基于PLC的水泥灌浆机自动控制系统

1 引言
随着海洋石油勘探开发事业的发展，开发海域逐渐由浅海向深海延伸，导管架、海上平台也向着高、大、重的方向发展。海上作业所需的水泥浆量也越来越大，对水泥浆质量的要求也在不断提高。采用PLC对水泥浆生产过程进行控制，实现生产全过程的自动化，能够提高生产效率、降低生产成本和工人的劳动强度。
灌浆机是高度自动化设备，包括水泥、水、添加剂等按照一定的配比自动进料，搅拌，灌浆等几部分。搅拌好的水泥浆储存在搅拌器中，搅拌器的双层叶片不停的搅拌，防止在灌浆过程中水泥浆凝固，泥浆泵把搅拌器中的水泥浆压出灌浆机。系统的工艺流程如图l。

图1 系统工艺流程图

2 系统控制方案
水泥灌浆机自动控制系统由可编程控制器(西门子S7-300)、人机界面(HMI，西门子TP27-10)、料位传感器和称重传感器等几部分组成。控制系统框图见图2。

图2 系统控制框图

控制核心是西门子的S7-312CPU和数字量输入模块、模拟量输入模块以及数字量输出模块组成，并配有EEPROM存储卡使PLC程序可以掉电保护。完成开关量、模拟量输入、数据检测、逻辑运算和过程控制，实现水泥浆生产过程自动控制。所有的设备输入输出信号直接进入PLC，由PLC来进行控制。
2.1 控制内容
(1) 输入部分
l 四个水泥料位传感器;
l 混炼器排除阀的行程开关;
l 手动、自动操作切换开关;
l 9个电机的手动启动和停止按钮;
l 三套称重传感器输出信号4～20mA;
l 电极测量传感器输出信号(水罐、添加剂罐、搅拌器高低各两个);
l 测灯按钮;
l 其它输入信号等。
(2) 输出部分
l 9个电机的启动和停止指示灯;
l 9个电机的输出控制信号;
l 三个料斗的入料电磁阀，双动控制;
l 三个料斗的出料电磁阀;
l 添加剂排料槽控制;
l 混炼器的出料气动闸阀控制;
l 报警指示、警铃信号;
l 空气吹扫电磁阀;
l 水泥料斗振动器;
l 其它输出信号等。

2.2 人机界面
人机界面用带有RS-485通讯接口的西门子TP27-10触摸屏。HMI程序由运行监控、操作界面、参数设定、物料管理、及各种统计报表打印等模块组成。采用全部汉化用户界面。具有界面友好、操作简单、功能强大等特点。其中HMI主界面见图3。

图3 HMI主界面

通过运行监控界面用户可以在触摸屏屏幕上直观的看到现场的生产运行情况。把电器柜所有转换开关置为PLC，系统得电后，在界面上选择PLC自动，通过点击屏幕上的“启动”按纽来启动系统，进入自动运行。屏幕上将动态显示各料斗中的配料量和其他设备如:混炼器、搅拌器、电机、各阀门的运行情况。
(1) 操作界面:当选择PLC手动时，就可以在操作界面对系统中的各个设备进行单独控制，在检测、调试和紧急情况下使用。
(2) 参数设定:参数设定界面主要目的是方便对系统运行过程的一些重要参数进行修改。包括配料参数的设定，搅拌参数设定等。
(3) 物料管理:管理物料进料和进行物料用量统计。
(4) 统计报表打印:方便用户对运行过程中的归档数据，如生产记录、配料详细记录和物料消耗情况进行打印输出。
我们还充分利用西门子软件灵活多样、丰富的指令，设计出了模块化、结构化的程序，使得程序具有良好的可读性、可维护性。

3 物料传送控制
传动部分包括水平螺旋传送、垂直螺旋传送、缓冲罐、计量斗、混炼器、搅拌器和泥浆泵等组成。系统运行以后，水平螺旋和垂直螺旋将水泥传送到水泥缓冲罐，水泵将外界淡水送到水缓冲罐, 添加剂泵将各种添加剂传送到添加剂缓冲罐。PLC采集称重传感器数据，控制各缓冲罐出口阀做相应的动作。各计量斗秤值重量达到预先设定值，计量斗出口阀打开，在混炼器搅拌45s以后, 打开浆液阀，泥浆进入搅拌器。通过泥浆泵将泥浆输送到外界供现场使用。
为了使水泥在混炼器中搅拌均匀，减少灰尘，程序中设定水计量斗中的淡水排放完毕，然后打开水泥计量斗出口阀门。因为水泥是粉尘状颗粒，容易黏附在一起，因此，在水泥计量斗侧壁安装有振动器。

4 物料称重配料控制
该部份由称重传感器、电磁阀、料位传感器、行程开关等组成。输入量模块采集现场信号，传送到CPU模块进行计算处理，然后通过输出模块输出信号，控制现场各种开关、电磁阀和电机等。
根据原料配比不同，添加剂称重传感器最大量程150kg，水称重传感器量程3t，水泥称重传感器量程6t。称重传感器将配料重量转换成(4~20)mA的电流信号，经PLC的模拟量输入模块进行A／D转换后输送到CPU与预先给定的重量进行比较，CPU按照给定的控制规律进行计算，然后发出控制信号控制各种配料严格按比例送入混炼器中搅拌。
在称重配料的过程中，机械装置运行时的波动，比如气动电磁阀气缸的压力波动，造成给料装置的动作滞后:物料下落的冲击力;配料系统发出关闭信号后原料的过冲量(空中余量)，因物料料流的不稳定导致过冲量的随机变化(最为关键的因素)。这些因素造成了称重配料误差。
为了减小称重配料误差，系统把称重过程分为粗称和精称两个阶段。在缓冲罐出口安装两个气缸串联。在粗称阶段，缓冲罐出口的两个气缸全部打开，缩短给料时间。当给料量达到设定量的90％，进入精称阶段，此时，关闭90％的缓冲罐出口气缸，小量给料以提高称量精度。系统中的机械结构、称重传感器、模拟量输入模块等环节都存在一定的误差，最终反映为作用于传感器的实际值与触摸屏显示值之间的误差，这个差值我们称之为系统的非线性误差。这一误差可以通过函数校正的方式来消除。假设作用传感器的力为F(i)，对应的显示值为M(i)，由数组F(i)和M(i)的拟合，可以得到一个校正函数:F=f(m)
由于系统误差是各个环节共同作用的结果，因此校正函数一般有多个拐点，为了保证测量精度，本系统中采用分段最小二乘抛物线法来分别求出各段的拟合多项式:F=a+bm +cm2

5 结束语
该系统采用可靠性高、抗干扰能力强的可编程控制器和触摸屏，可以实现PLC自动/手动和手动三种配料功能。当自动系统有故障时，可切换至手动方式配料，继续生产水泥浆，保证用户生产的连续性，减少损失。触摸屏编程为图形化操作，可以动态显示当前配、卸料等生产状态，简单直观，操作方便。可以存储实时生产数据，读取历史数据，实现生产数据打印。二次计量进料方法，使整个自动化搅拌系统精度得到了提高。水泥搅拌自动控制系统的研制成功改变了以前依靠进口设备的状况，大大降低了生产费用、提高了生产效率和系统的可靠性。