基于S7-200脈沖氣動攪拌調合系統設計

王寧,丁冬梅

(1.中國石油大連潤滑油分公司，遼寧 大連 116032；2.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

潤滑油作為我國支柱產業——煉化行業的一個分支，與汽車、機械、交通等行業的發展以及國家的宏觀經濟形勢息息相關。潤滑油需求量快速增長對潤滑油的調合生產提出了更高要求。目前，潤滑油調合工藝主要有罐式攪拌調合和管道調合兩種基本形式。管道調合對各組分質量要求苛刻、受油品黏度影響計量誤差較大、一次性投資高、場地要求高，且成品油儲罐中必須安裝攪拌設備[1]，適合于新建的潤滑油廠的小批量油品調合或大型煉廠的汽柴油的連續不間斷生產。罐式調合的特點是各組分能快速入罐且調合量大，便于大規模生產，投資較小，便于更新改造，適用于現已生產的潤滑油廠的大生產。我國大多數潤滑油廠基本是采用罐式調合工藝。罐式調合分為機械攪拌、泵全量循環和脈沖氣動攪拌三種方式。機械攪拌比泵全量循環攪拌節省電能，操作方便，容易實施，可多個調合罐同時進行攪拌。缺點是存在安全隱患，密封易泄漏，容易造成對油品的“污染”，對環境的破壞[2]；需要經常檢查攪拌電機軸承發熱、振動等情況，機械攪拌對油品的黏度存在剪切作用。泵全量循環攪拌方式時間長，能耗高，而且由于受機泵排量和管線的制約，循環時調合罐內上層與下層不能夠形成渦流，起不到良好的混合作用，添加劑有一定程度的沉降且同品種不能同時循環攪拌多個罐[3]。以上兩種調合方式均存在攪拌“死角”，比較而言，脈沖氣動攪拌方式優越性表現突出。本文立足實際自主設計的S7-200PLC控制系統結構緊湊、價格低廉、功能強大、擴展性良好、人機交互界面友好可滿足脈沖氣動調合系統智能化、實時化和兼容性要求[4]。

1 脈沖氣動攪拌調合系統原理

脈沖氣動攪拌調合是利用精確的控制方式按程序設定好的脈沖周期、延時、動力和壓力等參數，通過中控制室的控制系統和安裝在調合罐內的集氣盤，使以脈沖形式釋放的空氣迅速包圍集氣盤的四周，在集氣盤上形成橢圓形的大氣泡，并向液面上升。在上升過程中，大氣泡托起它上面承載的重組基礎油和添加劑向上運動，同時帶動周圍的組分上行[5]。氣泡在到達液面時自然爆破，巨大的爆破力將從罐底帶上來的組分推向四周，在重力作用下，較重的組分很快沿四周向下運動，并同時沖刷和刮掃罐壁。氣泡的這種運動很快形成了油品在整個調合罐內自下而上、自上而下的垂直紊流循環運動。如此周而復始在調合罐內形成紊流運動，應用流體力學原理，使油品的各種組分在短時間內被均勻地混合，完成油品的攪拌調合過程[6]。脈沖氣動攪拌調合系統一般由操作屏、控制系統、集氣盤、氣動三聯件、氣動執行器、壓縮空氣管線等構成。脈沖氣動攪拌調合系統罐內油品的調合模擬如圖1所示，控制原理如圖2所示。

圖1 脈沖氣動攪拌調合系統罐內油品調合模擬

圖2 脈沖氣動攪拌調合系統控制原理

2 脈沖氣動攪拌調合系統硬件設計

本文按照安全、可靠、性價比高和留有一定裕量的原則合理選擇的PLC單元模塊如表1所示，其中模擬量輸入為AI模塊，數字量輸入為DI模塊，數字量輸出為DO模塊,硬件設備如表2。根據脈沖氣動攪拌調合系統的控制要求，進行系統的硬件設計，包括控制系統硬件選型、I/O端口的分配、主電氣回路和控制回路設計及流體學、動力學集氣盤設計。

表1 PLC單模塊選型

表2 觸摸屏及現場硬件設備

2.1 電氣主回路設計

脈沖氣動攪拌調合系統主回路如圖3所示，主要包括：斷路器、接觸器、浪涌保護器(SPD)、隔離變壓器、開關電源、中間繼電器、散熱風扇、電源指示燈、報警燈以及PLC等。系統通過SA旋轉按鍵開關接通，KM接觸器吸合，主電路接通得電，電源指示燈亮。由于是交流單相供電，供電電壓為220 V，但系統的PLC輸入控制回路、觸摸屏、中間繼電器、電磁閥需要提供直流24 V電壓供電，因此需通過開關電源T1、T2提供24 V直流電源供電，為避免相互影響，T1開關電源僅供給PLC輸入控制回路，T1開關電源供給電磁閥、中間繼電器和觸摸屏。

圖3 系統主回路

2.2 控制回路設計

PLC電源管理由隔離變壓器后220 V交流和開關電源T2供電，壓力傳感器、溫度傳感器及輸出類元件的電源由開關電源T2提供。根據控制原理，合理的分配輸入輸出(I/O)點，如表3、表4所示，PLC主機控制回路接線如圖4所示，PLC數字量擴展模塊控制回路接線如圖5所示。控制回路由PLC主機、模擬量輸入模塊(AI)、數字量輸出模塊(DO)、中間繼電器(KA)、壓力開關(K)、壓力傳感器、溫度傳感器、電磁閥、氣動閥(KV)等組成。整個控制系統可依靠切換開關實現對脈沖調合系統的自動及手動控制，兩種控制方式互為備份，保障了控制系統的安全。

表3 模擬量、數字量輸入地址分配

表4 數字量輸出地址分配

表4(續)

圖4 PLC主機接線

圖5 PLC數字量擴展模塊接線

2.3 集氣盤的設計

集氣盤的設計如圖6所示，在正中心有個排氣孔，壓縮空氣通過管道進入，集氣盤通過三個支撐固定在罐底并與罐底保持一定的距離。為防止罐底攪拌時存在死角，在集氣盤上增加三條導流槽，壓縮空氣按切線方向噴出產生噴射渦旋，與氣體上升作用相結合，使攪拌調合效果更強烈。

圖6 集氣盤在罐中的安裝位置及結構

3 脈沖氣動攪拌調合系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

剖析脈沖氣動攪拌調合系統現場環境、控制精度和工藝需求，設計機電一體化的控制系統框圖,如圖7所示。根據系統框圖設計控制流程如圖8所示，脈沖氣動攪拌調合系統主程序如圖9所示，主程序實現對系統基本控制，并無條件調用SBR_0、SBR_1、SBR_2、SBR_3、SBR_4各功能子程序，系統運行完畢后，顯示完成標志。

圖7 脈沖氣動攪拌調合控制系統

圖8 系統控制流程

圖9 調合系統主程序

3.2 觸摸屏程序設計

借助Kinco HMIware_v2.5畫面組態軟件設計“脈沖氣動攪拌調合系統文件”，然后通過筆記本電腦與步科M4512T觸摸屏串行通訊接口RS485，將編制完成的“文件”下載至步科800 MHz RISC處理器中運行。本控制系統組態軟件采用模塊化設計，其結構如圖10所示。系統參數設置與運行畫面如圖11所示，全面地顯示系統攪拌周期、攪拌動力、攪拌時間、倒計時、系統啟動、停止、油罐啟動閥的狀態、報警復位以及調合是否完成標志等。

圖10 脈沖氣動攪拌調合系統組態

圖11 參數設置與運行畫面

4 結論

脈沖氣動攪拌調合系統設計完成后，安裝在某潤滑油廠油罐上，經過調合油品試驗，達到設計要求，提高了油品的一次調合調成率，節約了電能，提高了石化罐區現場的安全性，企業經濟效益顯著，應用廣泛。具體優點如下：

(1)提高了油品一次調合合格率。表5為2015年某潤滑油廠未安裝脈沖調合系統12個月的一次調合合格率(簡稱一次調成率)和2016年采用脈沖調合系統12個月的一次調成率對比，通過對比，一次調成率提高近8%，效果明顯。其中采用脈沖調合系統有2罐次不合格是因為基礎油和添加劑原材料因素引起的，與脈沖調合無關。

表5 一次調成率對比

(2)提高了調合油品的質量指標且可根據溫度和風壓的變化進行跟蹤補償，提高了油品調合的精確度。經調合測試，油品外觀正常，上中下黏度均勻，無分層現象，油品全分析指標全部符合要求。由表6、表7可得，相對誤差最大為0.53%，最小為0，滿足調合罐內不同液位黏度相對誤差不大于1%的要求。

表6 車用潤滑油運動黏度測定結果

表7 工業潤滑油運動黏度測定結果

(3)本系統大大降低了能耗，為企業節能減排、提高效益提供了技術基礎，與傳統調合系統相比節省能耗95%以上。

(4)本系統對控制器PLC、電纜、電源及電路均采用了抗干擾技術，通過現場控制箱中的電磁閥和執行器氣動閥來控制整個調合過程，可有效地防止電器火災隱患，系統運行的可靠性高，能滿足石化惡劣的現場環境，實現了本質安全。

(5)設計出具有自主知識產權的脈沖氣動調合程序和觸摸屏程序，方便企業應用，技術上不受制于人。直接引進國內廠家脈沖氣動攪拌調合系統生產企業的成套設備，資金最少65萬，成本過高且有些功能并不實用，而本文所設計的系統一個罐區按20具油罐算也僅需資金15萬即可安裝投產，節省成本50多萬。

(6)本系統組態靈活，可單罐、多罐、成套罐區應用，擴展性能優良，將油罐溫度、液位、質量等動態數據鏈進行整合數據總線上傳，方便地擴展組成DCS控制系統。工業應用廣泛，不僅僅是煉油行業，釀酒、化工、制藥、水污染處理等需混合攪拌的生產均可應用。