基于可編程控制器的物料自動下料控制系統的設計

喬東凱

（廣東石油化工學院 機電工程學院，茂名 525000）

0 引言

中石化某煉油廠在煉油生產過程中需要定時定量下料，需在某一容器里每隔4個小時左右分別注入粉末狀Cat催化劑55g～75g，三乙基鋁液體2000ml～2100ml，目前在生產過程中采用手工加料的方式，在實際生產中，一線操作工人有時會誤點加料甚至是忘記加料，導致生產的產品達不到技術要求。目前國內外在此方面的研究較少[1～5]，文獻[1]設計了一種防爆型礦用雙錨索自動下料機控制系統，該系統存在較大多余力及結構不變性原理難以完全補償的問題；文獻[2]采用機械控制凸輪解決車床自動切斷鋼管材加工中的短屑問題，文獻[3]利用線性回歸法求出了工件在滑道入口的速度系數，并給出了工件初速與下料時間的關系式。上述方法都不能很好地應用于石化高危行業自動下料系統。

基于PLC開發的自動加料系統能夠很簡易的克服上述缺點，能實現手動或自動控制，用戶只需要設定一下加料的時間間隔和加料量的大小即可達到控制要求，該系統安裝調試后，取得了良好的效果，實踐證明該方法對物料自動添加類的自動控制具有參考意義。

1 系統工作原理

系統選用電磁閥YV1的開通對容器注入粉末狀Cat催化劑55g～75g，通過調試，確定電磁閥YV1開通的時間長短來控制下料量的大小；選用電磁閥YV2和YV3的開通對容器注入三乙基鋁液體2000ml～2100ml，電磁閥YV2開通后把三乙基鋁液體注入帶液位繼電器的漏斗里面，當容器2里的液體到達設定值時接通液位繼位繼電器，電磁閥YV2關閉，同時電磁閥YV3自動接通，漏斗里面的液體流入到容器中，10秒后（通過調試，漏斗里面的液體已經全部流入容器中），電磁閥YV3自動關閉，同時系統開始延時，4小時后重新開始新一輪的自動下料控制。

系統工作示意圖如圖1所示。

圖1 系統工作示意圖

2 系統控制原理

2.1 系統硬件設計

因為該定時定量系統是在石化高危環境下作業，工作環境復雜、惡劣，控制任務重要、要求嚴格。當前在該環境下某些控制系統仍采用傳統的繼電器-接觸器控制，存在可靠性差、故障率高、維護困難、維護費用高、維護工作繁重等問題。針對繼電器-接觸器控制系統的缺點，提出了一種基于PLC的自動定時定量下料系統的設計方案，綜合考慮市場通用情況和性價比等因素，本系統選用日本三菱公司（MITSUBISH）型號為FX3U－16MR－ES-A的PLC，該機型是日本三菱電機自動化公司的頂級產品，正在逐步替代FX2N系列和FX1N等系列PLC產品[6,7]。它完全可以滿足控制系統的要求，暫不需使用擴展單元。FX3U－16MR－ES-A可提供輸入輸出點各8個， PLC控制系統的I/O分配如圖2所示。基于PLC的自動下料控制系統具有可靠性高、故障率低、維護簡單、檢修費用低等優點，大大提高了石化企業的生產效率和經濟效益[8]。

自動加料系統的I/O分配如圖2所示。

圖2 自動加料系統的I/O分配

圖2中，SB1是粉末狀催化劑的啟停按鈕，SB2系統停止按鈕，SB3是三乙基鋁液體的啟動按鈕，Y0是控制電磁閥YV1，Y1是控制電磁閥YV2，Y3是控制電磁閥YV3。

2.2 系統軟件設計

根據系統要求，設計了用PLC控制的自動加粉末狀催化劑控制系統的梯形圖如圖3所示。

圖3 自動加粉末狀催化劑系統的控制梯形圖

自動加粉末狀催化劑控制的工作原理：當按下啟動按鈕SB1時，X0線圈接通，M0線圈通電，其常開觸點同時接通定時器T0和Y0線圈，從而接通電磁閥YV1，使粉末狀催化劑在漏斗里下放，通過現場調試，測得當下放時間為3.5秒時剛好控制下料量為設定量，誤差在3%之內，完全滿足生產需求，當T0線圈延時時間已到后，電磁閥YV1關閉，停止下料，同時又接通定時器T1，延時24分鐘（14400×0.1=1440秒）后，計算器C0計一個數，T1常閉觸點斷開又使得其線圈斷電，T1線圈斷電后其常閉觸點又自動接通，定時器T1又開始新一輪計時，如此循環，當計數器到達設定值10次以后，正好計時240分鐘（系統設定的4小時），此時C0相應的觸點動作，定時器T0線圈復位，計算器C0也復位，同時Y0線圈通電，電磁閥YV1又一次接通，進行第二次下料操作；當按下停止按鈕SB2時，上述所有動作立即停止。

自動加三乙基鋁液體的系統控制梯形圖如圖4所示。

圖4 自動加三乙基鋁液體的系統控制梯形圖

當按下三乙基鋁液體下料啟動按鈕SB3時，X2線圈接通，M1和Y1線圈通電，從而接通電磁閥YV2，三乙基鋁液體流入漏斗中，當漏斗里的液體到達設定值時，接通液位繼位繼電器K，其常開解點閉合，使線圈X3通電，接通線圈M2和T2（T2的作用是等待YV3打開，液體注入容器中，X3常開觸點又斷開，一個加料周期內不能再接通線圈M2），斷開Y1線圈，關閉電磁閥YV2，液體不再流入到漏斗中，Y1線圈斷電后，自動接通定時器T3，延時時間為24分鐘，當延時時間到達后，計數器C1計一個數，直至計滿10個數為止（原理同圖3一樣，在此不再贅述）。C1計數到達設定值后其常開觸點閉合再一次接通Y1線圈，電磁閥YV2接通，三乙基鋁液體流入漏斗中，實現了再一次的液體自動下料，同時復位了計數器C1，為下一個周期計時準備就緒。當按下停止按鈕SB2時，上述所有動作立即停止。

2.3 系統工作時序圖

自動加粉末狀催化劑系統的時序圖如圖5所示。

圖5 自動加粉末狀催化劑系統的時序圖

當按下啟動按鈕SB1時，粉末狀催化劑下料電磁閥YV1通電，下放時間為3.5秒，系統等待時間為4小時；當按下停止按鈕SB2時，電磁閥YV1立即關閉，停止下料。

自動加三乙基鋁液體的系統的時序圖如圖6所示。

當按下啟動按鈕SB3時，三乙基鋁液體下料電磁閥YV2通電，當液位傳感器K接通后電磁閥YV2立即斷電，電磁閥YV3通電10秒，系統等待時間為4小時；當按下停止按鈕SB2時，電磁閥YV2和YV3立即同時關閉，停止下料。

圖6 自動加三乙基鋁液體的系統的時序圖

3 結束語

針對中石化某煉油廠在煉油生產過程中需要定時定量下料，以前采用的是手工作業方式，自動化程度很低，為了提高生產效率，對該設備的電氣系統改造勢在必行。針對原系統的不足之處，本設計從電氣控制方案、元器件選型及石化系統現場環境等諸多不利因素綜合考慮，對自動下料系統進行了電氣化改造。自項目實施以后，使系統的控制電路大為簡化，穩定性和可靠性也大大增強，實操非常方便[9]，2014年5月中石化某煉油廠應用此技術對自動下料系統進行改造后，到目前為止該設備從未出現過故障，工作效率為100%，系統工作的穩定性、安全性和可靠性得到了保證[10]，受到了行業人員的一致好評。

[1] 蔣遠遠,方代正,王成軍,等.防爆型礦用雙錨索自動下料機控制系統的設計[J].液壓與氣動,2014,(5):49-51,56.

[2] 何祥如.凸輪斷屑在鋼管自動下料中的應用[J].計算機工程與應用,2009,(10):79-81.

[3] 王亭山,俞志剛,朱宏輝.拐彎斜滑道自動下料的試驗研究[J].武漢交通科技大學學報,1995,19(2):169-173.

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[5] Jiang X B, Lü X Q, Liu C C.Lowest-level left align best-fit algorithm for the 2D rectangular strip packing problem[J].Journal of software,2009,20(6):1528-1538.

[6] 王華.煉油企業生產過程的信息化與智能化[J].計算機與應用化學,2013,30(11):1367-1370.

[7] 付偉.PLC在材料自動分揀系統中的應用[J].制造業自動化,2012,34(3):136-138.

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[10] 喬東凱,廖輝,楊向宇,等.基于PLC和GOT對物料自動分揀系統的電氣化設計[J].機床與液壓,2014,42(2):106-109.