝕性是發藍膜的2～10倍。同時磷化膜具有很好的多孔性、對漆類具有良好的吸附作用，可有效提升油漆與工件的結合力，從而提升變壓器油箱的耐腐蝕能力，良好的磷化膜同時兼具較好的電氣絕緣性能，擊穿電壓可達到250～1 200 V，兼具絕緣能力。

2 控制系統硬件設計與功能

2.1 控制系統硬件平臺

根據需要完成酸洗磷化工件搬運任務的吊籃上升/下降、左移/右移分別采用兩臺三相異步電動機M1、M2拖動，M1完成吊藍的上升與下降驅動，M2完成吊藍的左移與右移驅動，系統主電路如圖2所示。控制系統以S7-200 SMART型PLC作為系統控制的主機，根據酸洗磷化工藝過程的需求，考慮到系統工作各工藝段的時間順序特點和保護功能的實際需要，PLC主機的CPU型號選擇為CPU CR40，該型CPU具有24點數字量輸入和16點數字量輸出，可以滿足系統對輸入輸出控制點數的需求。人機接口模塊采用西門子配套的SMART LINE觸摸屏，以西門子SITOP POWER（24V/ 3.5A）直流電源作為系統直流電源供應來源。控制系統的主要硬件結構如圖3所示。

圖2 系統主電路圖

2.2 控制系統的功能

所開發的酸洗磷化工藝控制系統主要的功能包括控制功能、保護功能。

控制功能：設置自動和手動兩種控制方式，手動方式通過手動上升、手動下降、手動左移、手動右移控制實現，與原來的手動控制方式的操作要求一致，方便系統調試運行以及故障條件下的應急運行操作。自動控制方式根據酸洗、磷化工藝的控制要求按照預先設置的程序自動完成一系列的工藝操作，完成酸洗處理與磷化處理的全部過程，不需要人為干預。設備生產運行時采用該方式進行，以提升產品的生產質量，降低操作者的勞動強度并有效保護操作者的人身健康。

圖3 酸洗磷化控制系統硬件結構圖

保護功能：系統設置電機電流過流等相關參數超標時，PLC主機發出控制指令停機并報警，通過電機主電路的熱繼電器進行過流檢測，將熱繼電器KH1、KH2的常閉合觸點串聯作為PLC保護控制輸入點信號。

3 控制系統程序設計

PLC程序設計采用STEP7-Micro/win smart軟件進行開發[2]，STEP7-Micro/win smart是西門子smart系列PLC編程該工具，具有梯形圖、功能塊和語句表方式編程方案。鑒于酸洗磷化工藝過程明確的時間順序性，該系統PLC控制策略采用順序控制結構，即按照酸洗磷化工藝過程的各環節先后順序進行。為滿足實際生產需要，系統程序設計采用“手動程序”與“自動程序”兩種工作模式，前者手動程序采用經驗設計法即可滿足要求，相對復雜的自動程序的設計采用順序控制法設計[3]。

3.1 控制程序設計

系統自動運行主要考慮的是吊籃的上下位置定位以及各溶液槽位置定位，綜合考慮控制系統的各方面的要求，該系統對應的輸入符號表、輸出符號表如圖4（a）、（b）所示，系統的主程序主要由手動控制程序與自動控制程序組成，如圖5所示。

3.2 手動程序設計

圖4 符號表定義

圖5 系統的主程序

當手動/自動控制模式選擇在手動的位置時，通過手動上升控制、手動下降控制、手動左移控制、手動右移控制進行M1、M2的點動控制，根據操作者的要求進行工作。這一操作方式程序設計比較簡單，通過將原來的繼電器—接觸器系統適當改造即可完成，各工藝處理效果可以根據工人的現場觀察、檢測進行逐級循環處理。

3.3 自動程序設計

順序控制設計作為一種先進的設計方法便于設計運用[4]，自動程序設計充分考慮變壓器油箱磷化工藝生產過程的順序性，考慮各工藝環節處理的時間需求，在吊籃位置信號的作用下，根據PLC內部狀態寄存器和時間的順序，產生各工藝環節的動作要求。以脫脂—水洗（室溫）—酸洗—水洗（室溫）—中和（室溫）—水洗（室溫）—磷化—水洗（室溫）各階段的處理時間和處理質量作為程序設計的要求，根據酸洗磷化工藝的具體過程以及技術參數確定自動控制的順序功能圖（SFC），繼而按照PLC梯形圖的設計方法完成系統自動程序的設計。

4 結束語

以西門子S7-200 SMART型PLC對中小型變壓器油箱酸洗磷化過程進行自動控制，通過合理的工藝流程設計以及對原來的人工操作系統的改進，實現了各工藝環節的自動控制，在降低工人的勞動強度的同時，可以提升設備的利用率，滿足節能需要以及對產品質量的提升的要求。

SMARTIC S7-200是西門子公司經過大量的實際調研為中國市場開發的一款性能價格比很高的產品，具有工作性能穩定，系統運行可靠、故障率低的特點。所設計的系統設置了“手工操作運行方式”和“自動操作運行方式”，有效解決有生產過程中在PLC系統故障時能夠正常運行，通過西門子觸摸屏技術進行人機對話，可實現控制界面的切換、系統的巡查、故障復位以及控制方式的轉換[5]。總之，對現有系統的智能化改造在提升企業自動化生產水平的同時，對安全生產、產品質量提升以及降低勞動強度具有重要意義與作用。

［1］趙月靜.變壓器制造工藝［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］廖常初.S7-200 SMART PLC編程及應用［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［3］S7-200 SMART可編程序控制器產品目錄［Z］.西門子（中國）有限公司，2012.

［4］S7-200 SMART可編程序控制器系統手冊［Z］.西門子（中國）有限公司，2012.

［5］廖常初.西門子人機界面（觸摸屏）組態與應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

The Design of Medium and Small Transformer Tank Pickling Phosphating Process Based on PLC

LI Shuang-xi，MAO Wang-zhi
（Anhui Science Technology University，College of Mathematics，Physics and Information Engineering，Bengbu233101，China）

This paper introduces the design idea of automatic control system of a transformer oil tank pickling,phosphating.With the Application of Siemens S7-200 Smart intelligent PLC to make automatic control system of Pickling,phosphating process line.The system can achieve the Automatic control of Pickling and phosphating process of transformer oil tank.It enhances the security level of automation and operation of transformer production workshop.

transformer；oil tank；PLC；automatic control

TP273

A

1009－9492(2014)09－0096－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.026

李雙喜，男，1972年生，安徽懷寧人，碩士，副教授。研究領域：機電系統智能控制與檢測。已發表論文10篇。

(編輯：向 飛)

*安徽省高等教育振興人才計劃項目（2013高校教師掛職企業服務）；安徽科技學院電子信息工程專業卓越工程師項目（Xj201222）

2014－03－19