基于PLC的油相制備自動計量控制系統研究

黃顯杭，陳紅剛，仲　峰

(中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，　重慶　400065)

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基于PLC的油相制備自動計量控制系統研究

黃顯杭，陳紅剛，仲峰

(中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶400065)

摘要：為了能夠提高油相制備工藝配比精度以及減少人工操作強度，研究了一種基于PLC的油相制備自動計量控制系統。首先，分析了自動計量制備控制系統，確定了其原理結構以及硬件選型。其次，針對硬件結構設計了系統軟件控制流程。最后，通過搭建自動計量制備控制系統來驗證系統的有效性。實驗結果表明，開發的自動計量控制系統能夠控制乳化劑的質量誤差在±0.5%以內，柴油的質量誤差在±0.3%以內。

關鍵詞：油相制備；自動計量；控制系統

0引言

在現場混裝乳化炸藥的制作過程中，油相作為乳化炸藥制備所需要的半成品之一，其油相的配比質量直接影響到現場混裝乳化炸藥在爆破施工作業過程中的爆破效果。如果油相密度偏大，可能會因為油膜過厚導致發泡效果不理想；如果油相密度偏小，可能會因為油膜太薄導致發泡過量，從而引起乳化炸藥析晶。總而言之，油相配比需嚴格按照生產工藝配方進行配置，油相密度偏大或偏小都會影響乳化炸藥發泡效果，從而導致乳化炸藥爆破效果達不到預期效果，甚至發生拒爆現象。

在油相制備的過程中，嚴格控制柴油以及乳化劑的比例顯得至關重要。目前，在油相制備的生產工藝中，乳化劑的計量過程中主要都是采用地磅稱重的方式或則采用人工經驗的判斷方式來確定乳化劑的質量。通過這種方式進行油相配比，往往會產生乳化劑抽取的質量與實際的工藝配比有偏差，從而導致油相制備的質量得不到保障。

因此，為了能夠確保在油相制備過程中乳化劑以及柴油的質量，研究一種油相制備自動計量控制系統是目前亟待解決的問題。

1油相制備生產工藝流程

油相制備生產工藝流程如圖1所示，油相制備可概括為兩個步驟，一是對柴油進行抽取，二是對乳化劑進行抽取，但2種原材料必須嚴格按照工藝配比進行抽取。目前，對于柴油抽取量的計量儀器大多為體積流量計，對于乳化劑抽取量的計量大多為地磅稱重儀，采用上述工藝對油相進行制備主要存在以下問題：

(1) 整個操作過程均為人工操作，人工勞動強度大，自動化程度低；

(2) 抽取過程需時刻觀察流量計以及地磅的顯示數值從而判斷是否達到目標抽取量；

(3) 柴油體積隨溫度變化，體積流量計無法準確計量柴油抽取質量。

上述問題的存在，一定程度上影響了油相制備的精確性，對于乳化炸藥的生產存在著質量隱患。

圖1　油相制備生產工藝

2計量控制系統總體設計

2.1系統整體架構

對于目前油相制備過程中存在的問題，本文采用自動化、信息化技術對油相制備的生產工藝進行改造，實現油相制備自動化以及精確化。油相制備生產工藝流程改造圖如圖2所示，與圖1相比該工藝流程改造主要有以下幾點：

(1) 在乳化劑儲罐中加入蒸汽加熱裝置,包括電磁閥、溫度計以及蒸汽管道等，以解決目前乳化劑流動性低、抽取困難等問題；

(2) 柴油以及乳化劑的計量裝置改為質量流量計；

(3) 加入相應的PLC控制器以及配套的電氣設備以實現自動控制。

圖2　油相制備生產工藝改造

2.2硬件系統設計

通過需求分析，可將自動計量控制系統主要功能概括如下：

(1) 具備柴油自動抽取功能，可根據設置的抽取量進行自動啟停控制；

(2) 具備乳化劑自動加熱功能，可根據乳化劑設置溫度進行自動加熱控制；

(3) 具備乳化劑自動抽取功能，可根據設置的抽取量進行自動啟動控制。

根據系統功能需求，設計一套能夠滿足油相制備自動計量控制的系統總體硬件架構，其系統硬件架構見圖3。

圖3　系統原理

從圖3中可知，該系統主要由7類硬件設備構成：PLC、觸摸屏、AD轉換器、質量流量計、溫度計、電磁閥以及交流電機。其中，觸摸屏與PLC之間采用RS422串口協議進行通信。PLC與AD轉換器之間采用擴展線纜連接。AD轉換器通過雙絞線與質量流量計以及溫度計連接。電磁閥以及電機通過中間繼電器與PLC輸出端連接。

PLC作為數據處理單元負責整個系統控制流程的實現，其主要功能包括：

(1) 獲取AD轉換器采集的流量計的流量值以及溫度計的溫度值，流量計以及溫度計輸出的信號均為4～20 mA電流信號；

(2) 根據觸摸屏輸入的目標加熱溫度控制蒸汽加熱系統的啟停，根據目標抽取質量控制泵送系統的啟停。

觸摸屏作為系統的人機交互界面，主要功能如下：

(1) 負責溫度值、乳化劑以及柴油目標抽取值的初始化設置；

(2) 負責整個系統的啟停控制信號輸入。

本次系統設計中，考慮到生產工藝配比的準確性，在生產過程中需要準確的測量乳化劑和柴油的質量。因此，在整個控制系統的設計中，流量計作為計量裝置在整個系統中具有最重要的作用，本文特采用了基于科里奧利原理的質量流量計，其測量液體的質量精度在0.5%以內。

2.3軟件流程設計

本文根據程序控制流程設計的油相制備自動計量控制系統的軟件流程如圖4所示，圖中簡要概括了PLC控制器程序控制流程方法。

圖4　程序流程

當系統開始工作時，首先打開啟動按鈕，系統上電后便開始運行。系統啟動后，進行初始化操作，包括對寄存器、I/O口狀態進行清零處理。然后，在觸摸屏中輸入柴油、乳化劑抽取量，乳化劑加熱值等目標參數，該值作為制備過程中乳化劑實際加熱目標值、乳化劑及柴油實際需要抽取的質量值等信息傳送到PLC中。最后，PLC通過AD轉換器采集溫度計實際溫度值以及流量計實際抽取乳化劑與柴油的實際值，通過判斷目標值與實際值之間的大小來控制電磁閥以及電機啟停，如果檢測到的實際值與目標值之間的誤差在合理范圍內則停止相應的電磁閥或電機，停止加熱或泵送系統，整個控制流程結束。

3測試結果

為了驗證自動計量控制系統的有效性以及其測量結果的精確性，本文通過多次實驗對兩種不同的油相制備生產工藝,包括傳統的配制方式以及自動計量控制系統進行實際對比驗證, 油相制備自動計量控制系統如圖5所示。

采用傳統的方式進行油相制備時，在對乳化劑進行抽取時(以抽取184 kg乳化劑為例)，如果采用人工觀察地磅值，通過計算地磅值是否達到目標值后，再去控制輸送泵停止的方法，乳化劑質量計量誤差在±3 kg左右。如果采用質量流量計設計的自動計量控制系統，乳化劑質量計量誤差在±0.92 kg左右。

在對柴油進行抽取時(以抽取345 kg柴油為例)，如果采用人工方式，通過判斷體積流量計所測量的體積來確定其抽取質量，其質量計量誤差在±2 kg左右。如果采用質量流量計設計的質量自動計量控制系統，柴油質量計量誤差在±0.38 kg左右。

圖5　油相制備自動計量控制系統

通過查閱企業某個生產點某個月的相關乳化炸藥成本分析表可知，乳化劑的平均用量約為4514 kg，機油的平均用量約為8959 kg。乳化劑的價格約為30.84元/kg，柴油的價格約為9.08元/kg。由以上數據可得采用不同生產工藝制備一次油相時所產生的最大計量誤差費用(見表1)。

由表1可知，在制備一個標準配比油相時，采用不同的工藝對乳化劑和柴油進行計量，在計量過程中由于計量誤差導致的最大費用分別為110.66元(手工操作)、32.75元(自動計量控制系統)。由此可以看出，采用自動計量控制系統可以有效的減少在生產過程中對機油和乳化劑的配比誤差，從而減少生產成本。

表1　不同生產工藝誤差成文分析

4結論

本文研究了一種基于PLC的油相制備自動計量控制系統。首先，分析了自動計量制備控制系統，確定了其原理結構以及硬件選型。其次，針對硬件結構設計了相應的系統軟件控制流程。最后，通過搭建自動計量制備控制系統來驗證系統的有效性。實驗結果表明:該自動計量控制系統，一方面能夠控制乳化劑的質量誤差在±0.5%以內，柴油的質量誤差在±0.3%以內，從而能夠更準確的按照工藝配比對油相進行制備，提升乳化炸藥的生產質量，另一方面能夠提高油相制備的自動化生產程度，減少配料員在制備過程中因為操作復雜而發生錯誤。

參考文獻：

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[3]李勇,周曉紅.粉狀乳化炸藥裝藥機的 PLC 控制系統[J].爆破,2005,69(2):15-17.(收稿日期：2015-09-29)

作者簡介：黃顯杭(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要從事工業炸藥現場混裝技術研究，Email:huangxh@expl.cn。