（机械设计及理论专业论文）ygb1404型油隔离泵补油系统的自动化研究.pdf

硕十学何论文 摘要 从上世纪6 0 年代以来，随着料浆输送设备的迅速发展，往复式活塞油隔离泵 在矿山、电站、冶金、石油及化工等各个行业得到了越来越普遍的应用。目前油 隔离泵补油系统的控制方式均采用手动控制，该方式控制精度低，工作可靠性差， 故障率高，工人劳动强度大。本课题针对现在国内的现状，对油隔离泵控制系统 进行研究，剖析了油隔离泵在使用过程中不能正常补油的弊端，实现了油隔离泵 补油系统的自动化控制。 本文对油隔离泵控制系统原理进行了探讨，采用p l c 取代传统的人工手动控 制。目前，在工控领域p l c 控制和上位机组态应用及其通讯是比较成熟的技术， 随着可编程序控制器( p l c ) 技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛的 工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，p l c 在工业自动控制过程中得到了越来 越广泛的应用。对p l c 控制系统的设计方法和提高系统可靠性的基本措施的应用研 究作了尝试，研究了p l c 控制系统硬件、软件的设计方法，利用p l c 控制技术以及 组态技术，对整个油隔离泵控制系统进行了设计。对工业以太网进行了探讨研究， 利用工业以太网实现上位机与下位机的通讯；对油隔离泵进行p l c 和组态实时监 控系统的选型和设计，并对其一些关键技术进行了分析和研究。本文给出了目前 企业常用的y g b 一1 4 0 4 型油隔离泵工作流程图、自动控制系统硬件配置及其软件流 程图。完成了对该油隔离泵的自动控制系统的调试。 通过对油隔离泵补油系统的研究，表明该控制系统具有控制质量高、性能稳 定等优点，满足了设计要求，该系统为同类油隔离泵补油控制系统的优化设计提 供了理论依据和重要参考。 关键词：油隔离泵；控制系统；p l c ；组态软件；补油系统 y g b l 4 0 4 型油隔离泵补油拧制系统的自动化研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a t e r i e lp l a s mt r a n s p o r t a t i o n e q u i p m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fo i li s o l a t i o np u m pb e c o m em o r ea n dm o r ew i d e l y u s e d i nt h ed i f f - e r e n tk i n d so ff i e l d ss u c ha sm i n e ，p o w e rs t a t i o na n dp e t r o l e u me t c t h eo i i c o n t r o l l e rs y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tk e yt ot h eo i li s o l a t i o np u m p ，w h o s ep r e c i s e ， s m a r ta n ds t a b l ew o r ks t a t u sd i r e c t l ye f 佗c t st h el i f eo fp i s t o n s ，e v e nt h ew h o l er e s u l t o ft h eo i li s o l a t i o np u m p t h ec o n t r o ls y s t e mo fo i li s o l a t i o np u m pu s e sm a n u a lc o n t r o l ， t h el o wc o n t r o lp r e c i s i o n ，t h e p o o rr e l i a b i l i t yw o r k ， f a i l u r e r a t e ， w o r k e r si n l a b o r i n t e n s i v e ，s oi tb r i n g so nh i g hf a i l u r ea n di n c o n v e n i e n c ef 1 0 rm a i n t e n a n c e t h e t o p i cf o rt h ec u r r e n ts t a t u so fd o m e s t i cr e s e a r c ha n dt h ei s o l a t i o no ft h eo i lp u m p c o n t r o ls y s t e ms t u d i e s ，t a k ea p a r tt h ea b u s eo fi t sa b n o r m a lw o r k ； t h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mh a sl a i dat h e o r e t i c a lb a s i sf o ro i li s o l a t i o np u m p t h i ss y s t e mn o to n l y c a ni m p r o v ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y ，b u ta l s oc a nd e d u c et h ef r e q u e n tf - a i l u r e ，s a v e t h em a i n t e n a n c ec o s t ，d e c r e a s et h el a b o ri n t e n t i o na n dc o s te t c w en e e dt oa c c o r d i n g a st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eb a s e do nc o n t r o l l e rs y s t e ms ot h a tw ec a nr e a l i z et h ep r e c i s e c o n t r o l ，e n h a n c ei t se 筒c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fi t sc o n t r o l s y s t e mp l a y sah i g h l yi m p o n a n tr 0 1 ei nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h isp a p e rm a k e sad e e pa n a l y s i so nt h et h e o r yo fc o n t r o ls y s t e m ，a d o p t i n gp l c t or e p l a c em a n u a lc o n t r 0 1 r e c e n t l y ，i nt h e 矗e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，p l cc o n t r o l ， a p p l i c a t i o na n dc o n l m u n i c a t i o ni nu p p e rc o n l p u t e rc o n f i g u r a t i o nb e c o m e sap o p u l a r t e c h n i q u e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp l ct e c h n i q u e ，i nv i r t u eo fi t sh i g hr e l i a b i l i t y ， a d v a n c e p e r f b r m a n c e ， e x t e n s i v e n e x i b i l i t y i ni n d u s t r i a lf i e l da n dc o n v e n i e n t p e r f o r m a n c ei ne x t e n d e dt e c h n i c s ，p l cm a k e s am o r ea n d m o r ee x t e n s i v eu s ei nt h e p r o c e s so fi n d u s t r i a la u t o m a t i o nc o n t r 0 1 r e g a r d i n gt h eg e n e r a l d e s i g nm e t h o do fp l cc o n t r o ls y s t e m ，b a s i cm e a s u r e a p p l i c a t i o ni ns y s t e mr e l i a b i “t y ，w eh i g h l yd i s c u s sd e s i g nm e t h o do nh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fp l cc o n t r o ls y s t e m w i t ht h et e c h n i q u eo fp l ca n dc o n n g u r a t i o n ，i tc a n a u t o m a t i c a l l yd e s i g nf o rt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m t h r o u g ht h ec h o i c ea n dd e s i g no fp l cc o n t r o la n dc o n n g u r a t i o nd u r i n gt h e p r o c e s so fo i li s o l a t i o np u m po p e r a t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h es p e c i f i c q u e s t i o n ，d r a f t i n gt h er e l a t i v ew o r k i n gf l o wc h a r tf o ro i li s o l a t i o np u m p ，h a r d w a r e c o n n g u r a t i o nf o ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，a sw e l la ss o f t w a r en o w c h a n m o r e o v e r ， i ta l s of i n i s h e st h ed e b u gi na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m t bs u mu p ，t h eo i li s o l a t i o n n 硕+ 学何论文 p u m pc o n t r o l i e db yp l c ，o w n sah i g hq u a l i t ya n ds t a b l ep e r f o r m a n c e ，c o m p l e t e l y s a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t m o r e o v e r ，i tc a nb et a k e na ne x a m p l eo fd e s i g n i n gi n t h es i m i l a ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fo i li s o l a t i o np u m p k e y w o r d s ：o i li s o l a t i o np u m p ；c o n t r o ls y s t e m ；p l c ； c o n n g u r a t i o ns o f t w a r e f i l lo i l s y s t e m i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：巷万耙 日期：如7 年乡月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 锄凇 6 月 日 月多一 日 年年 a， 加 炒 期期日日 硕十学何论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 油隔离泵是国外上世纪六七十年代在泥浆泵的基础上开发的一种新型机电一 体化产品，是在往复式柱塞泵的基础上增加隔离罐演变而来的。油隔离泵综合了 活塞泵输出压力高、坚固耐用和结构简单等优点，又克服了活塞泵密封件易磨损 和隔离罐本身无动力源的不足，很快被人们接受，并在欧美工业发达国家进行工 业化研制。二十世纪七十年代末，发达国家创立了一套先进完善的隔离室的设计 理论、控制方法产生了突破性的进展，使隔离泵的连续运转率达到6 5 8 5 ，运 行成本降低为活塞泵的1 6 ，使得隔离泵在工业领域得到广泛应用。 目前，虽然往复隔离泵的产量只占整个泵类总产量的一部分，但是往复隔离 泵的某些特点仍然是其它泵类所不及的，因而它的应用从来不曾被其他泵类所取 代。往复泵的突出优点有：可获得很高的排压，且流量与压力无关，适应输送介 质十分广泛，吸入性能好、效率高，泵的性能不随压力和输送介质粘度的变动而 改变。在世界能源紧缺的形势下，往复泵作为节能产品在石油开发、管道输煤、 煤气化工、矿山开采等方面都起着至关重要的作用，且在压力容器检测和实现现 代化石油化工工业全面自动化运作等方面也是不可或缺的产品。 往复式油隔离泵最适合于高扬程和低流量的场合，其功率范围在l o 一1 0 3 k w ， 隔离泵的可靠性已在输送各种浆体的过程中得到证实。隔离泵易损件少，特别适 用于管道化输送有磨蚀性和高粘度悬浮物的液体。这种固体水力管道运输具有高 效、安全、简单和污染环境小的特点，在矿山、冶金、电站、石油、化工等行业 有着广阔的使用前景，因此世界各国都在积极推广应用，且被广泛地用于矿山筛 选、冶金烧结尾矿和污水处理中污泥的输送，尤其是长距离高扬程的输送；食 品喷雾干燥、电力、化工、建材企业中高磨蚀性液固两相浆料( 水煤浆) 的高扬 程输送。但在使用过程中，往复式隔离泵的活塞杆密封件和活塞组件因其补油不 及时易损坏，对其状态监测与故障诊断的研究目前还处于起步阶段，因此开展该 方面的研究具有重要的理论和实际意义。 油隔离泵做为上世纪从国外引进的机电一体化产品，其特点如下： ( 1 ) 由其工作原理，机器的易损件部件基本处于清洁的推进介质中工作，大大 提高易损件的寿命。( 2 ) 结构紧凑、工作状态平稳，操作简便灵活，整机集电、液 于一体的机电产品。( 3 ) 隔离泵活塞直径大、冲程长、冲数低、特别适用于管道化 输送有腐蚀性和带高磨砺性含量悬浮固体颗粒的料浆。( 4 ) 隔离泵是管道化输送具 y g b l 4 0 4 利油隔离泵补油摔制系统的自动化研究 有高效、安全、简单、污染环境小等优点。( 5 ) 泵机组根据生产工况，可采用交流 或直流拖动式，并于电控系统相互联锁，信号传递准确无误。 隔离泵属容积式泵，应用于输送高温，高腐蚀固液两相介质的黑色、有色、 化工、建材、煤炭和电力等行业内的各类工艺系统。该类泵涉及机械、电子、液 压、橡胶和化工等多学科技术，技术复杂程度高。它是国内外泵业技术难度较大、 产品附加值最高的泵类产品之一。随着国民经济的快速发展，近几十年对隔离泵 需求越来越大，该产品的市场容量大，前景好。隔离泵要是能够在有关行业得到 推广应用，它的经济效益和社会效益将会很显著。 随着知识经济发展时代的来临，企业面临着市场竞争国际化的趋势，且产品 结构调整、产品技术优势以及产品销售市场占有量成为现代工业企业运行的重大 课题，油隔离泵产品作为国家重大工程项目以及国产化关键设备，如何加大其产 品技术创新力度，推动产品更新换代，提高企业经济效益，长期以来己成为容积 泵行业不断探索的重要研究方向。 随着流程工业技术发展以及环境保护标准的提高，用户对工业泵性能要求更 加苛刻，主要表现为： 1 油隔离泵的控制要求除泵的启停和隔离罐的排液进液以外，还包括隔离罐 的液位检测及控制、流量累计与显示、补油的预报警和补油事故报警。补油不及 时，可能将活塞部件组破坏。因此，对油隔离泵补油工作状态和油液在隔离罐中 位置的监测特别重要。由于目前油隔离泵采用的是人工看守操作，劳动强度大， 本课题针对此情况，对补油系统进行了自动化改造，选用国内外比较先进的p l c ( 可编程程序控制器) 来控制。 2 本文拟采用组态软件与p l c 组合控制，对油隔离泵的油位进行监视、控 制和模拟控制。 3 对油隔离泵补油系统的精确控制直接影响油隔离泵的使用寿命，并且有较 高的经济和社会效益，因此选用先进的控制技术是科技发展的趋势。选用p l c 进 行控制是一种先进的控制方法，从而提高了油隔离泵的使用寿命，保证了油隔离 泵的正常运行。 1 2 研究目的和意义 研究的目的：通过分析油隔离泵的工作原理，采用p l c 来对油隔离泵进行控 制，使补油系统达到了自动化，减少故障发生率，从而使油隔离泵提高自动化程 度，降低维修成本，提高易损件的使用寿命，并利用组态软件实施模拟仿真。 研究的意义：目前，各行业正在使用的油隔离泵都是手动进行补油，因而保 证油隔离泵补油及时是企业正常的运行工作的一个重要环节，补油回路能否及时 可靠的工作也就决定了油隔离泵的寿命。因而对油隔离泵补油系统进行自动化的 硕十学何论文 研究控制是十分必要的。 随着知识经济发展时代的来临，企业面临着市场竞争国际化的趋势，且产品 结构调整、产品技术优势以及产品销售市场占有量成为现代企业运行的重大课题。 油隔离泵作为国家重大项目和关键设备，如何加大其产品技术创新力度、推动产 品更新换代、提高企业经济效益，长期以来已成为容积泵行业不断探索的重要研 究方向。 主要有以下三个方面影响油隔离泵的寿命： 1 活塞皮碗及缸体 由于是人工操作，往往工人由于粗心或其他原因，给隔离罐补油不太及时， 这会造成活塞缸里有浆体进入，对活塞缸造成损伤。 2 油隔离泵阀箱密封性 阀箱的密封性不能在长时间内保持良好，主要原因是阀座和阀箱本体之间易 被矿浆冲刷，使0 型密封圈沟槽扩大。 3 补油系统 要提高油隔离泵的使用寿命，最主要的使油隔离补油系统能够及时有效。因 而补油控制系统是油隔离泵的主要技术，它能否准确、灵敏、可靠的工作直接影 响油缸的使用寿命，乃至影响整个油隔离泵的使用寿命。 1 3 国内外研究现状 ( 1 ) 在国际上，早在上世纪6 0 年代油隔离泵就被日本株式会社，三菱公司 等相继研制成功，油隔离泵由于能够远距离的传送浆体，并相继应用到冶金、化 工、采矿、轻工、电力和建筑等部门，在经济上取得了显著的效果。补油人工操 作和零件的损耗量大的问题在国外设备生产上也是存在的。 ( 2 ) 国内在8 0 年代开始设计制造油隔离泵，国内比较大的生产油隔离泵的 公司有本溪泵业、烟台弘扬等。在制造工艺和结构方面有很大的进展，但是在控 制自动化方面还有很大的不足如油隔离泵输送矿浆，油料的补充必须在停泵状态 人工操作完成，很难将油和料浆界面控制在合适位置。 ( 3 ) 纵观国内油隔离泵在冶金、化工、采矿、电力和建筑等部门的使用情况， 有很多技术改进。但对油隔离泵的补油自动化的研究，还需更深入的探讨，尤其 是如何探测油的界面的矿浆界面。选用的传感器件的灵敏程度，电磁控制阀的动 作响应等等都会直接影响补油系统得可靠性。 y g b l 4 0 4 型油隔离泵补油控制系统的自动化研究 1 4 可编程控制器的发展历程简介 1 4 1p l c 发展历程及现状 可编程序控制器的英文为p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，在二十世纪七十至八 十年代一直简称为p c 。由于到9 0 年代，个人计算机发展起来，也简称为p c ；加 之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国a b 公司首次将可编程序控制器定 名为可编程序逻辑控制器( p l c ，p r o g r a 咖a b l el o g i cc o n t r 0 1 1 e r ) ，为了方便， 仍简称p l c 为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为p c s 可编 程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。 1 9 8 5 年1 月，国际电工委员会 ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n 简称 i e c ) 在颁布可编程控制器标准草案第二稿时，又对p l c 作了明确定义：“可编程 控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用 可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和 算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出接口，控制各种类型 的机器设备或生产过程【2 】。 长期以来，p l c 在工业自动化控制领域占据重要的位置，主要原因在于它能 够为自动控制的应用提供安全可靠和比较完善的解决方案。另一方面，p l c 还必 须依靠其它新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业p c 所带 来的冲击。p l c 需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和性价比。 p l c 的生产厂家很多，每个厂家生产的p l c ，其点数、容量、功能各有差异， 但都自成系列，指令及外设向上兼容，因此在选择p l c 时若选择同一系列的产品， 才可以使系列构成容易、操作人员使用方便、备品配件的通用性及兼容性好。比 较有代表性的有：三菱公司的f 系列，美国通用电气公司的g e 系列，美国a b 公司的p l c 5 系列，德国西门子( s i m e n s ) 公司的s 5 系列、s 7 系列等【3 】。 近年来西门子公司的小型p l c 在国内市场的占有率迅速上升，企图抢占日本 公司的产品市场。西门子公司的p l c 在我国应用得十分普遍，尤其是大、中型 p l c 。由于其可靠性高，在自动化控制领域中久负盛名。西门子的产品目前较先 进的共有s 7 ，m 7 及c 7 三个系列。s 7 系列p l c 是西门子公司于19 9 7 年推出的 新产品，也是目前应用最多的机型，代表了西门子公司p l c 产品的发展方向。s 7 系列的可编程控制器根据控制系统规模的不同，分为三个子系列：s 7 2 0 0 ，s 7 3 0 0 ， s 7 4 0 0 ，分别对应小型、中型、大型p l c 。s 7 2 0 0 适用于在低档性能范围中解决 自动化问题，它结构紧凑，价格低。它主要可以分为：高速s 7 2 0 0 微型p l c ，全 能s 7 2 0 0 微型p l c ，有c p u 2 2 l ，c p u 2 2 2 ，c p u 2 2 4 ，c p u 2 2 6 和c p u 2 2 6 x m 等 多种c p u 单元模块可供选择。s i m a t i cs 7 3 0 0 系列用于快速要求的自动化行业， 属于小型模块化p l c ，具有不同的通信接口1 4 1 。 硕十学何论文 近年来，p l c 厂家在原来c p u 模板上提供物理层r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口的基础， 逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发 展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展，所 以p l c 构成的p c s 系统比d c s 的开放性所处的现状稍好一些。目前罗克韦尔a b 公司已形成了多层结构体系，即e t h e rn e t 、c o n t r 0 1n e t 、d e v i c en e t 及a s i 等现场总线( 原d h + 网也可兼容) 。西门子公司在p r o f i b u s d p 通讯网络及 p r o f i b u s f m s 网络以夕 ，提出了s 7r o u t i n g 网络，虽pp r o f i b u s d p 和i n d u s t r i a l e n t e r n e t 两层结构。网络还在发展，我国也已积极的姿态投入其中。 1 4 2p l c 的功能应用 可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应按易于与工业控制系统连成一 个整体和具有扩充功能【5 1 。目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、 电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业， 使用情况大致可归纳为如下几类： ( 一) 、集中式控制系统 集中式控制系统是用一个p l c 控制一台或多个被控设备。主要用于输入、输 出点数较少，各被控设备所处的位置比较近，且相互间的动作有一定联系的场合。 其特点是控制结构简单，如图1 1 所示。 图1 1 集中式控制系统 ( 二) 、远程式控制系统 远程式控制系统是指控制单元远离控制现场，p l c 通过通信电缆与被控设备 进行信息传递。该系统一般用于被控设备十分分散，或工作环境比较恶劣的场合。 其特点是需要采用远程通信模块，提高了系统的成本和复杂性，如图1 2 所示。 图1 2 远程式控制系统 y g b l 4 0 4 型油隔离泵补油控制系统的自动化研究 ( 三) 分布式控制系统 分布式控制系统即采用几台小型p l c 分别独立控制某些被控设备，然后再用 通信线将几台p l c 连接起来，并用上位机进行管理，如图1 3 所示。该系统多用 于有多台被控设备的大型控制系统，其各被控设备之间有数据信息传送的场合。 其特点是系统灵活性强、控制范围大，但需要增加用于通信的硬件和软件，系统 的复杂性也更大h8 1 。 图1 3 分布式控制系统 1 4 3 未来p l c 发展趋势 p l c 的发展是要配合控制技术和计算机的发展。目前而言：高速处理数据、 大存储容量是p l c 厂商关注的一个方面。同时增加更为丰富的模块技术，比如数 控模块、语音处理模块等等，模块自身带有c p u ，在工作中可以与主c p u 并行 工作，有利于p l c 扫描速度的提高。由于p l c 厂商不同，各个公司的p l c 通信 联网兼容功能不强，仅仅能够依靠总线方式连接，单纯技术角度而言，p l c 实现 软、硬件标准化、通用化、开放型是一条可行的道路。随着可编程序控制器应用 领域的不断扩大，它本身也在不断向两个主要趋势发展： 其一是向小型化方向发展，体积更小、速度更快、功能更强和价格更低。 其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。 1 5 组态软件的应用 计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结 构，构成了一个分布式的工业网络控制系统。其中设备层负责将物理信号转换成 数字或标准的模拟信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制，监控层 通过对多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的，管理层实现 对生产数据进行管理、统计和查询。监控组态软件一般是位于监控层的专用软件， 负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组成部分。 硕十学位论文 监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特 点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良 好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行 简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动 化工程师的系统集成的时间，大大地提高了集成效率。 监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外 各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系 统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理 层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行集成。 应用范围广泛，可用于开发石油、化工、半导体、汽车、电力、机械、冶金、交 通楼宇自动化、食品、医药、环保等多个行业和领域的工业自动化、过程控制、 管理监测、工业现场监视、远程监视远程诊断、企业管理资源计划等系统。 组态监控软件是以计算机为基本工具，为实施数据采集、过程监控、生产控 制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统。 1 6 主要研究内容 本课题以目前企业常用的y g b 1 4 0 4 型的油隔离泵泵为研究对象，介绍了该油 隔离泵的运行原理，并针对原有机械拖动系统和手动补油系统进行了改进，同时 增加了p l c 控制，应用了用组态软件对其控制系统进行实时监控。主要研究内容 如下： 1 y g b 1 4 0 4 型油隔离泵的结构及工作原理 电动机的转动经过皮带和变速箱减速后，传至偏心轴，连杆，十字头机构，带动 活塞作往复运动。如图1 4 所示，当活塞向左移动时，活塞左侧活塞缸的空间增大， 与左侧相连的隔离罐上部的透平油被吸入活塞缸内，同时流体( 灰浆) 经入口阀 箱，z 形管，从隔离罐的下部进入。这时隔离罐内的油水界面上移，完成了吸入行程 当活塞向左移动时，油被压回油隔离罐，由于隔离罐体上的各阀门已关闭，迫使油 水界面下移，把流体( 灰浆) 从隔离罐压出，并经z 形管，出口阀箱，空气室输送到出 口管路中去至此活塞的左侧完成了一个吸入，排出的过程。同时活塞的右侧，通过 与其连接的另一隔离罐和另一组阀箱，完成了一个排出，吸入的过程。活塞不断地 往复运动，流体( 灰浆) 不断由入口管吸入，由出口管排出达到”连续”输送流体( 灰 浆) 的目的。在运行中，油隔离罐中的油有一定的正常损耗，必须进行必要的补充。 在罐的左侧壁上，装有三个取样阀，工人可随时检测油隔离罐中料浆与油隔离面的 高度。要实现补油系统自动化也必须通过传感元件检测其混合面的高度。 y g b l 4 0 4 型油隔离泵补油控制系统的自动化研究 图1 4 油隔离泵运动示意简图 2 补油控制系统的方案实现 经过查阅技术文献资料，补油控制系统可由液压元件和传感器件组成检测和 执行动作，即将加油阀、排气阀、换油阀换成专用两位两通电磁阀，在隔离罐的 顶部接一块电解压力表，并且在混合界面观察处和油观察阀处装上超声波传感器， 通过监测实验得到需加油时罐内的最高压力和罐加油到合适位置时的最低压力。 这时将电接点表的最高压力和最低压力调整为实验值。在罐内压力达到实验的最 高值时，如果此时加油阀处的超声波传感器被料浆断开，这时由于罐内上部与外 界大气相通，压力将立即低于电接点表的调定的最低压力，程序中此信号将不被 采纳，过10 秒以后打开加油电磁阀，当加油加至混合观察处的超声波传感器闭合 时，电接点表将信号传给p l c ，p l c 控制先关闭加油电磁阀，1 0 秒以后关闭排气 电磁阀。此后在隔离泵往复的进行输送矿浆过程中，由于罐内油液的损失使矿浆 内夹杂的气体被释放到罐内，隔离罐内的压力也会随之增大，当压力到达最高设 定值且加油阀处传感器被断开，电接点表将信号和加油阀处超声传感器信号传给 p l c ，完成排气补油的过程。 3 用p l c 来实现对油隔离泵控制。 4 用组态软件来对油隔离泵进行监控。 硕十学何论文 第2 章y g b 一14 0 4 型油隔离泵结构及控制系统 本章将详细介绍y g b 1 4 0 4 型油隔离泵结构和系统原理，为进行控制系统的 研究提供了理论依据。 2 1 油隔离泵的结构原理 油隔离泵主要由动力端和液力端两部分组成。研究油隔离泵的结构原理对认 识和了解油隔离泵补油的控制系统是非常必要的。油隔离泵结构原理图【9 1 如图2 1 所示。 图2 1 油隔离泵结构图 1 一压力表：2 一排出空气室；3 一排料管；4 一进料管；5 一阀箱；6 一吸入阀：7 一乙形管；8 一弯管；9 一 排污帽；1 0 一灰浆：1 l 一油隔离罐：1 2 ，1 6 ，2 2 一放油阀；1 3 活塞缸；1 4 一活塞；1 5 一机架：1 7 一油标 1 8 一动力端：1 9 一空气帽；2 0 一填料油盅；2 l 一油箱；2 3 一给油阀；2 4 一排气阀；2 5 一油：2 6 一油观察阀 2 7 一混合界面观察阀：2 8 一灰浆观察阀；2 9 一供水阀；3 0 一排气阀；3 l 一安全阀 图2 1 中，油隔离泵通常分为两大部分，即机械和液力传动部分： 前者包括 电动机、三角皮带减速箱和机架等。后者包括活塞缸( 油缸) 、油隔离缸、油箱、 阀箱、乙形管，空气室和进出口管等，见图2 1 。它有3 个过程分别为：( 1 ) 传 动过程：由电动机，经三角皮带传至齿轮减速箱，该减速箱的小齿轮把动力传递 给轴偏心大齿轮( 相当于曲柄) ，带动连杆，这一曲柄连杆机构使活塞在油缸中产 生往复直线运动。( 2 ) 吸入过程：当活塞从油缸左死点向右移动时，把隔离缸中 的油吸入油缸，同时料浆从进料管经阀箱中的吸入阀、乙形管，被吸到隔离缸的 下部，使缸内的油一料浆界面上移( 其容积等于油缸吸入腔的有效容积) 。当活塞 运动到达右死点时，完成吸入过程。( 3 ) 排出过程：当活塞自右向左移动时，活塞 把油缸中的油罐回到隔离缸内，将料浆从隔离缸中压出，经乙形管和阀箱中的排 出阀，从排出空气室出口输送到排出管路中去，至此完成一个工作循环。为了在 y g b l 4 0 4 犁油隔离泵补油控制系统的自动化研究 缸径和冲击次数相同的情况下，增加泵的排出量，在一个活塞上设置了两组密封 圈。当活塞从左向右移动时，左缸吸油，右缸排油；当活塞从右向左移动时，右 缸吸油，左缸排油。这样，活塞一个工作循环( 往复一次) 吸两次油，排两次油， 正反行程均为工作行程。为了进一步增大泵的排出流量，这种泵可有两个活塞同 时工作，即减速机有两个连杆，同时带动两个活塞作住复运动吸油排油【1 儿1 0 】。 油隔离缸：油隔离泥浆泵与一般活塞泵不同的是增设了油隔离缸，把料浆与活塞 分开了，使料浆不能进入油缸。油缸内的工作介质是油。油缸内的运动零件在油 中工作，保证了良好的润滑与冷却，因而延长了易损件的寿命。排出空气室( 简 称空气室) ：由于泵是通过曲柄连杆机构将回转运动转化为往复运动，所以，活 塞往复运动的速度不均匀，这就决定了泵的瞬时流量和瞬时排出压力是在不断变 化的( 按正弦曲线变化) 。因为泵的瞬对流量波动，瞬时压力也随之波动。这种波 动往往引起泵的吸入性能降低，恶化原动机的工作条件，造成泵和管道振动。为 了改善这种状况，在泵的排出口设置空气室作为稳压器使用。空气室的稳压原理 是：当活塞的排出流量增大时，空气室内的空气被压缩，将超出平均流量的一部 分液体暂时留在空气室内，当活塞排出流量减小时，空气室的空气膨胀，将暂存 的液体排入排出管路中，使泵的瞬时流量波动值减小，泵的排出流量和压力趋向 均匀。 y g b 1 4 0 4 型油隔离泵的主要参数如表2 1 所示： 表2 1 隔离泵动力端主要参数表 泵型式卧式双缸双作用油隔离泵 流量 1 4 0 m 3 h 工作压力4 m p a 最大缸套直径 2 4 6 m m 最高冲次4 0 m i n 一1 活塞冲程6 1 0 m m 2 2 油隔离泵的补油系统 油隔离泵补油系统的组成包括油罐、油箱、供油阀和补油阀等几大部分组成。 其简图如图2 2 所示。 硕十学位论文 图2 2 油隔离泵补油系统简图 l 一油罐2 一活塞3 一油箱4 一供油阀5 一排油阀6 一乙型管 油罐是借助于比重差将油和灰浆分离开的分离器。油在油罐的上部，灰浆在 油罐的下部。为了观察油和灰浆的界面，设有三个观察阀，即油面观察阀、油和 灰浆混合观察阀、灰浆观察阀。通过观察这三个阀的液位的情况，来确定泵的运 行是否需要进行补油操作。本课题即针对此情况在三个阀的位置进行加装传感器， 用来检测三个液面的透明度，从而判断出是否需要进行补油操作。为了增强油隔 离泵运行的可靠性，将其偏心轮轴曲柄连杆机构的润滑、冲洗及工作压力、油液 位置的检测及流量调整的控制由p l c 及变频调速装置来完成，并通过人机对话实 现油隔离泵的自动控制。 由以上油隔离泵的结构原理可知，油隔离泵的可靠性、安全性和经济性已经 日趋成熟，在正常工作环境下，油隔离泵能够顺利工作，其可靠性高、且无泄露 产生、使用寿命长，未来的发展趋向定位于核心技术的不断改进和整体制造工艺 的完善【1 1 】。本课题所研究的就是油隔离泵的自动化控制技术。 2 3 油隔离泵控制系统原理 用于矿浆输送的油隔离泵，其控制系统多采用人工目测控制，但对泵工作中的 位置、控点、时间变化等控制一直不够理想，本文采用可编程控制器对其进行控制， 极大地改善了其控制功能。控制系统原理图如图2 3 所示。 油隔离泵p l c 控制系统原理为：由于隔离罐中油位检测控制信号传送至p l c ， 以及p l c 发出指令的执行情况直接关系到电磁控制阀的开启准确度，关系到补油 系统能否正常运行，因而至关重要。其控制的原理如图2 3 所示。在活塞向右运动 时，隔离罐中矿浆被吸入，混合界面向上提升。当活塞运动到最右端时，混合界 面达到最高。在油液充足时，混合界面应该在最上端检测元件的下面，此时检测 元件不闭合，不给可编程控制器加油信号。如果油液损失过多，这时混合界面将 y g b l 4 0 4 型油隔离泵补油控制系统的广1 动化研究 图2 3 油隔离泵控制系统原理图 会超过检测元件，检测元件将会闭合，向p l c 发出电信号，此时p l c 将控制信号 传给各个电磁阀，按照程序进行动作。当上端检测元件检测到油已加到合适位置， p l c 将信号传给电磁阀关闭。这样利用先进的p l c 控制油隔离泵的补油系统达到 了可靠的自动化设计，同时降低了工人的劳动强度。图2 3 是控制系统的原理简 图，说明了控制单位的关系流程，为以下控制系统设计提供依据。 2 3 1 油位检测控制原理 要控制油隔离泵的补油系统，关键是确定油隔离罐的油位的位置。也就是在 判断出油液到位或油液缺少时能够将加油阀迅速的打开或者关闭。由此必须找到 可靠的检测元件。检测元件需要将检测到的信号( 油液位置) 转换为电信号，将 位置信号转变为开关量电信号并传送给电气控制单元p l c ：可编程控制器可实时 的采集这种电信号，由p l c 发指令给执行单元，完成相对应的动作。其工作的流 程图如图2 4 所示。 图2 4 油位检测控制原理 2 3 2 油隔离泵液压控制系统原理 油隔离泵的液压控制推进液系统对p l c 发出指令的执行情况直接关系到油 隔离泵补油系统控制的精度，关系到油隔离泵能否正常运行，因而至关重要。活 塞行程控制液压系统原理【1 0 】【l l 儿1 2 】图如图2 5 所示。 硕十学何论文 图2 5 隔离活塞行程控制液压系统原理图 油隔离泵补油系统的控制方案及原理：先将加油阀、排气阀和换油阀换成三 个专用两位两通电磁阀，在隔离罐的顶部接一块电解压力表，并且在混合界面观 察处和油观察阀处装上超声波传感器，通过监测实验得到需加油时罐内的最高压 力和罐加油到合适位置时的最低压力。这时将电接点表的最高压力和最低压力调 整为实验值。在罐内压力达到实验的最高值时，如果此时加油阀处的超声波传感 器被料浆断开，这时由于罐内上部与外界大气相通，压力将立即低于电接点表的 调定的最低压力，程序中此信号将不被采纳，过1o 秒以后打开加油电磁阀，当加 油加至混合观察处的超声波传感器闭合时，电接点表将信号传给p l c ，p l c 控制 先关闭加油电磁阀，1 0 秒以后关闭排气电磁阀。此后在隔离泵往复的进行输送矿 浆过程中，由于罐内油液的损失使矿浆内夹杂的气体被释放到罐内，隔离罐内的 压力也会随之增大，当压力到达最高设定值且加油阀处传感器被断开，电接点表 将信号和加油阀处超声传感器信号传给p l c ，完成排气补油的过程。 2 4 本章小结 本章介绍了油隔离泵的结构原理和手动加油系统，掌握了油隔离泵补油系统 的原理，清楚了控制单位的各层关系。在此基础上介绍了p l c 控制补油系统原理 及补油控制系统方案的实施。 y g b l 4 0 4 刑油隔离泵补油控制系统的自动化研究 第3 章油隔离泵补油系统控制方案的实现 本章将对油隔离泵补油系统控制方案进行研究，将确定p l c 控制系统的各个 单元。 3 1p l c 控制系统的设计方法 本课题选用p l c 对油隔离泵补油系统进行控制，故了解p l c 控制系统的设 计方法是必要的。 3 1 1p l c 自动控制系统简介 现代控制系统主要有可编程序控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 、 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 等类型【1 5 】。p l c 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应 用而设计，它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输 入输出，控制各种机械或生产过程。 3 1 2 可编程控制器的组成结构与控制特点