淺析樹脂真空澆注設備的填料方式自動化改造

趙杰

（上海ABB變壓器有限公司，上海 201206）

硅粉對于環氧樹脂真空澆注設備來說，在干式變壓器的線圈澆注、烘干、定型的生產過程中，是必不可少的原料。公司于2005年引進的海德里希環氧樹脂真空澆注設備，硅粉填料方式老舊，仍是依靠人力扛運粉袋和人工注入小包填料解袋箱，該方式經常跟不上生產節奏。而當下同類主流樹脂真空澆注設備，均已采用噸包解袋結合真空上料系統，向原廠家咨詢了自動化升級方案，費用十分昂貴，且周期較長。經過研究公司另一臺16年采購的澆注設備以及同行業其他澆注設備后，決定自行設計一套自動化填料控制系統，外圍機電設備則根據設計需要進行市場采購。

1 原填料方式存在的問題概述

在分析了原填料方式后，總結出需對以下幾個存在的問題進行針對性改進。

（1）原來的粉袋是25公斤1袋，數十袋集中于1個吊籃內，由行車起吊至澆注室上層的脫氣混料平臺，再由操作人員一袋一袋扛至小包填料解袋箱進行人工破袋倒入，一般一次需要填入10袋，才可滿足2爐線圈澆注。1天兩個班次，一般需要人工填料4～5次。

（2）由于拆袋是用美工刀破袋，容易導致粉袋包裝的碎料進入混料系統，造成混料罐出料的單向閥或計量泵堵塞。引起澆注功能異常。

（3）小包填料解袋箱沒有加熱和真空脫氣功能，導致存于其中的硅粉容易受潮結團，在備料模式打開時，會發生粉料無法進入下一層樹脂/固化劑混料罐的現象。

2 改造方案

確保能解決以上問題的同時，改造還需兼顧外圍機電設備在市場的普遍性和維護的方便性。

2.1 外圍機電設備

（1）噸包解袋裝置，得益于硅粉包裝技術的升級，現在硅粉原料有大包填料，1袋重量可達1t，在這次設計方案中加入噸包解袋裝置，其由橋架式行車、解袋機、暫存罐組成，工作方式為大包填料通過解袋裝置配備的行車吊到解袋機上方，把下出口的袋伸入暫存罐內并用快速法蘭扣緊防塵，再松開大包的綁繩，實現下料。暫存罐的下料口安裝了1個旋轉料位傳感器，用于檢測是否粉料存量不足；1個喂料閥，用于打開或者關閉出料；1個位于喂料閥下端的輔助粉料傳輸的電磁閥，控制吹入干燥壓縮空氣，讓粉料霧化、便于傳輸的同時，也避免硅粉沉積結塊。下料口接鋼絲軟管，同后端脫氣干燥裝置的上料口連接。圖1為噸包解袋裝置簡易結構圖

圖1

（2）脫氣干燥裝置，主體是一個臥式圓筒型干燥罐，內有電機帶動可旋轉的耙齒裝置，用于均勻攪拌粉料，防止堆積，也有利于受熱時排出水分，罐體容積是500L；另有一個內置加熱器的導熱油箱，導熱油箱內的導熱油經過鋪設在干燥罐上的循環管路，對干燥罐內粉料進行加熱。有一套旋片真空泵組對干燥罐抽真空，當真空泵組工作一定時間，使得罐內的真空度＜350mbar，即可形成干燥罐向解袋裝置吸料需要的壓差，真空度的檢測，是通過萊寶的真空儀，接入PLC中EM231模擬量輸入模塊進行反饋；真空閥控制脫氣管路開啟關閉，脫氣管路有1個過濾器，具有精密過濾功能，能隔絕粉塵，保證粉料不進入真空泵，過濾器上有1個反吹閥，對內吹入干燥壓縮空氣，防止過濾器被硅粉堵塞；還有一個破真空用的放空閥，當下一級粉罐抽真空，需要吸料時，放空當前料罐，可以形成真空壓差讓粉料傳輸；一個位于罐體側方的上料口，通過鋼絲軟管和前端的噸包解袋裝置的下料口連接，上料口的開啟關閉，通過一個加料閥控制；在罐體下側是粉料的排料口，有一個排料閥控制開啟關閉。整套脫氣干燥裝置安裝在電子秤上，電子秤的顯示屏和S7-200之間通過MODBUS協議通訊。圖2是脫氣干燥裝置的簡易結構圖。

圖2

（3）儲料罐，原設備的小包填料解袋箱需去除，替換為立式圓錐型儲料罐，底部與澆注設備螺旋輸送器接合。由于這臺澆注設備的PLC程序出廠時是加密的，所以本次改造，不對設備自身的控制系統做更改，在澆注設備與自動填料系統控制層面的信號耦合，靠儲料罐的下料位檢測信號給原有設備，用于判斷是否有料，并由澆注設備原有控制系統加料。因為從干燥罐到儲料罐的粉料輸送管道達到30m左右，粉料容易堆積，因此在輸送管道上間隔設計了6個電磁閥，作用和解袋裝置里的輔助粉料傳輸的電磁閥一樣，吹入壓縮空氣、霧化粉料，方便傳輸、防止堆積；為了達到粉料輸送的壓差，儲料罐設計2套旋片真空泵組，同樣在脫氣管路上安裝過濾裝置以及對過濾裝置防粉塵堵塞的反吹閥；和干燥罐一樣，儲料罐也有一個破空閥；除了下料位，還有一個上料位，用于控制干燥罐是否需要向儲料罐供料；罐體上設計了一個振動電錘，用于防止罐體里的粉料堆積結團；罐底是出料口，用于和澆注設備螺旋輸送器接合，由一個排料閥來控制出料口的開啟關閉。

2.2 上位機設計

上位機采用SMART 700 IE V3，是西門子為S7-200開發的觸摸屏，7寸64K彩色屏幕，集成了以太網端口和RS485串口。通過串口，可以和S7-200直接連接，應用的組態軟件是Wincc flexible 2008 SP4。人機交互界面的設計開發，遵循以下幾個需求：

（1）顯示工作流程圖，顯示各設備電氣單元運行狀態；

（2）溫度、真空度的檢測；

（3）在必要情況下實現各功能模塊的手動控制以方便檢修；

（4）根據生產的實際情況，方便操作員進行工藝參數調整。

具體效果見圖3。

圖3

圖3（a）是自動模式；（b）是手動模式；（c）是參數設定。自動與手動模式生效互鎖，在人機交互界面中對應的虛擬按鍵就是（a）、（b）中右下角的自動和手動模式的切換。

將模式開關切換到自動模式，再按下自動啟停，上料系統即進入自動運行，操作員可根據該界面觀察到系統的實時溫度、真空度，粉料重量等信息。

當把模式選擇到手動時，（b）中的相關功能可以單獨選擇進行功能測試，方便填料系統后期檢修維護。

在參數設定界面中，操作員可根據填料的實際情況，進行耙齒旋轉速度、正反轉定時切換，溫度設定，粉料重量設定等一系列參數設定。

2.3 下位機設計

下位機采用西門子S7-200CN，其具備24路開關量輸入和16路開關量輸出，有2個RS485通訊串口，PORT0接口和上位機通過PPI協議通訊，PORT1接口通過MODBUS協議和外圍第三方設備通訊；除此之外，擴充一個EM222CN的8路開關量輸出模塊，一個EM231CN的4入*12位精度的模擬量輸入模塊。PLC的編程軟件是STEP7 MicroWIN SP9。

確定填料系統的工作邏輯、工作順序后，制定填料系統工作流程圖，如圖4所示。

圖4

然后根據流程圖以及相關功能，進行輸入輸出點分配。I/O分配如圖5所示。

圖5

在程序中，用M12.0的常開和常閉信號來進行自動和手動的切換。在手動模式下，所有的功能，都能通過對應的按鈕進行單獨啟動。手動模式，能夠規避聯鎖控制，方便檢修人員進行故障排查。圖6（A）是關于Q0.0到Q0.2，即干燥罐真空泵電機、過濾反吹以及真空閥手動開啟示例。

圖6

在自動模式下的運行，遵循一定的互鎖關系和啟動條件，如Q0.3和Q1,1、Q1.2互鎖，即當干燥罐加料閥打開時，為了保證真空壓差，干燥罐破空閥和排料閥需處于關閉位置。同理，當干燥罐的排料閥打開向儲料罐送料時，儲料罐的破空閥以及排料閥也處于關閉位置；另如干燥罐加料閥的打開條件之一是變量寄存器VW766內數據小于VW796內數據，對應的是圖3（c）中實際重量和設定重量；耙齒電機正反轉Q0.5和Q0.6之間互鎖；干燥罐排料閥和耙齒啟動關系互鎖；干燥管和儲料罐各自的真空啟動和破空互鎖。

通訊指令方面，主站MBUS_CTRL 波特率9600，無校驗，有5個MBUS_MSG指令，其用于開啟對從站的請求并處理應答。當EN輸入和First輸入打開時，MBUS_MSG指令啟動對Modbus從站的請求，并進行發送、等待、處理應答。通常需要多次掃描。EN需一直打開以啟用請求的發送，并保持打開直到DONE被置位。Slave1到Slave3的RW有0和1，都有讀寫功能，Slave4到Slave5為只讀功能，通訊對象分別為導熱油箱、干燥罐、儲料罐的溫控儀，耙齒電機的變頻器和電子秤顯示屏，其中導熱油箱、儲料罐分別通過電加熱器和電加熱片來進行加熱，溫度需根據填料工藝進行通訊控制的修改；變頻器則是通過通訊控制來進行頻率，即轉速的修改，所以這三者的通訊功能需要讀寫。而干燥罐是通過導熱油循環加熱，電子秤實時反饋當前脫氣干燥裝置重量，所以這兩者通訊功能僅需只讀，主站對5個MBUS_MSG輪詢控制，圖6（B）為電子秤通訊程序示例。

3 自動填料系統運行后的效果及收益

經調試、使用一段時間后，自動填料系統很好的彌補了之前手動填料的不足。節省人力，效率提高。經過核算，沒改造之前，同樣澆注4爐線圈，需要的整體時間是7h，改造后時間僅需5h；改造前每500個線圈由于硅粉填料的原因報廢的個數是7個，改造后縮減至2個；預算方面，廠家設計改造費用是107萬，工廠自行改造費用主要是外圍設備定制采購，總計花費35萬，經濟效益上為工廠節省了70余萬。

4 結語

根據smart 700 IE和S7-200開發的自動化填料系統，具有直觀的人機交互界面，操作簡單，同時兼顧后期設備人員對其進行維護時的便捷性。滿足實用、高性價比的改造目標。