基于PLC的自動化磨料射流實驗系統設計

龍海洋, 湯積仁, 夏彬偉, 葛兆龍

(1. 重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400030; 2. 重慶大學 復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室, 重慶 400030)

磨料射流[1]實驗系統主要用于開展射流造縫、切割、破巖等應用研究[2]。射流技術與射流壓力、磨料特性、噴嘴直徑等眾多因素相關[3-4],為逐步探究各因素作用機理及影響特性,需按功能定制實驗設備。然而受實驗條件限制和研究重點變化的影響,以及現有實驗裝置按需分批購置,時間跨度大,存在以下不足:(1)實驗時需多人配合,手動依次完成壓力調節等操作,自動化程度低、操作復雜,增加了安全隱患；(2)依靠旋鈕手動實現工作壓力的調節與切換,效率低、穩定性差；(3)實驗廢水未循環利用,水資源消耗大、利用率低。

為此,在現有設備基礎上,開發了一套自動化程度高、調壓精度高、磨料濃度可調、水源可循環利用的磨料射流實驗系統。該系統以三菱PLC FX3U為核心控制器,將調壓系統與磨料輸送系統集成為一體,工作模式切換簡單可靠,降低了操作的復雜程度,提高了實驗的安全性；配備人機交互系統實現壓力設置與狀態監控等功能,實現了實驗系統的全自動、可視化控制；采用PID閉環控制策略[5],實現了高效、高精度的無級調壓；同時設計了循環水控制系統,起到了節能減排的效果。

1 總體控制方案

前混式磨料射流[6]實驗平臺由循環水系統、調壓系統、磨料輸送系統和實驗臺等組成,如圖1所示。調壓系統為射流實驗提供穩定可調的壓力源。磨料輸送系統由磨料罐、控制閥等組成,通過改變閥組的狀態實現不同工作模式的切換與控制。實驗臺用于放置實驗試件和固定射流噴嘴,為獨立控制系統,噴嘴可隨實驗臺實現X/Y/Z三軸運動,可開展射流切割、造縫、壓裂等實驗研究。實驗廢水通過排水管道進入蓄水池處理后,經循環水泵輸送至屋頂水箱儲存使用,根據需要,手動選擇水源。

圖1 磨料射流實驗系統

選用三菱FX3U PLC為總控制器,將調壓系統、磨料輸送系統、空壓機系統和循環水系統集成一體,實現泵站啟停、壓力調節、射流模式切換等功能的集中自動控制。遠程控制模式下,空壓機和循環水系統接收到啟動信號后,進入自動獨立運行模式,配備人機交互界面,方便操作與監控,系統控制總體框架見圖2。

圖2 系統總體設計框架

2 系統硬件設計

上位機選用三菱GS2110-WTBD觸摸屏,主要實現運行控制、狀態監控等功能。下位機選用三菱FX3U 系列PLC[7],內置24點輸入/輸出,可滿足系統數字信號輸入輸出控制,配置光電傳感器檢測各閥狀態。選用FX2N-4AD 4路模擬量輸入模塊和FX2N-2DA 2路模擬量輸出模塊,可滿足氣壓、水壓、磨料罐壓力和電機頻率的監測，以及磨料濃度和水壓的調節控制。

2.1 調壓系統

調壓系統是磨料射流的動力源,要求其能提供連續、穩定可調的壓力,壓力輸出的穩定性和可調性是關鍵[8]。采用高壓柱塞泵增壓,最高工作壓力56 MPa,公稱流量200 L/min,250 kW三相異步電機采用變頻器降壓啟動。

選用SIEMENS SITRANS P系列壓力傳感器,輸出信號4～20 mA。氣壓調節閥選用COSYS P系列比例閥,控制信號4～20 mA。泵站啟動后,總控PLC對設定壓力值與反饋壓力值的差值進行PID運算后輸出至氣壓調節比例閥[9],比例閥控制氣動節流閥輸入端壓力,氣動節流閥通過旁路泄壓實現系統壓力精確、穩定、快速調節。壓力控制原理框圖見圖3。

圖3 壓力控制原理框圖

2.2 空壓機系統

小型活塞壓縮機為系統提供穩定的控制氣源,功率7.5 kW,排氣量0.9 m3/min,排氣壓力1.0 MPa。傳統空壓機控制回路為2相380 V供電,其中一相火線經由啟動開關、壓力開關、熱繼電器觸點、接觸器線圈接到另一相火線[10]。啟動開關閉合后,由壓力開關自動控制交流接觸器線圈通斷電,從而控制空壓機的啟動和停止。此方案無法實現自動化遠程集中控制。為此將空壓機控制回路中的啟動按鈕,改造設計為中間繼電器常開觸點控制。設計遠程和本地兩種方式實現對中間繼電器線圈通電/斷電的控制,從而在保留空壓機本地控制的基礎上實現了遠程自動化集中控制。

2.3 磨料輸送系統

磨料輸送系統提供連續、均勻的磨料供給[11],有純水射流、磨料射流及自動加沙3種模式。純水射流,高壓水不進入磨料罐,直接從噴嘴噴射。磨料射流,通過比例閥控制進入磨料罐的水流量實現磨料濃度的控制。自動加沙,通過高壓水經過料斗形成的負壓將磨料送入磨料罐中。通過總控PLC控制閥組狀態實現3種工作模式控制與切換。圖1中磨料輸送系統閥組動作見表1(表中空白表示不動作)。

表1 磨料輸送系統閥組動作

2.4 循環水系統

水射流技術以水為主要工作介質,實驗過程中需使用大量水源,水資源的循環利用尤為重要。設計了本地手動和遠程自動兩種控制模式[12]。自動模式下,當總控系統上電啟動后,循環水系統進入自動運行狀態。地面蓄水池(下)與屋頂水箱(上)均安裝液位開關,可實現高、低液位檢測,通過中間繼電器進行邏輯轉換,從而實現循環泵的自動啟停與系統報警控制,三色燈顯示液位狀態和系統報警,循環水自動控制邏輯見表2(表中▲表示有信號，空白表示無信號)。

表2 循環水自動控制邏輯表

3 系統軟件設計

3.1 PLC程序設計

根據磨料輸送系統工作模式,設計了3種相互獨立的自動控制程序，主要包含系統啟動自檢、模擬量采集轉換處理、電機啟停、壓力閉環調節、磨料罐控制切換以及報警處理與顯示等主要功能塊。主程序流程如圖4所示。

3.2 人機交互界面設計

采用三菱GT Designer3軟件進行人機交互界面開發,并與PLC采用GOT直連通信[13-14],磨料射流控制界面如圖5所示。設計如下功能:

(1) 運行控制。通過上位機界面可實現實驗過程的一鍵啟停控制。進入控制界面,按壓啟動按鈕持續0.5 s,系統按照設定流程依次自動啟動。實驗結束后,按下停止按鈕,系統依次有序停止。

(2) 參數設置。通過上位機界面設置水壓等報警值,保障實驗安全進行。實驗過程中,通過壓力設置窗口設置工作壓力,實現快速、穩定的壓力切換控制。

(3) 狀態監控與報警。界面動態顯示系統當前各類參數信息,如壓力、閥組狀態等,便于實時監控。系統出現異常,自動報警停機并顯示故障信息。

4 壓力控制性能測試

采用CY300智能數字壓力傳感器,配套Smart Sensor壓力測試軟件,測量噴嘴直徑為1.0、2.0、3.0 mm(見圖6)時,不同目標壓力的控制效果(見圖7)。采樣間隔100 ms,取壓力穩定后50組數據的平均值作為測試結果,結果見表3。

圖6 實驗測試噴嘴

圖7 噴嘴直徑3.0mm加壓測試曲線

表3不同噴嘴直徑下目標壓力調節測試結果

MPa

測試數據表明,系統壓力調節穩定、超調量小,能滿足持續穩定、快速可調的壓力輸出要求。

5 結語

水射流具有高效、無塵、低能耗等特性,被廣泛應用于物料清洗、切割與破巖等工程領域[15]。本文以射流實驗系統的自動化控制為研究對象,分析了現有實驗平臺的不足,并基于三菱FX3U PLC設計了一套壓力穩定可調、操作簡單的集中化自動控制磨料射流實驗系統。該系統人機交互界面功能完善,操作簡單,實現了一鍵啟停、壓力可調等功能。壓力控制測試結果表明系統壓力調節精確、穩定,能滿足實驗要求。對傳統活塞式空壓機控制回路的改造設計,實現了空壓機遠程集中自動化控制,保障了系統正常穩定運行，循環水自動控制系統實現了水資源循環高效利用。

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