酒精儲液罐加裝過濾補液系統

賈 林

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

北京奔馳后驅車工廠配有2 臺車身沖孔設備，用來對車身前懸掛安裝孔做定位沖孔，為了確保沖孔質量穩定，搭配酒精噴射系統共同使用。盡管這套酒精噴射裝置已經滿足了閉環自動控制和功能性等設計需求，但是并沒有充分考慮到沖孔板材的降溫和脫模的實際效果。沖孔過程中一旦缺少了酒精的輔助，幾個沖孔循環后，模具的表面就會被工件上的鋁屑包裹失去原有的鋒利，在沖孔時會加劇摩擦造成工件變形甚至車身報廢。車身沖孔設備在用的酒精噴射系統是德國MENZEL 品牌的產品，儲液罐為20 L 的不銹鋼封閉罐體，充氣壓力0.2 MPa，并備有加注口、泄壓閥、浮球開關、虹吸管等裝置，酒精從罐體流出，通過多條管路接入末端的8 個酒精噴嘴。由于整套系統沒有過濾裝置，罐內溶液會因為水堿、顆粒異物、團狀微生物、水堿、可見異物等阻塞管路而影響酒精的噴射。

1 項目背景介紹

1.1 浮球開關

酒精儲液罐內安裝了1 組浮球開關，即高低雙位，采用串聯雙位置開關設計（圖1），安裝后可在罐體底部和3 L 位置起到低液位和空罐的監視作用，因為一直采用人工加注的方式，所以罐內并沒有測量高位的開關裝置。

1.2 自動控制的應用

生產現場主要配備的PLC 是S7-300 系列的中型機，有著模塊化的設計結構和較高的指令運算速度，實用性價比突出。通常情況下，PLC 選型要在考慮采購成本、控制點數和掃描周期的處理速度，并且還有留有10%左右的冗余空間，方便后期升級改造使用。

1.3 現場接線

現場的浮球開關通過線纜接入040WSZ112 沖孔設備的費斯托閥島16×DI 模塊當中，使用X5 號接口，對應程序當中的IN點為E2945.0 和E2945.1，分別為酒精低液位預報警和酒精罐空報警（圖1）。

圖1 浮球開關的接線位置

1.4 控制程序

程序控制方面，首先直接引入上述的E2945.0 作為酒精液位預報警的信號輸入點，當酒精儲液罐內浮于上方的開關因為液位降低而斷開時，會觸發DB1342.DBX132.0 程序塊在操作界面當中彈出酒精低液位預報警的提示信息（圖2），此時不會對正常生產造成影響。

圖2 酒精液位低預報警程序

如果酒精儲液罐內的液位進一步降低且未補充加注，此時酒精罐底部的浮球開關因此而斷開，E2945.1 點將會觸發下一段控制程序，DB1342.DBX132.1 會在系統的操作界面中彈出酒精液位低的報警信息（圖3），同時觸發DB1342.DBX130.0 程序中的界面狀態提示信息，在沖孔設備頁面中點亮酒精罐空液狀態燈。

圖3 酒精低液位報警程序

DB1342.DBX130.0 程序除了提示當前空罐狀態，同時還會被工位的循環停止功能調用（圖4），目的是為了保證沖孔工藝的質量要求，在酒精儲備不足時，該工位完成當前循環后進入循環停止狀態，阻止生產自動運行，強制操作人員立即補充酒精至低浮球開關重新觸發，才能將工位恢復自動運行。

圖4 低液位報警會觸發工位循環停止

2 項目改造介紹

為了滿足現場的實際使用需求，形成自動控制循環，需要在現有酒精罐、浮球開關的硬件基礎上增加1 套酒精過濾加注系統（圖5）。該系統由過濾桶、濾芯、水泵、水管截門、浮球開關等部件組成，目的是通過工人向過濾桶內添加酒精溶液，通過濾網過濾后儲存，再由水泵送入酒精儲液罐內，整個過程由兩組雙位浮球開關和1 個單浮球開關分別監控2 個罐體的液位狀態；在設備正常運行中，當低液位預警觸發時，控制程序會檢查高液位和超高液位是否為0，同時檢查過濾桶中的低液位監控是否為1，如果條件滿足，控制程序會啟動接觸器接通302 空開引入的220 V 交流電驅動水泵電機執行抽水動作，直至高浮球開關被觸發，罐內滿液后自動切斷接觸器線圈供電。如果在水泵抽水加注過程中過濾桶內的液位監控置0 或酒精罐內的超高液位置1，程序將會切斷繼電器供電保證水泵和酒精設備的使用安全，同時啟動循環停止功能提示操作人員維修設備或加注酒精。

圖5 過濾酒精自動加注系統原理

2.1 酒精罐和過濾桶加裝液位開關

新增傳感器接入040WZS112 的費斯托閥島KF097.4 的DI模塊，使用X1 口的E2946.0 和E2946.1，以及X2 口的E2946.2，分別對應酒精桶內的滿位、超液位和過濾桶中的液位監控3 個傳感器相應功能。

浮球開關選用方面仍然使用壓力容器專用浮球開關，單、雙各一組分別安裝在過濾桶和酒精罐內，其中單浮球開關安裝在過濾桶中距離桶低50 mm 的位置（約7.5 L），雙浮球開關則安裝在距離罐頂200 mm 的位置（約14 L），這樣既可以保證抽水泵不會因為缺液空轉造成燒毀，也能確保酒精罐內的有足夠的壓縮空氣噴射酒精。

2.2 水泵和接觸器性能解析

酒精過濾自動加注系統中除了增加2 組浮球開關外，還添加了水泵和啟動電機的接觸器2 個電氣硬件。水泵方面利舊了1 臺國產220 V 的小型不銹鋼水泵，輸出功率約為0.37 kW，額定流量20 L/min，額定揚程17 m，出水壓力0.15～0.22 MPa。接觸器搭配的是1 塊西門子3RT2015-2BB41，具有24 V 直流驅動，三主一輔觸點，額定電壓220 V，電流7 A，滿足搭配需求。

2.3 硬件線纜搭接

改造項目當中，電氣接線工作主要分為動力和控制兩部分。動力電使用的是線邊低壓配電柜內的220 V低壓交流電，從備用的302開關下接入，通過XD1 線排接至QA1 接觸器，當接觸器吸合后水泵電機得電開始轉動（圖6）。

圖6 水泵電機動力線纜接線

控制回路方面重新接入的線纜較多，包括雙位浮球開關、單只浮球開關、QA1 繼電器吸合反饋、QA1 繼電器吸合控制電、水泵手動開關等。滿位和超位浮球開關安裝在酒精罐內，單只浮球開關安裝在過濾罐內，根據輸入就近的原則，開關信號接入040WZS112 設備上的費斯托閥島數字量DI 模塊，接口為-KF097.4 模塊的X1 和X2 接口（圖7）。

圖7 傳感器開關信號接線

為了方便調試和實現手動操作，水泵控制回路當中接入了1 個手動開關，安裝在水泵旁邊，在設備調試、手動排水、設備維修等情況時可以直接通過按鈕控制水泵轉動，控制信號同樣聯入-KF097.4 的X2 接口（圖7）。

繼電器線圈的控制在低壓配電柜內依托西門子的ET200總線控制模塊實現，接觸器控制方面主要考慮兩方面的需求，一是輸出24 V 直流電控制繼電器吸合，二是檢查繼電器吸合反饋，將新加的QA1 繼電器安裝在低壓柜220 V 隔離開關一側，線圈A1 和A2 控制電由KF023.14 輸出模塊的1、3 口輸出。繼電器吸合反饋13NO 和14NO 接入KF023.11 輸入模塊的1、3口輸入（圖7）。

2.4 邏輯控制程序分析

硬件和線路搭接完成后，需要通過修改和編寫控制程序來實現設備的自動控制功能。自動運行過程中，PLC 實時對酒精罐和過濾桶內的5 個浮球開關進行監控，通過監控開關所在的不同位置判斷啟動水泵、彈出提示或者停止自動運行。

2.4.1 程序I/O 對照（表1）

表1 程序I/O 對照

2.4.2 手/自動控制功能

通過手動和自動功能實現酒精儲液罐的補液功能，實際上來講就是利用液位開關控制接觸器的吸合啟閉水泵電機。控制程序主要條件包括手動、自動2 個功能。

（1）自動模式（圖8）。接通程序塊DB113.DBX149.0 自動模式。①檢查I2945.0 儲液罐液位少于低液位監控；②檢查I2946.0 儲液罐滿位少于滿液位監控；③檢查I2946.2 過濾罐液位多于低液位監控；④檢查I2946.1 儲液罐液位少于超液位監控；⑤檢查M1110.0 報警提示沒有觸發；⑥輸出Q150.0 水泵啟動接觸器控制電。

圖8 自動控制程序

（2）手動模式（圖9）。接通程序塊DB113.DBX1 48.7 手動模式。①檢查I2946.3 手動按鈕是否接通；②檢查I2945.0 儲液罐液位是否高于低位開關，開關觸發后切換至Q150.5 接觸器吸合保持；③檢查I2946.0 儲液罐滿位少于滿液位監控；④檢查I2946.2 過濾罐液位多于低液位監控；⑤檢查I2946.1 儲液罐液位少于超液位監控；⑥檢查M1110.0 報警提示沒有觸發；⑦輸出Q150.0 水泵啟動接觸器控制電。

圖9 手動控制程序

2.4.3 報警提示

圖10 和圖11 的報警程序都是利用PLC程序中的時間定時器功能實現比對輸出的，在接觸器線圈吸合報警程序中（圖10），當Q150.0 輸出接觸器線圈控制電后，使用接觸器上的輔助觸點的通斷來判斷接觸器的吸合狀態，如果線圈通電2 s 且一直沒有I200.1 的信號反饋，控制供電線路、接觸器可能有故障發生，程序會通過M1110.0 端口向外輸出報警提示QA1 接觸器故障。

圖10 接觸器吸合超時報警

水泵運行超時報警（圖11）的工作原理與接觸器相同，根據水泵的額定功率20 L/min，儲液罐空罐到滿位傳感器大約為14 L的容量，理論上水泵在啟動后1 min 內就可以將酒精加注到觸發滿位的位置，如果1 min 內依舊沒有滿位信號，則表示管路可能有泄漏或者水泵損壞等情況，這是程序就會通過M1110.1 端口向外輸出報警提示加注超時。

圖11 泵機運轉超時報警

2.4.4 循環停止

該功能程序沒有做太多的調整，只是在觸發條件中添加了儲液罐的超位報警，出于設備使用安全考慮，如果整個系統在自動運行中出現了多個傳感器、接觸器同時故障的情況，水泵無法停止運行，此時儲液罐內將充滿酒精稀釋液和壓縮空氣，對于連接管路周邊的電氣設備來說還是具有相當的危險性的。因此需要系統對此情況進行判斷停止下一自動循環（圖12），在超位信號消除前阻止該工位的自動運行請求。

圖12 工位循環停止程序

2.5 過濾桶和濾芯

作為本次改造項目當中的添加的主體結構，酒精過濾桶使用的是自主設計的機加工制造的定制產品。該過濾桶以1.5 mm厚的不銹鋼作為桶身材料，主體結構分為上下兩部。上部過濾桶尺寸為504 mm×310 mm×510 mm，配有2 個180 mm×410 mm的過濾架，用來放入兩個袋式濾芯，同時裝有透明上蓋和把手便于使用和觀察。下部成品桶尺寸為504 mm×304 mm×412 mm，液體容積約為60 L，桶身側面裝有外置式液位觀察窗方便加工人了解罐內的實際儲液量。濾芯采購的則是伊頓品牌1 μm 袋式過濾器，接觸食品級的過濾器能夠有效對酒精溶液中的微生物和雜質異物進行過濾隔離，有效提升溶液潔凈度，防止管路和噴嘴阻塞的發生（圖13）。

圖13 自行設計的酒精過濾裝置

3 結束語

通過對酒精罐加裝自動過濾補液系統，有效降低了酒精原液中雜質阻塞噴頭和水管對車身沖孔產生的影響，完善了設備自動控制能力。并且在改造項目的設計和實施階段，發現了很多技術上和能力實踐上的不足，從中學習到了很多項目設計、電氣接線、元件選型和程序編寫等實用的相關知識，今后能夠更好地完成設備維修管理工作。