基于S7-200脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)設(shè)計

王寧,丁冬梅

(1.中國石油大連潤滑油分公司，遼寧 大連 116032；2.中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

潤滑油作為我國支柱產(chǎn)業(yè)——煉化行業(yè)的一個分支，與汽車、機械、交通等行業(yè)的發(fā)展以及國家的宏觀經(jīng)濟形勢息息相關(guān)。潤滑油需求量快速增長對潤滑油的調(diào)合生產(chǎn)提出了更高要求。目前，潤滑油調(diào)合工藝主要有罐式攪拌調(diào)合和管道調(diào)合兩種基本形式。管道調(diào)合對各組分質(zhì)量要求苛刻、受油品黏度影響計量誤差較大、一次性投資高、場地要求高，且成品油儲罐中必須安裝攪拌設(shè)備[1]，適合于新建的潤滑油廠的小批量油品調(diào)合或大型煉廠的汽柴油的連續(xù)不間斷生產(chǎn)。罐式調(diào)合的特點是各組分能快速入罐且調(diào)合量大，便于大規(guī)模生產(chǎn)，投資較小，便于更新改造，適用于現(xiàn)已生產(chǎn)的潤滑油廠的大生產(chǎn)。我國大多數(shù)潤滑油廠基本是采用罐式調(diào)合工藝。罐式調(diào)合分為機械攪拌、泵全量循環(huán)和脈沖氣動攪拌三種方式。機械攪拌比泵全量循環(huán)攪拌節(jié)省電能，操作方便，容易實施，可多個調(diào)合罐同時進(jìn)行攪拌。缺點是存在安全隱患，密封易泄漏，容易造成對油品的“污染”，對環(huán)境的破壞[2]；需要經(jīng)常檢查攪拌電機軸承發(fā)熱、振動等情況，機械攪拌對油品的黏度存在剪切作用。泵全量循環(huán)攪拌方式時間長，能耗高，而且由于受機泵排量和管線的制約，循環(huán)時調(diào)合罐內(nèi)上層與下層不能夠形成渦流，起不到良好的混合作用，添加劑有一定程度的沉降且同品種不能同時循環(huán)攪拌多個罐[3]。以上兩種調(diào)合方式均存在攪拌“死角”，比較而言，脈沖氣動攪拌方式優(yōu)越性表現(xiàn)突出。本文立足實際自主設(shè)計的S7-200PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、功能強大、擴展性良好、人機交互界面友好可滿足脈沖氣動調(diào)合系統(tǒng)智能化、實時化和兼容性要求[4]。

1 脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)原理

脈沖氣動攪拌調(diào)合是利用精確的控制方式按程序設(shè)定好的脈沖周期、延時、動力和壓力等參數(shù)，通過中控制室的控制系統(tǒng)和安裝在調(diào)合罐內(nèi)的集氣盤，使以脈沖形式釋放的空氣迅速包圍集氣盤的四周，在集氣盤上形成橢圓形的大氣泡，并向液面上升。在上升過程中，大氣泡托起它上面承載的重組基礎(chǔ)油和添加劑向上運動，同時帶動周圍的組分上行[5]。氣泡在到達(dá)液面時自然爆破，巨大的爆破力將從罐底帶上來的組分推向四周，在重力作用下，較重的組分很快沿四周向下運動，并同時沖刷和刮掃罐壁。氣泡的這種運動很快形成了油品在整個調(diào)合罐內(nèi)自下而上、自上而下的垂直紊流循環(huán)運動。如此周而復(fù)始在調(diào)合罐內(nèi)形成紊流運動，應(yīng)用流體力學(xué)原理，使油品的各種組分在短時間內(nèi)被均勻地混合，完成油品的攪拌調(diào)合過程[6]。脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)一般由操作屏、控制系統(tǒng)、集氣盤、氣動三聯(lián)件、氣動執(zhí)行器、壓縮空氣管線等構(gòu)成。脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)罐內(nèi)油品的調(diào)合模擬如圖1所示，控制原理如圖2所示。

圖1 脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)罐內(nèi)油品調(diào)合模擬

圖2 脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)控制原理

2 脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文按照安全、可靠、性價比高和留有一定裕量的原則合理選擇的PLC單元模塊如表1所示，其中模擬量輸入為AI模塊，數(shù)字量輸入為DI模塊，數(shù)字量輸出為DO模塊,硬件設(shè)備如表2。根據(jù)脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)的控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括控制系統(tǒng)硬件選型、I/O端口的分配、主電氣回路和控制回路設(shè)計及流體學(xué)、動力學(xué)集氣盤設(shè)計。

表1 PLC單模塊選型

表2 觸摸屏及現(xiàn)場硬件設(shè)備

2.1 電氣主回路設(shè)計

脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)主回路如圖3所示，主要包括：斷路器、接觸器、浪涌保護(hù)器(SPD)、隔離變壓器、開關(guān)電源、中間繼電器、散熱風(fēng)扇、電源指示燈、報警燈以及PLC等。系統(tǒng)通過SA旋轉(zhuǎn)按鍵開關(guān)接通，KM接觸器吸合，主電路接通得電，電源指示燈亮。由于是交流單相供電，供電電壓為220 V，但系統(tǒng)的PLC輸入控制回路、觸摸屏、中間繼電器、電磁閥需要提供直流24 V電壓供電，因此需通過開關(guān)電源T1、T2提供24 V直流電源供電，為避免相互影響，T1開關(guān)電源僅供給PLC輸入控制回路，T1開關(guān)電源供給電磁閥、中間繼電器和觸摸屏。

圖3 系統(tǒng)主回路

2.2 控制回路設(shè)計

PLC電源管理由隔離變壓器后220 V交流和開關(guān)電源T2供電，壓力傳感器、溫度傳感器及輸出類元件的電源由開關(guān)電源T2提供。根據(jù)控制原理，合理的分配輸入輸出(I/O)點，如表3、表4所示，PLC主機控制回路接線如圖4所示，PLC數(shù)字量擴展模塊控制回路接線如圖5所示。控制回路由PLC主機、模擬量輸入模塊(AI)、數(shù)字量輸出模塊(DO)、中間繼電器(KA)、壓力開關(guān)(K)、壓力傳感器、溫度傳感器、電磁閥、氣動閥(KV)等組成。整個控制系統(tǒng)可依靠切換開關(guān)實現(xiàn)對脈沖調(diào)合系統(tǒng)的自動及手動控制，兩種控制方式互為備份，保障了控制系統(tǒng)的安全。

表3 模擬量、數(shù)字量輸入地址分配

表4 數(shù)字量輸出地址分配

表4(續(xù))

圖4 PLC主機接線

圖5 PLC數(shù)字量擴展模塊接線

2.3 集氣盤的設(shè)計

集氣盤的設(shè)計如圖6所示，在正中心有個排氣孔，壓縮空氣通過管道進(jìn)入，集氣盤通過三個支撐固定在罐底并與罐底保持一定的距離。為防止罐底攪拌時存在死角，在集氣盤上增加三條導(dǎo)流槽，壓縮空氣按切線方向噴出產(chǎn)生噴射渦旋，與氣體上升作用相結(jié)合，使攪拌調(diào)合效果更強烈。

圖6 集氣盤在罐中的安裝位置及結(jié)構(gòu)

3 脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

剖析脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境、控制精度和工藝需求，設(shè)計機電一體化的控制系統(tǒng)框圖,如圖7所示。根據(jù)系統(tǒng)框圖設(shè)計控制流程如圖8所示，脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)主程序如圖9所示，主程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)基本控制，并無條件調(diào)用SBR_0、SBR_1、SBR_2、SBR_3、SBR_4各功能子程序，系統(tǒng)運行完畢后，顯示完成標(biāo)志。

圖7 脈沖氣動攪拌調(diào)合控制系統(tǒng)

圖8 系統(tǒng)控制流程

圖9 調(diào)合系統(tǒng)主程序

3.2 觸摸屏程序設(shè)計

借助Kinco HMIware_v2.5畫面組態(tài)軟件設(shè)計“脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)文件”，然后通過筆記本電腦與步科M4512T觸摸屏串行通訊接口RS485，將編制完成的“文件”下載至步科800 MHz RISC處理器中運行。本控制系統(tǒng)組態(tài)軟件采用模塊化設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與運行畫面如圖11所示，全面地顯示系統(tǒng)攪拌周期、攪拌動力、攪拌時間、倒計時、系統(tǒng)啟動、停止、油罐啟動閥的狀態(tài)、報警復(fù)位以及調(diào)合是否完成標(biāo)志等。

圖10 脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)組態(tài)

圖11 參數(shù)設(shè)置與運行畫面

4 結(jié)論

脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)設(shè)計完成后，安裝在某潤滑油廠油罐上，經(jīng)過調(diào)合油品試驗，達(dá)到設(shè)計要求，提高了油品的一次調(diào)合調(diào)成率，節(jié)約了電能，提高了石化罐區(qū)現(xiàn)場的安全性，企業(yè)經(jīng)濟效益顯著，應(yīng)用廣泛。具體優(yōu)點如下：

(1)提高了油品一次調(diào)合合格率。表5為2015年某潤滑油廠未安裝脈沖調(diào)合系統(tǒng)12個月的一次調(diào)合合格率(簡稱一次調(diào)成率)和2016年采用脈沖調(diào)合系統(tǒng)12個月的一次調(diào)成率對比，通過對比，一次調(diào)成率提高近8%，效果明顯。其中采用脈沖調(diào)合系統(tǒng)有2罐次不合格是因為基礎(chǔ)油和添加劑原材料因素引起的，與脈沖調(diào)合無關(guān)。

表5 一次調(diào)成率對比

(2)提高了調(diào)合油品的質(zhì)量指標(biāo)且可根據(jù)溫度和風(fēng)壓的變化進(jìn)行跟蹤補償，提高了油品調(diào)合的精確度。經(jīng)調(diào)合測試，油品外觀正常，上中下黏度均勻，無分層現(xiàn)象，油品全分析指標(biāo)全部符合要求。由表6、表7可得，相對誤差最大為0.53%，最小為0，滿足調(diào)合罐內(nèi)不同液位黏度相對誤差不大于1%的要求。

表6 車用潤滑油運動黏度測定結(jié)果

表7 工業(yè)潤滑油運動黏度測定結(jié)果

(3)本系統(tǒng)大大降低了能耗，為企業(yè)節(jié)能減排、提高效益提供了技術(shù)基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)調(diào)合系統(tǒng)相比節(jié)省能耗95%以上。

(4)本系統(tǒng)對控制器PLC、電纜、電源及電路均采用了抗干擾技術(shù)，通過現(xiàn)場控制箱中的電磁閥和執(zhí)行器氣動閥來控制整個調(diào)合過程，可有效地防止電器火災(zāi)隱患，系統(tǒng)運行的可靠性高，能滿足石化惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，實現(xiàn)了本質(zhì)安全。

(5)設(shè)計出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的脈沖氣動調(diào)合程序和觸摸屏程序，方便企業(yè)應(yīng)用，技術(shù)上不受制于人。直接引進(jìn)國內(nèi)廠家脈沖氣動攪拌調(diào)合系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)的成套設(shè)備，資金最少65萬，成本過高且有些功能并不實用，而本文所設(shè)計的系統(tǒng)一個罐區(qū)按20具油罐算也僅需資金15萬即可安裝投產(chǎn)，節(jié)省成本50多萬。

(6)本系統(tǒng)組態(tài)靈活，可單罐、多罐、成套罐區(qū)應(yīng)用，擴展性能優(yōu)良，將油罐溫度、液位、質(zhì)量等動態(tài)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行整合數(shù)據(jù)總線上傳，方便地擴展組成DCS控制系統(tǒng)。工業(yè)應(yīng)用廣泛，不僅僅是煉油行業(yè)，釀酒、化工、制藥、水污染處理等需混合攪拌的生產(chǎn)均可應(yīng)用。