PLC的液壓濾油系統控制設計淺析

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摘要：基于液壓油真空濾油機的基本原理，利用西門子S7-200作為控制器設計了一款真空濾油控制系統。本系統可以自動過濾液壓油中的水分、氣體和雜質，利用液位傳感器和控制閥門實現油罐自動補油，另外可以通過入油口渦輪流量傳感器監控流量。相對于傳統的濾油機，本系統可以實現無需人員看管，自動進行濾油、補油，并且可以利用流量監控實現系統的自動關斷。

關鍵詞：plc；濾油機；液位控制；流量監控

0引言

液壓系統在工程機械中被廣泛采用，工程機械的工作裝置、行駛系統及轉向系統常常離不開液壓系統。對于液壓系統而言，液壓油的質量至關重要。因此，液壓油的污染程度對整機的可靠性有非常大的影響[1]。液壓泵作為液壓系統的動力系統，通過電機或者動力機從油箱吸入液壓油，將機械能轉化為液壓系統所需要的液壓動力。在實際應用中，液壓泵所需的液壓油的清潔性和過濾性是影響液壓系統工作質量的一大因素。如果液壓油中存在過多的雜質會影響到液壓元件，例如堵塞閥門、擦傷密封件等，并且液壓油使用過程中出現乳化情況會污染環境。可是液壓油無法做到完全無雜質，長時間使用又會出現乳化，這種情況下就可利用濾油系統對液壓油進行過濾、凈化，既可以節約資源、保護環境，也可以為企業節約成本。以繼電接觸器為主的老一代控制系統已不能滿足油污處理的控制，這一領域的計算機化已勢在必行，而應用在當前工業過程控制領域的PLC是使其計算機化的最簡便、最可靠的途徑[2]。本濾油控制系統以西門子PLC為控制核心，不僅可以提高濾油效率也安全可靠。

1真空濾油機的工作流程

真空濾油機是根據水和液壓油的沸點不同而設計的。油液中的水以游離水、乳化水或者是溶解水的形式存在，真空脫水是利用高真空度下水的迅速汽化進行脫水的[3]。濾油機是由真空加熱罐、精濾器、冷凝器、初濾器、真空泵、排油泵以及電氣控制柜等組成。其工作原理圖如圖1。真空泵與真空罐內的空氣抽出形成真空，外界油液在大氣壓的作用下，油液經過入口管道進初濾器消除較大的顆粒，之后初濾后的油液進入加熱罐內，經過加熱到40℃～75℃再經過溫度控制閥，此閥是為保證進入真空罐內的油液溫度達到要求。真空罐中有旋轉裝置，經過加熱后的油液通過旋轉裝置上的噴翼飛快旋轉將油分離成半霧狀，油中的水分急速蒸發成水蒸氣并連續被真空泵吸入冷凝器內，進入冷凝器內的水氣經冷卻后再返回成水放出。在真空罐內的油液，由排油泵排入精濾罐，通過罐內的精濾器將微粒雜質過濾出來。從而完成真空濾油機迅速除去油中雜質、水分、氣體的全過程，使潔凈的油液從出口處排出機外。

2系統控制方案的設計

2.1控制方案分析

根據各流程的特點和要求，需要協調每一個流程進度。系統為了能夠對液壓油進行自動過濾、加熱、脫水等處理，需要控制加熱罐、真空泵、油泵等執行部件，另外包括入口控制球閥和溫度控制閥。在系統運行過程中，需要溫度傳感器、壓力傳感器等參數作為各部件運行的判斷標準。本系統為實現流量監視以及自動關停的功能，在入油口處裝置了渦輪流量傳感器，利用PLC對渦輪流量傳感器脈沖信號進行處理并在組態觸摸屏上實現流量的可視化，將入口流量數值作為系統是否關斷的標準。

2.2控制方案要求

根據分析中所需的要求，本控制系統程序關鍵為以下幾點：1）上下限傳感器與入口閥門開關相關聯。在真空罐中裝有上下限傳感器，傳感器信號接入PLC輸入端，由傳感器輸出邏輯信號作為判斷依據來控制電動閥門的開關，以此使得罐內油液保持在合適的液位。2）手動與自動之間的切換。在濾油系統使用的過程中，針對一些情況并不需要所有部分都工作，這時候切換到手動模式，針對特有的情況調整部分系統以達到期望的效果。3）溫度和壓力檢測及超限處理。為保證濾油過程中的安全，將油液溫度傳感器和加熱器相關聯，監控加熱器中油液溫度，防止溫度過高造成危險。另外，將精濾罐中的壓力傳感器與輸油泵相關聯，防止精濾罐中壓力過大。4）渦流流量傳感器安裝在入油口處進行流量檢測。真空濾油系統在使用過程中為了在無人看管的情況下保證安全，在油液都過濾完成后各部分都處于空載情況，特別是加熱罐長期處于空載會有安全隱患。因此，本系統在油液入口處安裝渦輪流量傳感器。這樣一者可以實時監視油液流量在達到目標流量值的時候關停系統，二者可以在監視入口處油液無流量時并延時一段時間后，認定為油液全部過濾完成后關停系統。

3系統硬件選型

針對濾油系統的需求，對控制系統進行硬件選型。

3.1CPU選型

現選用SIEMENS公司的S7-200PLC，CPU型號為224XPCN，此型號CPU有14個輸入和10個輸出共24個數字量I/O端口，并且有2個模擬量信號輸入端口。此CPU價格低廉并且完全可以滿足系統功能，具有極高的性價比。

3.2渦輪流量傳感器

渦輪液壓流量傳感器采用渦輪轉速與液體流速成正比的原理，被測流體從傳感器的進口流入，在流體作用下葉輪受力旋轉。傳感器內部的磁電轉化器在葉輪周期的轉動下產生周期性的磁場變化，周期性變化的磁場又在檢測線圈中產生周期性的電脈沖信號，經放大器放大后，再經過D/A轉化傳送給PLC[4]。在本控制系統中使用的LWGY-25型流量傳感器，該傳感器價格低廉，集成度高，體積小巧，在供電方面使用24VDC供電，信號輸出二線制4mA～20mA電信號。

3.3觸摸屏選型

本系統使用威綸通TK6070IP組態觸摸屏，并采用EasyBuilder8000軟件進行界面設計，與下位機PLC采用RS232專用電纜連接。流量、壓力和溫度傳感器數據經過PLC的處理后數據放入相關寄存器，并在觸摸屏上顯示出傳感器相關數據以及上下限傳感器邏輯狀態。

3.4油泵選型

本系統中輸油泵采用齒輪油泵。齒輪泵體積小，質量輕，自吸能力強且價格便宜[5]。

3.5真空泵選型

采用單級旋片真空泵，此類泵結構緊湊，節省空間，質量輕，采用風冷，操作方便，容易安裝維護，符合本系統的使用要求。

4濾油系統軟件設計

真空度和油液的溫度是油處理成效的關鍵因素[6]。本套系統為了可以保證過濾后油液的質量，需要對罐內傳感器的參數進行監視并判斷。在系統開始后，首先是確認手動或者自動，手動的情況下，使用繼電器和開關對各部分進行單獨控制。當油液沒有乳化情況下不需要使用加熱器。在確認使用自動控制之后，首先是真空泵開始運行，延時一段時間在當真空表面達到負壓-0.08MPa時，方可打開入口控制球閥開始進油，否則系統后續工作無法開展。之后，油液因為內外氣壓差被濾油器吸入罐內，經過初濾器進入加熱器中。為了避免加熱器干燒的危險，在打開入口球閥后先延時，延時時間取決于加熱罐的實際尺寸。在加熱罐中有足量的油液后進行加熱，通過溫度傳感器傳遞模擬信號到PLC計算出罐內油液的溫度。當油液溫度加熱達到50℃的時候才打開溫度控制閥可以將油液流入真空罐中，在油液進入真空罐后利用上下限液位傳感器邏輯狀態來判斷入口控制球閥的開關，通過罐中的旋轉器將油液霧化，揮發出油液中的水分。這些水分被冷凝器吸入冷卻液化通過放水閥排出，在油水分離罐中剩下的油液被輸油泵排入精濾罐中，通過精濾器對油液進行過濾，過濾完成的油液最后通過止回閥排放至罐外。根據流程需求，主程序流程圖如圖3。本系統停止方式有兩種：一種是急停，也就是在系統出現突發狀況時立即停止所有執行部分的工作；另外，就是油液過濾完成后正常停止。首先，是在程序判斷入口無流量進入的時候PLC自動下達系統停止的信號，先停機加熱器3min，再停真空泵，關閉入口控制閥，再根據油液排除情況設置延時一定時間，即油液徹底排空后，關閉排油泵。中斷程序主要是為了模擬量刻度轉換、渦輪流量傳感器脈沖輸入值計數處理以及溫度超標預警處理、壓力超標預警處理、無流量流入預警處理。中斷程序由子程序中設置ATCH指令來觸發中斷，并在定時中斷的時間間隔寄存器SMB34中設置中斷時間。在系統中，利用I0.0作為高速計數器HSC0專用計數端口這一屬性，通過高速計數器對渦輪流量傳感器發出的脈沖信號進行計數。對此在子程序中利用HDEF指令對HSC0進行定義參數，利用寄存器HS0中的當前值進行累加并換算可以得到一定時間段內的入口流量，為減少計數誤差再通過高速定時器定時中斷對高速計數器寄存器HS0中的當前值定時清零。系統通過入圖5定時中斷程序流程圖Fig.5Scheduledinterruptprogramflowchart口流量值判斷入口是否還有流量吸入，當入口流量為零并延時一段時間無流量，即可視為油液已經過濾完成，便可開始關停系統。本系統中使用的溫度和壓力傳感器信號輸出的模擬量均為4mA～20mA的電流信號，利用模擬量刻度轉換指令模塊Scale_I_to_R將對應模擬量轉化為CPU內部的數值，之后根據轉換好的數據值來進行預警處理。當溫度傳感器檢測到加熱器中油溫大于70℃時，需要觸發報警器并關閉加熱器。當過濾罐中的壓力傳感器檢測到壓力大于0.4MPa時，應關閉輸油泵防止過濾罐中壓力過大發生危險。另外，壓力過大也有可能是內部濾芯表層吸附的雜質太多需要及時清洗和更換。中斷程序流程圖如圖5。

5結束語

本文為對液壓油真空濾油機進行改進，針對自動濾油的需求設計了控制系統。本控制系統以西門子S7-200PLC為核心，以原本濾油機的工作流程為基礎，實現濾油流程自動控制和液位控制，并實現入口流量的數據采集和無流量預警處理，極大地增加了系統運行的安全性。本濾油機脫水率很高，可以過濾大多數微小雜質，能夠有效地降低油液的污染度，濾出的油液可以滿足大多數的工業需求。在此硬件基礎上，本文設計的控制系統運行穩定，安全可靠，實用性強，極大地提升了濾油機的性能，節省了為新購液壓油增加的成本。

作者:高挺 劉顯暉 楊帆 李建強 單位:廣西科技大學自動化學院 柳州泰姆預應力機械有限公司