1 引言

    隨著(zhù)海洋石油勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)海域逐漸由淺海向深海延伸，導管架、海上平臺也向著(zhù)高、大、重的方向發(fā)展。海上作業(yè)所需的水泥漿量也越來(lái)越大，對水泥漿質(zhì)量的要求也在不斷提高。采用PLC對水泥漿生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和工人的勞動(dòng)強度。

    灌漿機是自動(dòng)化程度很高的設備，包括水泥、水、添加劑等按照一定的配比自動(dòng)進(jìn)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(guò)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(dòng)控制系統由可編程控制器（西門(mén)子S7-300）、人機界面（HMI，西門(mén)子TP27-10）、料位傳感器和稱(chēng)重傳感器等幾部分組成?？刂葡到y框圖見(jiàn)圖2。

    控制核心是西門(mén)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(kāi)關(guān)量、模擬量輸入、數據檢測、邏輯運算和過(guò)程控制，實(shí)現水泥漿生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。所有的設備輸入輸出信號直接進(jìn)入PLC，由PLC來(lái)進(jìn)行控制，控制內容包括：

圖2 系統控制框圖
   

    輸入部分：
    
    ★四個(gè)水泥料位傳感器

    ★混煉器排除閥的行程開(kāi)關(guān)

    ★手動(dòng)、自動(dòng)操作切換開(kāi)關(guān)

    ★9個(gè)電機的手動(dòng)啟動(dòng)和停止按鈕

    ★三套稱(chēng)重傳感器輸出信號4～20mA

    ★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(gè)）

    ★測燈按鈕

    ★其它輸入信號等

    輸出部分：

    ☆9個(gè)電機的啟動(dòng)和停止指示燈

    ☆9個(gè)電機的輸出控制信號

    ☆三個(gè)料斗的入料電磁閥，雙動(dòng)控制

    ☆三個(gè)料斗的出料電磁閥

    ☆添加劑排料槽控制

    ☆混煉器的出料氣動(dòng)閘閥控制

    ☆報警指示、警鈴信號

    ☆空氣吹掃電磁閥

    ☆水泥料斗振動(dòng)器

    ☆其它輸出信號等

    人機界面用帶有RS-485通訊接口的西門(mén)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(hù)界面。具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、功能強大等特點(diǎn)。其中HMI主界面見(jiàn)圖3。

圖3  HMI主界面

    ◇運行監控：通過(guò)運行監控界面用戶(hù)可以在觸摸屏屏幕上直觀(guān)的看到現場(chǎng)的生產(chǎn)運行情況。把電器柜所有轉換開(kāi)關(guān)置為PLC，系統得電后，在界面上選擇PLC自動(dòng)，通過(guò)點(diǎn)擊屏幕上的“啟動(dòng)”按紐來(lái)啟動(dòng)系統，進(jìn)入自動(dòng)運行。屏幕上將動(dòng)態(tài)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(mén)的運行情況。

    ◇操作界面：當選擇PLC手動(dòng)時(shí)，就可以在操作界面對系統中的各個(gè)設備進(jìn)行單獨控制，在檢測、調試和緊急情況下使用。

    ◇參數設定：參數設定界面主要目的是方便對系統運行過(guò)程的一些重要參數進(jìn)行修改。包括配料參數的設定，攪拌參數設定等。

    ◇物料管理：管理物料進(jìn)料和進(jìn)行物料用量統計。

    ◇統計報表打?。悍奖阌脩?hù)對運行過(guò)程中的歸檔數據，如生產(chǎn)記錄、配料詳細記錄和物料消耗情況進(jìn)行打印輸出。

    3 物料傳送控制

    傳動(dòng)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(chēng)重傳感器數據，控制各緩沖罐出口閥做相應的動(dòng)作。各計量斗秤值重量達到預先設定值，計量斗出口閥打開(kāi)，在混煉器攪拌45秒以后，打開(kāi)漿液閥，泥漿進(jìn)入攪拌器。通過(guò)泥漿泵將泥漿輸送到外界供現場(chǎng)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水排放完畢，然后打開(kāi)水泥計量斗出口閥門(mén)。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(dòng)器。

    4  物料稱(chēng)重配料控制

    該部份由稱(chēng)重傳感器、電磁閥、料位傳感器、行程開(kāi)關(guān)等組成。輸入量模塊采集現場(chǎng)信號，傳送到CPU模塊進(jìn)行計算處理，然后通過(guò)輸出模塊輸出信號，控制現場(chǎng)各種開(kāi)關(guān)、電磁閥和電機等。

    根據原料配比不同，添加劑稱(chēng)重傳感器最大量程150 kg，水稱(chēng)重傳感器量程3 t，水泥稱(chēng)重傳感器量程6t。稱(chēng)重傳感器將配料重量轉換成(4~20)mA的電流信號，經(jīng)PLC的模擬量輸入模塊進(jìn)行A／D轉換后輸送到CPU與預先給定的重量進(jìn)行比較，CPU按照給定的控制規律進(jìn)行計算，然后發(fā)出控制信號控制各種配料按比例送入混煉器中攪拌。
在稱(chēng)重配料的過(guò)程中，機械裝置運行時(shí)的波動(dòng)，比如氣動(dòng)電磁閥氣缸的壓力波動(dòng)，造成給料裝置的動(dòng)作滯后：物料下落的沖擊力；配料系統發(fā)出關(guān)閉信號后原料的過(guò)沖量（空中余量），因物料料流的不穩定導致過(guò)沖量的隨機變化（最為關(guān)鍵的因素）。這些因素造成了稱(chēng)重配料誤差。

    為了減小稱(chēng)重配料誤差，系統把稱(chēng)重過(guò)程分為粗稱(chēng)和精稱(chēng)兩個(gè)階段。在緩沖罐出口安裝兩個(gè)氣缸串聯(lián)。在粗稱(chēng)階段，緩沖罐出口的兩個(gè)氣缸全部打開(kāi)，縮短給料時(shí)間。當給料量達到設定量的90％，進(jìn)入精稱(chēng)階段，此時(shí)，關(guān)閉90％的緩沖罐出口氣缸，小量給料以提高稱(chēng)量精度。系統中的機械結構、稱(chēng)重傳感器、模擬量輸入模塊等環(huán)節都存在一定的誤差，最終反映為作用于傳感器的實(shí)際值與觸摸屏顯示值之間的誤差，這個(gè)差值我們稱(chēng)之為系統的非線(xiàn)性誤差。這一誤差可以通過(guò)函數校正的方式來(lái)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(gè)校正函數：

    F=f(m)

    由于系統誤差是各個(gè)環(huán)節共同作用的結果，因此校正函數一般有多個(gè)拐點(diǎn)，為了保證測量精度，本系統中采用分段最小二乘拋物線(xiàn)法來(lái)分別求出各段的擬合多項式：

    F=a+bm +cm2

    5 系統總結

    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(shí)現PLC自動(dòng)/手動(dòng)和手動(dòng)三種配料功能。當自動(dòng)系統有故障時(shí)，可切換至手動(dòng)方式配料，繼續生產(chǎn)水泥漿，保證用戶(hù)生產(chǎn)的連續性，減少損失。觸摸屏編程為圖形化操作，可以動(dòng)態(tài)顯示當前配、卸料等生產(chǎn)狀態(tài)，簡(jiǎn)單直觀(guān)，操作方便?？梢源鎯?shí)時(shí)生產(chǎn)數據，讀取歷史數據，實(shí)現生產(chǎn)數據打印。二次計量進(jìn)料方法，使整個(gè)自動(dòng)化攪拌系統精度得到了提高。水泥攪拌自動(dòng)控制系統的研制成功改變了以前依靠進(jìn)口設備的狀況，降低了生產(chǎn)費用、提高了生產(chǎn)效率和系統的可靠性。

    參考文獻：

    [1] 孫運波,鄒勇賢,PLC在混凝土攪拌站自動(dòng)控制系統中的應用[J].中國儀器儀表，2001.6

    [2] 梁莉,田宇,黑新宏等,攪拌站計算機控制系統的設計[J].廣東自動(dòng)化與信息工程, 2001.6

    [3] 陳斌,林小峰,許光濘等,PLC在商品混凝土攪拌站自動(dòng)控制系統中的應用[J].工礦自動(dòng)化,2004.6