聚羧酸減水劑復配自動控制系統的設計

費冬妹　安春燕　王莉娜　余志永

(河北聯合大學遷安學院,河北遷安　064400)

聚羧酸減水劑復配自動控制系統的設計

費冬妹安春燕王莉娜余志永

(河北聯合大學遷安學院,河北遷安064400)

結合聚羧酸減水劑復配工藝需求開發了基于S7-200 PLC的控制系統，該系統采用上位機下位機兩部分實現對聚羧酸減水劑復配過程進行自動控制和監控，上位機界面采用W inCC組態軟件，此軟件便于操作和集中監控，通過合理地選擇控制模塊與執行器降低了工程成本。產品最終設計實現了對聚羧酸減水劑復配過程的自動控制，大大提高了生產自動化。

聚羧酸PLCW inCC自動控制

聚羧酸減水劑（Polycarboxy late Superp lasticizer）是目前常用高性能減水劑之一，它是應用在水泥混凝土當中的一種水泥分散劑[1]。但是，在我國大多數的生產線仍然處于手工操作的階段，沒有辦法保證產品質量的穩定性。水泥混凝土作為建筑中最根本的需求物質，更是要求生產的水泥混凝土可以足夠穩定，所以聚羧酸減水劑起到了相當重要的作用。從而，要求整個生產線自動化就成了必然的需求。

然而我國的聚羧酸減水劑復配還處于起步階段，本文結合聚羧酸生產工藝研制出一套基于西門子公司S7-200系列PLC的自動控制系統，并采用W inCC作為監控軟件實施生產監測。

1　聚羧酸減水劑作用機理

聚羧酸減水劑粒子表層由于靜電排斥作用產生的零電位比萘系等其它品種的減水劑要小一些，然而相對水泥卻具有較大的分散力，聚羧酸粒子的靜電排斥力越大，高分子對水泥的分散力越顯著。聚羧酸減水劑吸附水泥粒子的形態如圖1所示。聚羧酸中的羧酸離子對水泥粒子產生梳狀吸附[2]。另外在聚羧酸高分子中含有多個醚鍵（—C—O—C—）側鏈，在水溶液中醚鍵的氧與水分子反應形成強力的氫鍵，形成親水性立體保護膜，這層保護膜除了有分散性，還具有分散穩定性。在普通混凝土配合比的條件下，長側鏈鍵聚合物沒有展現出減水性增強的效果。相反在水膠比較小的超高強混凝土配合比中，如果調整聚合物主鏈和接枝側鏈長度的聚合物結構平衡，可明顯增強減水率[1]。

聚羧酸減水劑能夠保持塌落度的原因主要有以下兩方面原因:（1）分散分子所表現出來的分散力和保持性能是由于其內部的分子架構;（2）在分散成分內具有混合保持坍落度的成分。其中第（2）項，在混凝土中，可以利用堿的加水分解作用，逐漸使分散成分發生變化而形成反應性高分子和交聯聚合物，也就是在混合攪拌后，能夠產生一種具有能使流動度后續增長性質的成分，而這種成分就是一種有用的保持成分[3]。

2　控制系統硬件選型

聚羧酸減水劑復配自動控制系統分為上位機和下位機兩部分進行控制，上位機采用SIMENS公司的IPC547D型號的工業控制計算機，該計算機性能很強，具有較好的抗震和防沖擊能力，通過創新技術獲得最高系統性能，能夠快速進行數據采集和管理，該設備結構高度緊湊，全金屬外殼，具有良好的電磁兼容性[4]，能夠很好的適應高溫高壓的工業環境，并在上位機上安裝W inCC組態軟件，對自動控制系統進行監控界面的設計。

圖1　聚羧酸減水劑吸附水泥粒子形態圖

圖2　聚羧酸減水劑復配自動控制流程圖

圖3　聚羧酸減水劑復配自動控制部分程序

下位機采用S7-200系列的PLC，該控制器具有結構緊湊、配置靈活、價格低廉和指令集強大等特點，提供多種類型的CPU以適應各種應用，本系統采用CPU 224XP最為核心控制元件，同時S7-200系統PLC有多種類型的擴展模塊來滿足系統的擴展要求。數字量模塊控制系統中電磁閥、電機和泵啟停狀態的采集，模擬量模塊負責系統中溫度、壓力等模擬量信號的控制與傳輸記錄。

上位機和下位機之間通過以太網通信協議進行數據的上傳和下載，完成兩者之間的實時通信[5]。上位機主要負責監控整個自動控制系統的運行情況并進行數據的處理與運算，下位機負責采集來自現場的數據和信號狀態，兩者配合共同完成聚羧酸減水劑復配的自動控制過程。

3　控制系統軟件編程

STEP7-M icro/W IN 4.0版是適用于S7-200的32位編程軟件包，它支持最新CPU增強功能的新軟件工具，比如PID整定控制面板、數據歸檔向導和配方向導等[6]。此系統既可以愛PC機上運行，也可以在編程器上運行，調試和修改程序都很方便，圖2為聚羧酸減水劑復配的自動控制流程圖。

根據流程圖編寫PLC程序，首先要先統計輸入輸出點數，制定羧酸IO表，然后進行程序的編寫和調試。部分程序如圖3所示。

4　上位機監控設計

SIMATIC W inCC是第一個使用最新的32位技術的過程監視系統，具有良好的開放性和靈活性。本系統選用W inCC作為組態軟件，可以全面的對聚羧酸減水劑復配過程進行監視與過程控制，根據生產工藝要求設計登陸界面、聚羧酸減水劑復配流程監控界面、運行子界面、手動操作界面、監控報警界面和數據統計界面等等[4]。利用W incc組態軟件設計了聚羧酸減水劑復配自動控制系統流程監控界面，通過監控界面可以對復配流程中的每個環節進行實時監控，部分環節設有后續選項，可以進行配料方案的選擇等，另外水槽和計量槽的當前重量也可以一目了然。另外還有細化的監控子界面，使整個生產過程都在操作人員的監控狀態下，并配有變量歸檔頁面，方便整理資料與信息。系統登錄界面實現用戶管理，分別設置管理員和操作員的賬號和登錄密碼，規范操作權限。聚羧酸減水劑復配自動監控界面通過流程以及實時的狀態數據對整個生產過程進行監視，保證生產安全有序的進行，各個監控子界面設有電機或者閥門的開關，操作人員可以手動進行選擇和操作。組態報警界面有利于安全可靠的維護系統的正常運行，增強系統的穩定性。

5　結語

基于S7-200系列PLC以及相關執行器的輔佐實現了聚羧酸減水劑復配過程的自動控制，提高了生產的自動化水平，并通過后期的調試與安裝，逐步實現系統穩定可靠的運行，保證生產的良好運行。

[1]卞利軍.聚羧酸系高效減水劑的研究[D].大連理工大學,2003. [2]徐小軍,胡建華,楊武利等.丙烯酸酯類微凝膠的制備及其表征[M].復旦學報(自然科學版),1998(3):265-270.

[3]Hiroshi Uchikawa, et al.The Role of Steric Repulsive Force in the Dispersion of Cement Particles in Fresh Paste Prepared with Organia Admixture.Cement and Concrete Research,1997(1): 37-50.

[4]馬國華.監控組態軟件及其應用[M].北京:淸華大學出版社,2001.

[5]張玲.羧酸共聚型高效減水劑的研制.河南科學,2002(1):30-32.

[6]郭保文,楊玉啟,尉家臻.新型羧酸系高效減水劑合成研究[J].山東建材學院學報,1998(1):89-92.

費冬妹(1987—),女,河北昌黎人,碩士,助教,研究方向:自動檢測與自動控制。