基于PLC的油相制备自动计量控制系统研究

黄显杭，陈红刚，仲　峰

(中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，　重庆　400065)



基于PLC的油相制备自动计量控制系统研究

黄显杭，陈红刚，仲峰

(中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，重庆400065)

摘要：为了能够提高油相制备工艺配比精度以及减少人工操作强度，研究了一种基于PLC的油相制备自动计量控制系统。首先，分析了自动计量制备控制系统，确定了其原理结构以及硬件选型。其次，针对硬件结构设计了系统软件控制流程。最后，通过搭建自动计量制备控制系统来验证系统的有效性。实验结果表明，开发的自动计量控制系统能够控制乳化剂的质量误差在±0.5%以内，柴油的质量误差在±0.3%以内。

关键词：油相制备；自动计量；控制系统

0引言

在现场混装乳化炸药的制作过程中，油相作为乳化炸药制备所需要的半成品之一，其油相的配比质量直接影响到现场混装乳化炸药在爆破施工作业过程中的爆破效果。如果油相密度偏大，可能会因为油膜过厚导致发泡效果不理想；如果油相密度偏小，可能会因为油膜太薄导致发泡过量，从而引起乳化炸药析晶。总而言之，油相配比需严格按照生产工艺配方进行配置，油相密度偏大或偏小都会影响乳化炸药发泡效果，从而导致乳化炸药爆破效果达不到预期效果，甚至发生拒爆现象。

在油相制备的过程中，严格控制柴油以及乳化剂的比例显得至关重要。目前，在油相制备的生产工艺中，乳化剂的计量过程中主要都是采用地磅称重的方式或则采用人工经验的判断方式来确定乳化剂的质量。通过这种方式进行油相配比，往往会产生乳化剂抽取的质量与实际的工艺配比有偏差，从而导致油相制备的质量得不到保障。

因此，为了能够确保在油相制备过程中乳化剂以及柴油的质量，研究一种油相制备自动计量控制系统是目前亟待解决的问题。

1油相制备生产工艺流程

油相制备生产工艺流程如图1所示，油相制备可概括为两个步骤，一是对柴油进行抽取，二是对乳化剂进行抽取，但2种原材料必须严格按照工艺配比进行抽取。目前，对于柴油抽取量的计量仪器大多为体积流量计，对于乳化剂抽取量的计量大多为地磅称重仪，采用上述工艺对油相进行制备主要存在以下问题：

(1) 整个操作过程均为人工操作，人工劳动强度大，自动化程度低；

(2) 抽取过程需时刻观察流量计以及地磅的显示数值从而判断是否达到目标抽取量；

(3) 柴油体积随温度变化，体积流量计无法准确计量柴油抽取质量。

上述问题的存在，一定程度上影响了油相制备的精确性，对于乳化炸药的生产存在着质量隐患。

图1　油相制备生产工艺

2计量控制系统总体设计

2.1系统整体架构

对于目前油相制备过程中存在的问题，本文采用自动化、信息化技术对油相制备的生产工艺进行改造，实现油相制备自动化以及精确化。油相制备生产工艺流程改造图如图2所示，与图1相比该工艺流程改造主要有以下几点：

(1) 在乳化剂储罐中加入蒸汽加热装置,包括电磁阀、温度计以及蒸汽管道等，以解决目前乳化剂流动性低、抽取困难等问题；

(2) 柴油以及乳化剂的计量装置改为质量流量计；

(3) 加入相应的PLC控制器以及配套的电气设备以实现自动控制。

图2　油相制备生产工艺改造

2.2硬件系统设计

通过需求分析，可将自动计量控制系统主要功能概括如下：

(1) 具备柴油自动抽取功能，可根据设置的抽取量进行自动启停控制；

(2) 具备乳化剂自动加热功能，可根据乳化剂设置温度进行自动加热控制；

(3) 具备乳化剂自动抽取功能，可根据设置的抽取量进行自动启动控制。

根据系统功能需求，设计一套能够满足油相制备自动计量控制的系统总体硬件架构，其系统硬件架构见图3。

图3　系统原理

从图3中可知，该系统主要由7类硬件设备构成：PLC、触摸屏、AD转换器、质量流量计、温度计、电磁阀以及交流电机。其中，触摸屏与PLC之间采用RS422串口协议进行通信。PLC与AD转换器之间采用扩展线缆连接。AD转换器通过双绞线与质量流量计以及温度计连接。电磁阀以及电机通过中间继电器与PLC输出端连接。

PLC作为数据处理单元负责整个系统控制流程的实现，其主要功能包括：

(1) 获取AD转换器采集的流量计的流量值以及温度计的温度值，流量计以及温度计输出的信号均为4～20 mA电流信号；

(2) 根据触摸屏输入的目标加热温度控制蒸汽加热系统的启停，根据目标抽取质量控制泵送系统的启停。

触摸屏作为系统的人机交互界面，主要功能如下：

(1) 负责温度值、乳化剂以及柴油目标抽取值的初始化设置；

(2) 负责整个系统的启停控制信号输入。

本次系统设计中，考虑到生产工艺配比的准确性，在生产过程中需要准确的测量乳化剂和柴油的质量。因此，在整个控制系统的设计中，流量计作为计量装置在整个系统中具有最重要的作用，本文特采用了基于科里奥利原理的质量流量计，其测量液体的质量精度在0.5%以内。

2.3软件流程设计

本文根据程序控制流程设计的油相制备自动计量控制系统的软件流程如图4所示，图中简要概括了PLC控制器程序控制流程方法。

图4　程序流程

当系统开始工作时，首先打开启动按钮，系统上电后便开始运行。系统启动后，进行初始化操作，包括对寄存器、I/O口状态进行清零处理。然后，在触摸屏中输入柴油、乳化剂抽取量，乳化剂加热值等目标参数，该值作为制备过程中乳化剂实际加热目标值、乳化剂及柴油实际需要抽取的质量值等信息传送到PLC中。最后，PLC通过AD转换器采集温度计实际温度值以及流量计实际抽取乳化剂与柴油的实际值，通过判断目标值与实际值之间的大小来控制电磁阀以及电机启停，如果检测到的实际值与目标值之间的误差在合理范围内则停止相应的电磁阀或电机，停止加热或泵送系统，整个控制流程结束。

3测试结果

为了验证自动计量控制系统的有效性以及其测量结果的精确性，本文通过多次实验对两种不同的油相制备生产工艺,包括传统的配制方式以及自动计量控制系统进行实际对比验证, 油相制备自动计量控制系统如图5所示。

采用传统的方式进行油相制备时，在对乳化剂进行抽取时(以抽取184 kg乳化剂为例)，如果采用人工观察地磅值，通过计算地磅值是否达到目标值后，再去控制输送泵停止的方法，乳化剂质量计量误差在±3 kg左右。如果采用质量流量计设计的自动计量控制系统，乳化剂质量计量误差在±0.92 kg左右。

在对柴油进行抽取时(以抽取345 kg柴油为例)，如果采用人工方式，通过判断体积流量计所测量的体积来确定其抽取质量，其质量计量误差在±2 kg左右。如果采用质量流量计设计的质量自动计量控制系统，柴油质量计量误差在±0.38 kg左右。

图5　油相制备自动计量控制系统

通过查阅企业某个生产点某个月的相关乳化炸药成本分析表可知，乳化剂的平均用量约为4514 kg，机油的平均用量约为8959 kg。乳化剂的价格约为30.84元/kg，柴油的价格约为9.08元/kg。由以上数据可得采用不同生产工艺制备一次油相时所产生的最大计量误差费用(见表1)。

由表1可知，在制备一个标准配比油相时，采用不同的工艺对乳化剂和柴油进行计量，在计量过程中由于计量误差导致的最大费用分别为110.66元(手工操作)、32.75元(自动计量控制系统)。由此可以看出，采用自动计量控制系统可以有效的减少在生产过程中对机油和乳化剂的配比误差，从而减少生产成本。

表1　不同生产工艺误差成文分析

4结论

本文研究了一种基于PLC的油相制备自动计量控制系统。首先，分析了自动计量制备控制系统，确定了其原理结构以及硬件选型。其次，针对硬件结构设计了相应的系统软件控制流程。最后，通过搭建自动计量制备控制系统来验证系统的有效性。实验结果表明:该自动计量控制系统，一方面能够控制乳化剂的质量误差在±0.5%以内，柴油的质量误差在±0.3%以内，从而能够更准确的按照工艺配比对油相进行制备，提升乳化炸药的生产质量，另一方面能够提高油相制备的自动化生产程度，减少配料员在制备过程中因为操作复杂而发生错误。

参考文献：

[1]刘茂后,于巍清.连续乳化的水相与油相流量控制系统设计[J].煤矿爆破,2005,2(1):12-15.

[2]刘咏竹,仲峰.BCRH 型乳化炸药车装药控制系统的研究与开发[J].爆破,2013,30(1):110-113.

[3]李勇,周晓红.粉状乳化炸药装药机的 PLC 控制系统[J].爆破,2005,69(2):15-17.(收稿日期：2015-09-29)

作者简介：黄显杭(1989-)，男，硕士，助理工程师，主要从事工业炸药现场混装技术研究，Email:huangxh@expl.cn。