PLC的液压滤油系统控制设计浅析

摘要：基于液压油真空滤油机的基本原理，利用西门子S7-200作为控制器设计了一款真空滤油控制系统。本系统可以自动过滤液压油中的水分、气体和杂质，利用液位传感器和控制阀门实现油罐自动补油，另外可以通过入油口涡轮流量传感器监控流量。相对于传统的滤油机，本系统可以实现无需人员看管，自动进行滤油、补油，并且可以利用流量监控实现系统的自动关断。

关键词：PLC；滤油机；液位控制；流量监控

0引言

液压系统在工程机械中被广泛采用，工程机械的工作装置、行驶系统及转向系统常常离不开液压系统。对于液压系统而言，液压油的质量至关重要。因此，液压油的污染程度对整机的可靠性有非常大的影响[1]。液压泵作为液压系统的动力系统，通过电机或者动力机从油箱吸入液压油，将机械能转化为液压系统所需要的液压动力。在实际应用中，液压泵所需的液压油的清洁性和过滤性是影响液压系统工作质量的一大因素。如果液压油中存在过多的杂质会影响到液压元件，例如堵塞阀门、擦伤密封件等，并且液压油使用过程中出现乳化情况会污染环境。可是液压油无法做到完全无杂质，长时间使用又会出现乳化，这种情况下就可利用滤油系统对液压油进行过滤、净化，既可以节约资源、保护环境，也可以为企业节约成本。以继电接触器为主的老一代控制系统已不能满足油污处理的控制，这一领域的计算机化已势在必行，而应用在当前工业过程控制领域的PLC是使其计算机化的最简便、最可靠的途径[2]。本滤油控制系统以西门子PLC为控制核心，不仅可以提高滤油效率也安全可靠。

1真空滤油机的工作流程

真空滤油机是根据水和液压油的沸点不同而设计的。油液中的水以游离水、乳化水或者是溶解水的形式存在，真空脱水是利用高真空度下水的迅速汽化进行脱水的[3]。滤油机是由真空加热罐、精滤器、冷凝器、初滤器、真空泵、排油泵以及电气控制柜等组成。其工作原理图如图1。真空泵与真空罐内的空气抽出形成真空，外界油液在大气压的作用下，油液经过入口管道进初滤器消除较大的颗粒，之后初滤后的油液进入加热罐内，经过加热到40℃～75℃再经过温度控制阀，此阀是为保证进入真空罐内的油液温度达到要求。真空罐中有旋转装置，经过加热后的油液通过旋转装置上的喷翼飞快旋转将油分离成半雾状，油中的水分急速蒸发成水蒸气并连续被真空泵吸入冷凝器内，进入冷凝器内的水气经冷却后再返回成水放出。在真空罐内的油液，由排油泵排入精滤罐，通过罐内的精滤器将微粒杂质过滤出来。从而完成真空滤油机迅速除去油中杂质、水分、气体的全过程，使洁净的油液从出口处排出机外。

2系统控制方案的设计

2.1控制方案分析

根据各流程的特点和要求，需要协调每一个流程进度。系统为了能够对液压油进行自动过滤、加热、脱水等处理，需要控制加热罐、真空泵、油泵等执行部件，另外包括入口控制球阀和温度控制阀。在系统运行过程中，需要温度传感器、压力传感器等参数作为各部件运行的判断标准。本系统为实现流量监视以及自动关停的功能，在入油口处装置了涡轮流量传感器，利用PLC对涡轮流量传感器脉冲信号进行处理并在组态触摸屏上实现流量的可视化，将入口流量数值作为系统是否关断的标准。

2.2控制方案要求

根据分析中所需的要求，本控制系统程序关键为以下几点：1）上下限传感器与入口阀门开关相关联。在真空罐中装有上下限传感器，传感器信号接入PLC输入端，由传感器输出逻辑信号作为判断依据来控制电动阀门的开关，以此使得罐内油液保持在合适的液位。2）手动与自动之间的切换。在滤油系统使用的过程中，针对一些情况并不需要所有部分都工作，这时候切换到手动模式，针对特有的情况调整部分系统以达到期望的效果。3）温度和压力检测及超限处理。为保证滤油过程中的安全，将油液温度传感器和加热器相关联，监控加热器中油液温度，防止温度过高造成危险。另外，将精滤罐中的压力传感器与输油泵相关联，防止精滤罐中压力过大。4）涡流流量传感器安装在入油口处进行流量检测。真空滤油系统在使用过程中为了在无人看管的情况下保证安全，在油液都过滤完成后各部分都处于空载情况，特别是加热罐长期处于空载会有安全隐患。因此，本系统在油液入口处安装涡轮流量传感器。这样一者可以实时监视油液流量在达到目标流量值的时候关停系统，二者可以在监视入口处油液无流量时并延时一段时间后，认定为油液全部过滤完成后关停系统。

3系统硬件选型

针对滤油系统的需求，对控制系统进行硬件选型。

3.1CPU选型

现选用SIEMENS公司的S7-200PLC，CPU型号为224XPCN，此型号CPU有14个输入和10个输出共24个数字量I/O端口，并且有2个模拟量信号输入端口。此CPU价格低廉并且完全可以满足系统功能，具有极高的性价比。

3.2涡轮流量传感器

涡轮液压流量传感器采用涡轮转速与液体流速成正比的原理，被测流体从传感器的进口流入，在流体作用下叶轮受力旋转。传感器内部的磁电转化器在叶轮周期的转动下产生周期性的磁场变化，周期性变化的磁场又在检测线圈中产生周期性的电脉冲信号，经放大器放大后，再经过D/A转化传送给PLC[4]。在本控制系统中使用的LWGY-25型流量传感器，该传感器价格低廉，集成度高，体积小巧，在供电方面使用24VDC供电，信号输出二线制4mA～20mA电信号。

3.3触摸屏选型

本系统使用威纶通TK6070IP组态触摸屏，并采用EasyBuilder8000软件进行界面设计，与下位机PLC采用RS232专用电缆连接。流量、压力和温度传感器数据经过PLC的处理后数据放入相关寄存器，并在触摸屏上显示出传感器相关数据以及上下限传感器逻辑状态。

3.4油泵选型

本系统中输油泵采用齿轮油泵。齿轮泵体积小，质量轻，自吸能力强且价格便宜[5]。

3.5真空泵选型

采用单级旋片真空泵，此类泵结构紧凑，节省空间，质量轻，采用风冷，操作方便，容易安装维护，符合本系统的使用要求。

4滤油系统软件设计

真空度和油液的温度是油处理成效的关键因素[6]。本套系统为了可以保证过滤后油液的质量，需要对罐内传感器的参数进行监视并判断。在系统开始后，首先是确认手动或者自动，手动的情况下，使用继电器和开关对各部分进行单独控制。当油液没有乳化情况下不需要使用加热器。在确认使用自动控制之后，首先是真空泵开始运行，延时一段时间在当真空表面达到负压-0.08MPa时，方可打开入口控制球阀开始进油，否则系统后续工作无法开展。之后，油液因为内外气压差被滤油器吸入罐内，经过初滤器进入加热器中。为了避免加热器干烧的危险，在打开入口球阀后先延时，延时时间取决于加热罐的实际尺寸。在加热罐中有足量的油液后进行加热，通过温度传感器传递模拟信号到PLC计算出罐内油液的温度。当油液温度加热达到50℃的时候才打开温度控制阀可以将油液流入真空罐中，在油液进入真空罐后利用上下限液位传感器逻辑状态来判断入口控制球阀的开关，通过罐中的旋转器将油液雾化，挥发出油液中的水分。这些水分被冷凝器吸入冷却液化通过放水阀排出，在油水分离罐中剩下的油液被输油泵排入精滤罐中，通过精滤器对油液进行过滤，过滤完成的油液最后通过止回阀排放至罐外。根据流程需求，主程序流程图如图3。本系统停止方式有两种：一种是急停，也就是在系统出现突发状况时立即停止所有执行部分的工作；另外，就是油液过滤完成后正常停止。首先，是在程序判断入口无流量进入的时候PLC自动下达系统停止的信号，先停机加热器3min，再停真空泵，关闭入口控制阀，再根据油液排除情况设置延时一定时间，即油液彻底排空后，关闭排油泵。中断程序主要是为了模拟量刻度转换、涡轮流量传感器脉冲输入值计数处理以及温度超标预警处理、压力超标预警处理、无流量流入预警处理。中断程序由子程序中设置ATCH指令来触发中断，并在定时中断的时间间隔寄存器SMB34中设置中断时间。在系统中，利用I0.0作为高速计数器HSC0专用计数端口这一属性，通过高速计数器对涡轮流量传感器发出的脉冲信号进行计数。对此在子程序中利用HDEF指令对HSC0进行定义参数，利用寄存器HS0中的当前值进行累加并换算可以得到一定时间段内的入口流量，为减少计数误差再通过高速定时器定时中断对高速计数器寄存器HS0中的当前值定时清零。系统通过入图5定时中断程序流程图Fig.5Scheduledinterruptprogramflowchart口流量值判断入口是否还有流量吸入，当入口流量为零并延时一段时间无流量，即可视为油液已经过滤完成，便可开始关停系统。本系统中使用的温度和压力传感器信号输出的模拟量均为4mA～20mA的电流信号，利用模拟量刻度转换指令模块Scale_I_to_R将对应模拟量转化为CPU内部的数值，之后根据转换好的数据值来进行预警处理。当温度传感器检测到加热器中油温大于70℃时，需要触发报警器并关闭加热器。当过滤罐中的压力传感器检测到压力大于0.4MPa时，应关闭输油泵防止过滤罐中压力过大发生危险。另外，压力过大也有可能是内部滤芯表层吸附的杂质太多需要及时清洗和更换。中断程序流程图如图5。

5结束语

本文为对液压油真空滤油机进行改进，针对自动滤油的需求设计了控制系统。本控制系统以西门子S7-200PLC为核心，以原本滤油机的工作流程为基础，实现滤油流程自动控制和液位控制，并实现入口流量的数据采集和无流量预警处理，极大地增加了系统运行的安全性。本滤油机脱水率很高，可以过滤大多数微小杂质，能够有效地降低油液的污染度，滤出的油液可以满足大多数的工业需求。在此硬件基础上，本文设计的控制系统运行稳定，安全可靠，实用性强，极大地提升了滤油机的性能，节省了为新购液压油增加的成本。

作者:高挺 刘显晖 杨帆 李建强 单位:广西科技大学自动化学院 柳州泰姆预应力机械有限公司