基于PLC的水泥灌漿機自動控制系統

1 引言
隨著海洋石油勘探開發事業的發展，開發海域逐漸由淺海向深海延伸，導管架、海上平臺也向著高、大、重的方向發展。海上作業所需的水泥漿量也越來越大，對水泥漿質量的要求也在不斷提高。采用PLC對水泥漿生產過程進行控制，實現生產全過程的自動化，能夠提高生產效率、降低生產成本和工人的勞動強度。
灌漿機是高度自動化設備，包括水泥、水、添加劑等按照一定的配比自動進料，攪拌，灌漿等幾部分。攪拌好的水泥漿儲存在攪拌器中，攪拌器的雙層葉片不停的攪拌，防止在灌漿過程中水泥漿凝固，泥漿泵把攪拌器中的水泥漿壓出灌漿機。系統的工藝流程如圖l。

圖1 系統工藝流程圖

2 系統控制方案
水泥灌漿機自動控制系統由可編程控制器(西門子S7-300)、人機界面(HMI，西門子TP27-10)、料位傳感器和稱重傳感器等幾部分組成。控制系統框圖見圖2。

圖2 系統控制框圖

控制核心是西門子的S7-312CPU和數字量輸入模塊、模擬量輸入模塊以及數字量輸出模塊組成，并配有EEPROM存儲卡使PLC程序可以掉電保護。完成開關量、模擬量輸入、數據檢測、邏輯運算和過程控制，實現水泥漿生產過程自動控制。所有的設備輸入輸出信號直接進入PLC，由PLC來進行控制。
2.1 控制內容
(1) 輸入部分
l 四個水泥料位傳感器;
l 混煉器排除閥的行程開關;
l 手動、自動操作切換開關;
l 9個電機的手動啟動和停止按鈕;
l 三套稱重傳感器輸出信號4～20mA;
l 電極測量傳感器輸出信號(水罐、添加劑罐、攪拌器高低各兩個);
l 測燈按鈕;
l 其它輸入信號等。
(2) 輸出部分
l 9個電機的啟動和停止指示燈;
l 9個電機的輸出控制信號;
l 三個料斗的入料電磁閥，雙動控制;
l 三個料斗的出料電磁閥;
l 添加劑排料槽控制;
l 混煉器的出料氣動閘閥控制;
l 報警指示、警鈴信號;
l 空氣吹掃電磁閥;
l 水泥料斗振動器;
l 其它輸出信號等。

2.2 人機界面
人機界面用帶有RS-485通訊接口的西門子TP27-10觸摸屏。HMI程序由運行監控、操作界面、參數設定、物料管理、及各種統計報表打印等模塊組成。采用全部漢化用戶界面。具有界面友好、操作簡單、功能強大等特點。其中HMI主界面見圖3。

圖3 HMI主界面

通過運行監控界面用戶可以在觸摸屏屏幕上直觀的看到現場的生產運行情況。把電器柜所有轉換開關置為PLC，系統得電后，在界面上選擇PLC自動，通過點擊屏幕上的“啟動”按紐來啟動系統，進入自動運行。屏幕上將動態顯示各料斗中的配料量和其他設備如:混煉器、攪拌器、電機、各閥門的運行情況。
(1) 操作界面:當選擇PLC手動時，就可以在操作界面對系統中的各個設備進行單獨控制，在檢測、調試和緊急情況下使用。
(2) 參數設定:參數設定界面主要目的是方便對系統運行過程的一些重要參數進行修改。包括配料參數的設定，攪拌參數設定等。
(3) 物料管理:管理物料進料和進行物料用量統計。
(4) 統計報表打印:方便用戶對運行過程中的歸檔數據，如生產記錄、配料詳細記錄和物料消耗情況進行打印輸出。
我們還充分利用西門子軟件靈活多樣、豐富的指令，設計出了模塊化、結構化的程序，使得程序具有良好的可讀性、可維護性。

3 物料傳送控制
傳動部分包括水平螺旋傳送、垂直螺旋傳送、緩沖罐、計量斗、混煉器、攪拌器和泥漿泵等組成。系統運行以后，水平螺旋和垂直螺旋將水泥傳送到水泥緩沖罐，水泵將外界淡水送到水緩沖罐, 添加劑泵將各種添加劑傳送到添加劑緩沖罐。PLC采集稱重傳感器數據，控制各緩沖罐出口閥做相應的動作。各計量斗秤值重量達到預先設定值，計量斗出口閥打開，在混煉器攪拌45s以后, 打開漿液閥，泥漿進入攪拌器。通過泥漿泵將泥漿輸送到外界供現場使用。
為了使水泥在混煉器中攪拌均勻，減少灰塵，程序中設定水計量斗中的淡水排放完畢，然后打開水泥計量斗出口閥門。因為水泥是粉塵狀顆粒，容易黏附在一起，因此，在水泥計量斗側壁安裝有振動器。

4 物料稱重配料控制
該部份由稱重傳感器、電磁閥、料位傳感器、行程開關等組成。輸入量模塊采集現場信號，傳送到CPU模塊進行計算處理，然后通過輸出模塊輸出信號，控制現場各種開關、電磁閥和電機等。
根據原料配比不同，添加劑稱重傳感器最大量程150kg，水稱重傳感器量程3t，水泥稱重傳感器量程6t。稱重傳感器將配料重量轉換成(4~20)mA的電流信號，經PLC的模擬量輸入模塊進行A／D轉換后輸送到CPU與預先給定的重量進行比較，CPU按照給定的控制規律進行計算，然后發出控制信號控制各種配料嚴格按比例送入混煉器中攪拌。
在稱重配料的過程中，機械裝置運行時的波動，比如氣動電磁閥氣缸的壓力波動，造成給料裝置的動作滯后:物料下落的沖擊力;配料系統發出關閉信號后原料的過沖量(空中余量)，因物料料流的不穩定導致過沖量的隨機變化(最為關鍵的因素)。這些因素造成了稱重配料誤差。
為了減小稱重配料誤差，系統把稱重過程分為粗稱和精稱兩個階段。在緩沖罐出口安裝兩個氣缸串聯。在粗稱階段，緩沖罐出口的兩個氣缸全部打開，縮短給料時間。當給料量達到設定量的90％，進入精稱階段，此時，關閉90％的緩沖罐出口氣缸，小量給料以提高稱量精度。系統中的機械結構、稱重傳感器、模擬量輸入模塊等環節都存在一定的誤差，最終反映為作用于傳感器的實際值與觸摸屏顯示值之間的誤差，這個差值我們稱之為系統的非線性誤差。這一誤差可以通過函數校正的方式來消除。假設作用傳感器的力為F(i)，對應的顯示值為M(i)，由數組F(i)和M(i)的擬合，可以得到一個校正函數:F=f(m)
由于系統誤差是各個環節共同作用的結果，因此校正函數一般有多個拐點，為了保證測量精度，本系統中采用分段最小二乘拋物線法來分別求出各段的擬合多項式:F=a+bm +cm2

5 結束語
該系統采用可靠性高、抗干擾能力強的可編程控制器和觸摸屏，可以實現PLC自動/手動和手動三種配料功能。當自動系統有故障時，可切換至手動方式配料，繼續生產水泥漿，保證用戶生產的連續性，減少損失。觸摸屏編程為圖形化操作，可以動態顯示當前配、卸料等生產狀態，簡單直觀，操作方便。可以存儲實時生產數據，讀取歷史數據，實現生產數據打印。二次計量進料方法，使整個自動化攪拌系統精度得到了提高。水泥攪拌自動控制系統的研制成功改變了以前依靠進口設備的狀況，大大降低了生產費用、提高了生產效率和系統的可靠性。