基于PLC的真空滤油机控制系统设计毕业设计论文 精品文档格式.docx

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本文是基于PLC的真空滤油机控制系统，控制系统选取三菱公司的FX2N系列PLC作为控制器实现对工业污染油的过滤、加热、真空分离、精过滤等一系列控制。

通过本设计的一系列功能，滤油机实现了在较低的温度下真空除水和去除油液中杂质、絮状物、金属微粒两大功能。

本设计避规了国内此类滤油机耗能高，结构不合理，造型混乱，油液过滤精度不够的缺点，具有很好的经济价值和社会意义。

关键字：

真空分离；

油液处理；

FX2n-48MR

DesignofVacuumOilFilterControlSystemBasedonPLC

Abstract：

Industrialoiluseafteraperiodoftime,therewillbeaphenomenonofwaterpollutionandparticlepollution,etc.,whichcanleadtoindustrialoilmetamorphism,speedupthemetalfatigueandaggravatewearofhydrauliccomponents.ThisarticleisvacuumoilpurifierbasedonPLCcontrolsystem,controlsystemMitsubishiFX2NSeriesPLCisselectedasthecontrolsonindustrialpollution,oilfilter,heating,vacuumseparation,finefilterandaseriesofcontrol.Throughaseriesoffunctionsofthepresentdesign,oilfilterimplementsthetwofunctionsofadditiontowateratalowertemperatureundervacuumandremovingtheimpurities,floc,metalfineparticlesinthefluid.Thedesigntoavoidregulationssuchdomesticoilfilterhighenergyconsumptionstructureisirrational,chaoticshape,lackofprecisionoilfiltershortcomings,withgoodeconomicvalueandsocialsignificance.

KeyWords：

Vacuumseparation;

Oilprocessing;

FX2n-48MR

第1章绪论

1.1真空滤油机的研究背景

滤油机（也称作净油机，OilPurifier），是用加压过滤或真空蒸发-加压过滤方法除去不纯净油中固体杂质和水分的过滤设备。

滤油机主要应用于提高润滑油的纯净度和电器用油的绝缘性。

滤油机主要是为了实现电站、电厂、工矿企业的各种油液的净化，如绝缘油、透平油及润滑油等。

尤其是对于含水严重或浑浊乳化的油液，如透平油、绝缘油、液压油、抗磨油、轴承油及高粘度润滑油的净化，能高速有效地脱除污染油中的杂质、水分、气体、脱去水溶性酸碱等，使净化后的油达到国家规定的质量标准，达到回收利用的目的[1]。

随着电力工业的飞速发展，以继电接触器为主的老一代控制系统已不能满足工业污染油精确过滤的要求，这一领域的计算机化是未来的趋势，而工业控制过程中以可编程控制器（PLC）的应用越来越广泛，且其也是计算机化最便捷，最可靠的途径。

PLC采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行顺序控制、逻辑运算、定时、算术和计数等操作指令的执行，通过对模拟式或数字式的输入输出信号处理来控制各种生产设备。

PLC是微型计算机技术与传统继电器控制技术相互结合的产物，PLC有自己的独特的编程语言（梯形图或指令表等），用户易学易懂，并且能与计算机接口相连，现已在工业领域应用非常之广泛。

基于PLC的真空滤油器控制系统，以PLC为主控器的真空滤油机实现对工业污染油的过滤、加热、真空分离、精过滤等一系列控制，控制精度高，控制方便，抗干扰性强等特点。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外真空滤油机的典型产品主要有：

美国颇尔（PALL）公司HNP021真空净油机、移动式真空油液净化机HVP2703、高真空变压器油净化设备THP070、瑞典HERING公司EOK型真空净油机、日本加滕（KATO）公司KLVC-AX-IA6000l/h型带电在线滤油机、KLVC-8AXSO-II30000l/h型全自动真空净油机、瑞士麦克菲尔（MICAFIL）公司VH061-e型真空净油机等[2]。

日本加滕（KATO）公司是全球著名的真空滤油机等产品的制造厂，创立于1923年。

目前，KLVC系列高真空滤油机，流量从100l/h至60000l/h。

国内电力系统内的大多数省级送变电公司，一些大型发电厂和供电公司及变压器制造商在上世纪九十年代就开始直接向加藤公司购买高真空滤油机，用户遍及国内。

在真空槽（罐）方面专门开发适用于超高变压器脱气装置，包括喷射脱气部件和自动液位控制装置，过滤系统附有带自动油温控制的低瓦特密度电加热器、油真空密封的低噪油泵、以及全自动电脑控制的中央控制屏等。

目前在带电在线滤油技术方面已开创了世界先列，已提供了数十台能带电在线滤油的高真空滤油机。

美国颇尔（PALL）公司于1946年创立，主要研究流体净化分离技术、开发生产高性能过滤器及过滤系统。

其高性能过滤器以及过滤系统年销售额超过15亿美元，在全世界同类型过滤行业居第一位。

但颇尔公司核心技术不在于真空技术的研发，而是聚结分离技术中高β值滤芯的应用（β值用于表示过滤能力，指多少个杂质颗粒经过滤后只漏掉一个杂质颗粒。

颇尔公司自称其高β值滤芯的过滤能力β≥200时过滤效率为99.9%）。

颇尔公司产品广泛用于医药、食品饮料、生物工程、石油、矿业、电力、冶金等各个领域。

我们主要关注的还在于其高真空变压器油净化设备，在这类设备中PALL公司拥有多种专利，如油气分离装置、两个真空脱气室、LZ滤芯、高精度渐变孔径滤芯等，适用于变电系统电容器、互感器带电油净化。

1.2.2国内研究现状

目前，我国生产此类滤油机的生产厂家较多，但其技术水平都不高，与国外同规格的滤油机相比差距较大，存在着能耗高，结构不合理，造型杂乱，油液处理精度不高等问题。

以下为几种常见型号的滤油机的简要介绍。

手推式精密油过滤机，主要由滤芯﹑壳体﹑油泵及固定装置等构成。

主要由滤芯﹑壳体﹑油泵及固定装置等构成.流体油泵从过滤器入口流入经滤芯后,杂质截留在滤芯表面及深层,清洁流体从出口处流出。

滤芯多为筒状金属网，阻止不纯净油中较大的固体颗粒进入油泵。

油泵通常为齿轮泵，输送不纯净油进入过滤装置。

精密滤油机以设计合理,出油量大,清洗方便等优点,在各种行业中得到广泛的应用。

它可以作为油品的预处理及终端处理。

过滤油中普通的机械杂质效果明显，精度高。

设备轻便，操作简单。

该类设备不合适处理油中有油泥或者粉尘类杂质的油品，杂质太多，堵塞会比较严重，更换耗材成本会变得很高。

聚结分离式滤油机，这种滤油机滤水时，使用聚结、分离滤芯，滤除杂质时使用预过和精过两种滤芯。

这类设备除水效果只能达到接近于合格边缘，而不能除去微量水份；

耗材一般为脱水滤芯和脱杂质的滤芯，除杂质效果一般与精密油过滤机接近。

但设备体积一般偏小，占地面积不大。

压力式板框滤油机，代表是这种板式滤油机，使用滤纸过滤，是一种最原始的滤油设备，它的优点是，如油中在不合格的边缘，使用可以起到很好的作用。

缺点是成本大，耗用滤纸多，人的工作强度大[3]。

理论上是各种油品都能经过滤油机处理的，但是现目前国内的滤油技术参差不齐，所以有的油品处理起来有一定的难度，需要根据用户的实际情况量身定做。

1.3本课题的研究目的和意义

现代机械向高性能、大型化发展，对可靠性、无故障寿命、动态性能的要求也越来越高，润滑油净化的要求进一步提高。

如高性能电液伺服阀中，其元件间的间隙已达到几微米，污染的润滑油如果继续使用，会加速机械磨损，进一步产生新的磨粒，从而加大油液污染，如此恶性循环，不但润滑的效果不达标，而且会加大元件的磨损，降低设备的工作寿命和可靠性。

本文是基于PLC的真空滤油机控制系统，控制系统选取三菱公司的FX系列PLC作为控制器实现对工业污染油的过滤、加热、真空分离、精过滤等一系列控制。

PLC技术在现代工业技术中应用越来越普遍，也越来越重要。

通过本课题对“基于PLC的真空滤油机控制系统”的设计，加深了对可编程控制器的理解，强化了对可编程控制器的应用能力。

能够全面培养学生的动手能力，分析问题的能力以及解决问题的能力，同时也对工业生产设备有了一定的认识与理解，为以后走上工作岗位奠定了可靠的基础。

第2章基于PLC真空滤油机控制系统设计的总体方案

2.1真空滤油机的工艺原理

真空滤油机控制系统真空滤油机是根据水和油的沸点不同原理而设计，主要由进油过滤系统、真空抽气系统、真空破坏系统、真空喷淋系统、出油过滤系统以及反冲系统组成。

如图2-1为真空滤油机的工艺原理图。

图2-1真空滤油机工艺原理图

以下是对该设计系统功能和结构的介绍。

（1）进油过滤系统。

该系统由粗滤器、细滤器和专用过滤器构成。

其功能是实现油液的先期过滤。

粗滤器40～100μ,细滤器20～40μ,专用过滤器20～40μ。

根据用户的特殊要求可以设置专用过滤器，如增设化学剂入口以除去油液的酸性或碱性；

采用玻钎滤布或线隙式结构消除油液泡沫。

注意使用时应当关闭选择阀。

（2）真空抽气系统。

该系统由分水器、真空泵、单向阀以及冷却器构成。

利用真空泵将真空罐内抽成真空负压，保证油液中水分能在较低温状态下挥发；

水蒸汽被抽出后经冷却器和分水器冷凝、析出；

使用单向阀防止真空泵反转。

分水器和单向阀必须采用适合在负压下工作的气动元件。

冷却器设置为塔式结构，容积较大，里面装有亲水性能好、耐高温、耐腐蚀、全湿比表面积大的多面空心聚丙烯塑料球。

湿热气体从真空罐抽出后沿塔壁切向斜下进入塔内，流速急剧减慢并形成向下的涡旋气流，遇聚丙烯塑料球后流速进一步减慢，从而迅速冷凝成水滴。

（3）真空破坏系统。

由进气阀、真空破坏阀和干燥过滤器组成。

其作用为补充空气，降低真空罐中的真空度。

由于在真空负压下，水蒸汽容易饱和而很难抽出，应周期性的补充空气，破坏水蒸汽的饱和度，使水蒸汽方便抽出。

真空破坏阀的通断由液位控制器的信号控制。

干燥过滤器中可加入氯化钙、苛性钠、苛性钾、硅胶等干燥过滤剂以对补充空气进行干燥。

（4）真空喷淋系统。

由加热器、喷淋器、真空罐、温控器及液位计构成。

加热器将油液加热到一定温度，然后将油液喷淋出，使油液中的游离水、乳化水和溶解水挥发于真空罐中。

加热器为管道式远红外加热方式，此方式油液加温均匀，油液不会因接触高温加热管而产生碳化物和降低油液使用性能的熵变等现象[5]。

喷淋器为均匀布满φ1～φ2小孔的喷淋管。

传感器测得油温后，通过PLC控制加热器通断电，使真空罐中油温控制在45℃～75℃。

油液液位有4个控制点，高于上限位停止真空泵，以免油液窜入真空泵；

低于下限位停止抽油泵，以免油泵空吸；

中上位用来打开真空破坏阀，中下位用来关闭真空破坏阀。

真空罐的容积较大，里面填充一定的耐腐蚀、亲水性佳的填充物，以加速水分挥发。

（5）出油过滤系统。

由安全阀、抽油泵、金属过滤（10～20μ）、精过滤（5～10μ）以及超精过滤器（1～5μ）组成。

其功能为通过油泵将油液从真空罐中抽出，再经多次精过滤后回到工作箱（罐）中。

用带磁性的滤芯做金属过滤器滤芯，保证油液中的金属微粒被除去；

精过滤和超精过滤为玻钎聚结式，且过滤器滤芯的过滤能力须为抽油泵公称排量的3～5倍。

（6）反冲系统。

当油压表达到并超过一定读数后（0.25MPa），报警器报警，表示出油滤芯已被严重堵塞，此时用反冲系统清洗滤芯。

通过反冲除去滤芯上累积的污染物，延长了滤芯的寿命。

用一根软管接通A、C口，关闭反冲锁止阀b，打开出油阀A和阀B、阀C，并开启抽油泵，压力油从C经A口后，实现出油系统各过滤器阀芯实施的反冲，再经B口排出。

关闭选择阀和反冲锁止阀a、b，打开真空破坏阀和进油阀D，开启抽油泵，各进油过滤器被压力油打开安全阀后反冲，然后压力油经D口排出，完成各进油过滤器阀芯的反冲。

各过滤器的油液出口布置在罐壁的切向上，利于反冲时形成涡旋紊流，提高反冲效果且不会冲坏阀芯。

2.2油泵的选型

常用的油泵按结构分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵三种[2]。

齿轮泵用于低压系统，对油液污染敏感度不大；

叶片泵脉动小、输出流量均匀、噪声小，但对油液污染敏感、吸油特性不太好；

柱塞泵泄漏小、容积效率高，常和叶片泵一起用于高压系统中，但对油液污染敏感。

因此真空滤油机选用齿轮泵作为进、排油泵。

抽油泵一般选用自吸真空度大的液压装置，如齿轮泵、螺杆泵等。

抽油泵的公称排量也是滤油机设计计算的主要参数。

一般参数的确定如下：

（1）油泵工作压力确定。

为让系统的可靠性提高，延长泵使用寿命，一般油泵的正常工作压力为泵额定压力的70%~80%。

由于系统在负压条件下运行且液压缸及液压马达等执行元件也没有，因此油泵的工作压力应不高于0.5MPa。

（2）油泵工作流量确定。

系统工作时的最大流量必须小于油泵的流量。

（3）油泵电动机功率确定。

油泵的工作参数应处在泵的效率曲线的高效区域，一般按0.8计，考虑一般电动机允许短时间超载25%，再验算其他工况条件那么就可以确定电动机功率。

表2.1油泵型号及参数表

鉴于以上原理有油泵型号为KCB-135、KCB-200、KCB-300符合要求，三种油泵的参数对照如表2.1所示。

通过以上比较，选择KCB-135相比而言效率较高且功率较低耗能少。

图2-2为KCB-135油泵实物图。

图2-2KCB-135

2.3加热器的选型

油温在正常工作下为80℃以下，由饱和蒸汽压与温度的关系，确定真空度为0.06MPa，此时水的蒸发温度为45℃~70℃，而且油液的性能能够保持。

从而油液需要加热到45℃~70℃，考虑到高海拔地区因能达到较低的真空度，因此需适当提高加热温度[4]。

加热器有蛇形铠装加热管直接在罐内加热方式，此方式热效率较高；

多直管串联加热方式，此方式因便于维修加热管而常用。

管道外包型远红外加热方式，此方式油液加温均匀，油液不会因接触高温加热管而产生碳化物和降低油液使用性能的熵变等现象。

本设计选用TF-M/J-G管道外包型远红外加热装置作为加热器，远红外加热器由电热涂料在加热器辐射面形成固化涂层，该涂层因其表面黑度高，故能吸收大量的辐射热能，又因其发射率高，故能将吸收的辐射热能转换成物体易吸收的远红外热能以电磁波的形式传递.微米级电热涂料的涂层厚、热阻大、反射率高，用于烘箱板表面，将散失的热能转换成远红外热能以电磁波的形式辐射烘箱内，为烘箱内的被加热物体所吸收，而不易被潮气吸收，从而将热能留在烘箱内，不仅降低了排潮温度，而且使烘箱内的温度升高，使烘箱内的温度得到了充分的利用.纳米级电热涂料的涂层薄、热阻小，用于烘箱中受热导温的金属材料表面，在传热过程中，该涂料层不仅将吸收的辐射热能转换成远红外热能传递，其自身变成远红外辐射热源，而且也因其表面温度的提高，导致温度梯度增大，使被加热物体的热能传导强度增强，吸热能力大大提高[5]。

TF-M/J-G管道外包型远红外加热装置，额定电压为单相220V，电功率为1～3KW，控温范围为30℃～300℃[6]，常用的管径：

Φ34、Φ57、Φ76、Φ89、Φ108、Φ125、Φ159、Φ180、Φ219、Φ325、Φ450、Φ600以上的各种管道[7]，本设计选择Φ34的管道直径。

且管道直径、长度不受限制，根据用户工艺要求可非标准加工，安全性能达到防爆要求[8]。

如图2-3所示为TF-M/J-G管道外包型远红外加热装置实物图。

图2-3TF-M/J-G管道外包型远红外加热装置

2.4真空泵的选型

真空泵的选择主要依据泵需要抽掉的气体总量，因真空泵抽气速率决定着真空罐体真空度的大小，选取时还应当考虑抽气速率应大于或等于排油泵排量的1-2倍；

且能保证在1-2min内将罐体和管道的气体压力抽到0.06MPa或更低。

结合以上控制要求，本设计选用2BV系列水环真空泵，2BV系列水环真空泵为整体结构—机泵同轴的单级泵。

轴封用机械密封，具有安装简捷、结构简单、无油、安全可靠等特点。

如图2-4所示为2BV系列水环真空泵工作原理图。

2BV系列水环真空泵适于气体和湿润蒸汽的抽除，吸气压力可达到33mbar绝压。

当2BV水环式真空泵在吸气压力低于80mbar的状态下长期工作时，此时为了对泵的保护应连接汽蚀保护管，若2BV水环式真空泵配备大气喷射器吸气压力可达10mbar。

叶轮3偏心地安装在泵体之内，起动时向泵内注入一定高度的水，因此当叶轮3旋转时，水受离心力的作用而在泵体内壁形成一旋转水环1，水环下部内表面与轮毂相切，沿箭头方向旋转，在前半转过程中，2BV水环式真空泵水环内表面逐渐与轮毂脱离，因此在叶轮叶片间与水环形成封闭空间，随着叶轮的旋转，该空间逐渐扩大，空间气体压力降低，气体自圆盘吸气口被吸入；

在后半转过程中，水环内表面逐渐与轮毂靠近，叶片间的空间逐渐缩小，空间气体压力升高，高于排气口压力时，叶片间的气体自圆盘排气口被排出。

如此叶轮每转动一周，叶片间的空间吸排气一次，许多空间不停地工作，2BV水环式真空泵就连续不断地抽吸或压送气体[9]。

1、水环。

2、泵盖。

3、叶轮。

4、吸气口。

5、排气口

图2-4水环真空泵及压缩机工作原理图

2BV水环式真空泵由于在工作过程中，做功产生热量，会使工作水环发热，同时一部分水和气体一起被排周，因此，在工作过程中，必须不断地给泵供水，以冷却和补充泵内消耗的水，满足泵的工作要求[10]。

当2BV水环式真空泵排出的气体不再利用时，在2BV水环式真空泵排气口上接有气水分离器，废气和所带的部分水排入汽水分离器后，汽水分离，气体由排气管排出，留下的水经回水管供至泵内继续使用[11]。

随着工作时间的延长，工作水温度会不断地升高，这时需从供水管供给冷水，以降低工作水的温度，保证泵能达到所要求的技术要求和性能指标。

2.5模拟量的检测

1、油温检测

对真空罐中油温的检测，本设计采用铂电阻温度传感器PT100实现对真空罐中油温的检测。

真空罐中温度大概80℃左右，采用铂电阻温度传感器PT100经济实用，且稳定精度高。

铂电阻温度传感器PT100实物图如图2-5所示。

图2-5铂电阻温度传感器PT100

PT100铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。

铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定[12]。

因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。

铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。

铂电阻的阻值温度之间的关系，在0～850℃范围[13]内可用下式表示，Rt=R0（1+At+Bt2）在-200～0℃范围内则用下式表示,Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）3]式中Rt---温度为t℃时的铂电阻的阻值；

R0---温度为0℃时的铂电阻的阻值；

A、B、C为常数,A=3.96847×

10-3/℃；

B=-5.847×

10-7/℃；

C=-4.22×

10-12/℃；

对满足上述关系的热电阻，其温度系数约为3.9×

10-3/℃。

PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。

PT100的阻值与温度变化关系为：

当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理；

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长[14]。

2、真空罐压力检测

对真空罐中压力的测量。

对真空罐中压力检测需用气液压力传感器，PJT206气液压性能稳定且价格低廉。

本设计采用PJT206气液压力传感器来实现对真空罐中压力的测量。

PJT206气液压力传感器量程为0～1～150（MPa），介质温度为-20～85℃，在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS，标准模拟信号电流输出型[15]。

PJT206气液压力传感器的实物图如图2-6所示。

图2-6PJT206

第3章基于PLC真空滤油器控制系统的硬件设计

3.1控制系统的设计方案

根据控制系统的功能要求，本系统是以可编程控制器为主控器来实现真空滤油机的滤油除杂功能，输入部分有启停开关，液位检测开关，以及油温、油压传感器对真空罐油温的检测结果给PLC对应配套的A/D模块，经A/D模块的处理提交给PLC实现相应的控制功能。

输出模块有输出对油泵和真空泵的电机控制，以及对油温检测，液位检测的指示灯，油温超上限或低于下限的报警，液位超上限以及低于下限的报警。

总体设计方案如图3-1所示。

图3-1控制系统设计方案图

3.2电气图

系统需要控制两台电机，分别为真空泵的电机与油泵的电机。

M1为真空泵电机，M2为油泵电机。

首先开启真空泵电机抽出真空罐中的空气使真空罐中为真空状态，当液位传感器检测到油液超过下限油位时将信号给PLC，PLC输出控制油泵的开启，当液位传感器检测到油液超过喷淋嘴时，将信号给PLC，PLC控制真空泵电机使真空泵电机停止工作。

其主要电气图如图3-2所示。

输入电压为380V，QS为总开关，FU为熔断器，FR为热元件，KM1和KM2为电磁式继电器，接入电路为常开触点，随控制要求进行开断。

图3-2系统主电器图

3.3PLC的选型

3.3.1主控器的选型

采用PLC为主控器的真空滤油机控制系统，其中四个等级的液位检测输入信号，以及启停、复位按钮，加热器启停输出控制，真空泵和油泵电机输出控制，真空破坏阀的控制，运行显示灯以及过限报警提示等，估计需要I/O口数38个，加上留15%的余量[16]。

又由于要进行电机的控制，所以应选继电器输出控制型PLC。

因此本设计采用三菱公司的FX2N-48MR型号的可编程控制器。

三菱公司的FX2N-48MR型号的可编程控制器，该控制器输入24点，输出为24点为继电器型输出型。

配备24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。

内置8K容量的RAM