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    1 引言

    隨著海洋石油勘探開(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(dǎo)管架、海上平臺(tái)也向著高、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(duì)水泥漿質(zhì)量的要求也在不斷提高。采用PLC對(duì)水泥漿生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度。

    灌漿機(jī)是自動(dòng)化程度很高的設(shè)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(chǔ)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(jī)。系統(tǒng)的工藝流程如圖l 。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

    2  系統(tǒng)控制方案

    水泥灌漿機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)由可編程控制器（西門(mén)子S7-300）、人機(jī)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(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。

    控制核心是西門(mén)子的S7-312CPU和數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊以及數(shù)字量輸出模塊組成，并配有EEPROM存儲(chǔ)卡使PLC程序可以掉電保護(hù)。完成開(kāi)關(guān)量、模擬量輸入、數(shù)據(jù)檢測(cè)、邏輯運(yùn)算和過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)水泥漿生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。所有的設(shè)備輸入輸出信號(hào)直接進(jìn)入PLC，由PLC來(lái)進(jìn)行控制，控制內(nèi)容包括：

圖2 系統(tǒng)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(jī)的手動(dòng)啟動(dòng)和停止按鈕

    ★三套稱(chēng)重傳感器輸出信號(hào)4～20mA

    ★電極測(cè)量傳感器輸出信號(hào)（水罐、添加劑罐、攪拌器高低各兩個(gè)）

    ★測(cè)燈按鈕

    ★其它輸入信號(hào)等

    輸出部分：

    ☆9個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和停止指示燈

    ☆9個(gè)電機(jī)的輸出控制信號(hào)

    ☆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(bào)警指示、警鈴信號(hào)

    ☆空氣吹掃電磁閥

    ☆水泥料斗振動(dòng)器

    ☆其它輸出信號(hào)等

    人機(jī)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(yùn)行監(jiān)控、操作界面、參數(shù)設(shè)定、物料管理、及各種統(tǒng)計(jì)報(bào)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(qiáng)大等特點(diǎn)。其中HMI主界面見(jiàn)圖3。

圖3  HMI主界面

    ◇運(yùn)行監(jiān)控：通過(guò)運(yùn)行監(jiān)控界面用戶(hù)可以在觸摸屏屏幕上直觀的看到現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行情況。把電器柜所有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置為PLC，系統(tǒng)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(tǒng)，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行。屏幕上將動(dòng)態(tài)顯示各料斗中的配料量和其他設(shè)備如：混煉器、攪拌器、電機(jī)、各閥門(mén)的運(yùn)行情況。

    ◇操作界面：當(dāng)選擇PLC手動(dòng)時(shí)，就可以在操作界面對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制，在檢測(cè)、調(diào)試和緊急情況下使用。

    ◇參數(shù)設(shè)定：參數(shù)設(shè)定界面主要目的是方便對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的一些重要參數(shù)進(jìn)行修改。包括配料參數(shù)的設(shè)定，攪拌參數(shù)設(shè)定等。

    ◇物料管理：管理物料進(jìn)料和進(jìn)行物料用量統(tǒng)計(jì)。

    ◇統(tǒng)計(jì)報(bào)表打印：方便用戶(hù)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的歸檔數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)記錄、配料詳細(xì)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(jì)量斗、混煉器、攪拌器和泥漿泵等組成。系統(tǒng)運(yùn)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(shù)據(jù)，控制各緩沖罐出口閥做相應(yīng)的動(dòng)作。各計(jì)量斗秤值重量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值，計(jì)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(xiàn)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(shè)定水計(jì)量斗中的水排放完畢，然后打開(kāi)水泥計(jì)量斗出口閥門(mén)。因?yàn)樗嗍欠蹓m狀顆粒，容易黏附在一起，因此，在水泥計(jì)量斗側(cè)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(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，傳送到CPU模塊進(jìn)行計(jì)算處理，然后通過(guò)輸出模塊輸出信號(hào)，控制現(xiàn)場(chǎng)各種開(kāi)關(guān)、電磁閥和電機(jī)等。

    根據(jù)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(zhuǎn)換成(4~20)mA的電流信號(hào)，經(jīng)PLC的模擬量輸入模塊進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后輸送到CPU與預(yù)先給定的重量進(jìn)行比較，CPU按照給定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，然后發(fā)出控制信號(hào)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(jī)械裝置運(yùn)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(tǒng)發(fā)出關(guān)閉信號(hào)后原料的過(guò)沖量（空中余量），因物料料流的不穩(wěn)定導(dǎo)致過(guò)沖量的隨機(jī)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(tǒng)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(dāng)給料量達(dá)到設(shè)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(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)、稱(chēng)重傳感器、模擬量輸入模塊等環(huán)節(jié)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(tǒng)的非線性誤差。這一誤差可以通過(guò)函數(shù)校正的方式來(lái)消除。假設(shè)作用傳感器的力為F（i），對(duì)應(yīng)的顯示值為M（i），由數(shù)組F（i）和M（i）的擬合，可以得到一個(gè)校正函數(shù)：

    F=f(m)

    由于系統(tǒng)誤差是各個(gè)環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果，因此校正函數(shù)一般有多個(gè)拐點(diǎn)，為了保證測(cè)量精度，本系統(tǒng)中采用分段最小二乘拋物線法來(lái)分別求出各段的擬合多項(xiàng)式：

    F=a+bm +cm2

    5 系統(tǒng)總結(jié)

    該系統(tǒng)采用可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器和觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)/手動(dòng)和手動(dòng)三種配料功能。當(dāng)自動(dòng)系統(tǒng)有故障時(shí)，可切換至手動(dòng)方式配料，繼續(xù)生產(chǎn)水泥漿，保證用戶(hù)生產(chǎn)的連續(xù)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(dāng)前配、卸料等生產(chǎn)狀態(tài)，簡(jiǎn)單直觀，操作方便?？梢源鎯?chǔ)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，讀取歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)打印。二次計(jì)量進(jìn)料方法，使整個(gè)自動(dòng)化攪拌系統(tǒng)精度得到了提高。水泥攪拌自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制成功改變了以前依靠進(jìn)口設(shè)備的狀況，降低了生產(chǎn)費(fèi)用、提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)的可靠性。

    參考文獻(xiàn)：

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