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润滑油脱水净化挂车控制系统设计
摘要
本设计针对目前润滑油脱水净化挂车，结合目前科学技术领域的最新研究成果，设计了一种技术较先进、性能可靠、自动化程度较高的润滑油脱水净化挂车控制系统。
本设计的指导思想立足于提高润滑油脱水净化挂车系统的可靠性、安全性和高效性。
本系统所采用的PLC技术对其他控制系统也有一定的借鉴意义。
本文针对润滑油脱水净化挂车控制系统中存在的问题，把PLC可编程序控制器应用于润滑油脱水净化挂车控制系统上，并进行了较深入的研究。
本文阐述了润滑油脱水净化挂车系统的PLC控制的一些基本思路和方法，并着重介绍了PLC工作特点及运行原理，还介绍了艾默生EC20-2012BRA可编程控制器的主要功能模块及应用。
关键词:
润滑油脱水净化挂车控制系统PLC
Abstract
Thedesignofthecurrentoildehydrationtrailer,combinedwiththelatestresearchachievementsofthecurrentfieldofscienceandtechnology,thedesignofthelubricatingoildehydrationisamoreadvancedtechnology,reliableperformance,highdegreeofautomationofthecleaningTrailercontrolsystem.Thedesignoftheguidingideologybasedontheimprovementoflubricatingoilpurificationtrailersystemreliability,safetyandefficiency.ThissystemusesPLCtechnologyalsohascertainreferencesignificanceforothercontrolsystem.
AimingatoildehydrationTrailercontrolproblemsinthesystem,thePLCprogrammablecontrollerisappliedtothelubricatingoilpurificationTrailercontrolsystem,andamorein-depthstudies.
ThispaperexpoundsthetrailersystemlubricatingoildewateringandpurificationofPLCcontrolofsomeofthebasicideasandmethods,andemphaticallyintroducestheworkingcharacteristicandoperationprincipleofPLC,themainfunctionmoduleandapplicationofEmersonEC20-2012BRAprogrammablecontrollerisalsopresented.
Keywords:
oildehydrationtrailercontrolsystemPLC
1绪论
1.1本题设计的背景
水、空气、固体颗粒是机械设备的润滑油中最常见的外来污染物。
水使油品产生乳化，加速油液氧化变质，生成酸，使添加剂水解和油膜强度变差，降低其润滑性能；细微的水滴使油液变浑浊、粘度发生变化，低温性能差，同时，还会导致金属腐蚀和疲劳。
空气会加速油液氧化，产生泡沫，降低液压系统刚度，动作反应迟缓，因气穴而损坏油泵。
固体颗粒会严重损坏系统元件，如果长期在油液系统中循环，它将起研磨剂的作用，加速机械元件的磨损。
所以，机械设备的润滑油使用一段时间后，必须进行净化处理，排除其中的外来污染物，恢复润滑油的使用性能。
已经开发出的润滑油净化机或装置的型号规格很多，但多数是独立的机体，使用时需要起吊装在运输车上运到现场，很不方便。
特别是需要在线净化处理大型船舶、工程机械使用的润滑油以及储油容器中的润滑油时，其适应性显得更差。
因此，需要对已有的润滑油净化机或装置加以改进，而润滑油脱水净化挂车具有以下优点:
采用先进的大面积组合脱水技术，脱气脱水效率高；采用强风冷凝除水，增强了设备输出功率，延长了真空泵使用寿命；采用复合微孔过滤技术，可满足各种过滤精度要求；结构紧凑，装拆容易。
1.2本题设计的内容
本课题的主要内容是基于艾默生EC20系列PLC的润滑油脱水净化挂车控制系统的设计，通过对挂车控制系统的设计,实现对润滑油脱水净化的控制。
在本设计中我主要做了一下几方面的工作：
1.PLC控制系统的硬件选择2.PLC电路图设计3.PLC控制软件的设计4.完成对PLC软件的调试。
在本次课题设计过程中主要考虑以下几点：
1．深入的了解和分析润滑油脱水净化挂车的工艺条件和控制要求。
2．根据润滑油脱水净化挂车的控制系统的功能要求，确定系统的设计系统结构。
3．根据所设计的场所，选择电动机的类型。
4．根据I/O的点数选择合适的PLC的类型。
5．分配I/O点，分配PLC的输入、输出点。
6．设计润滑油脱水净化挂车控制系统的梯形图设计。
7．将程序输入PLC程序进行调试，查出错误，让程序更加完善。
1.3本课题设计的目的和意义
本课题设计的目的是设计出一个能有效的控制挂车完成对润滑油进行脱水净化的系统，并且此系统要尽量简洁明朗，便于人员操作。
本课题的意义在于能够使润滑油脱水净化挂车工作更加智能化，让润滑油脱水净化挂车能更有效的脱除润滑油中的水分、气体和杂质，还能脱除润滑油中的挥发物，如酒精、汽油、柴油等，使其恢复质量，能方便的在线净化处理各种大型装备、工程机械、储油容器等各类设备中的润滑油，适合于船舶、电力、交通等机械设备上各种被污染的润滑油的净化。
本课题能够提高我自身的能力，让我更深入了解PLC系统设计，能够掌握控制系统的设计步骤流程以及方案设计，能够具备控制系统硬件设计、软件编程与调试等能力。
2系统控制方案的设计
2.1润滑油脱水净化挂车的描述
已经开发出的润滑油净化机或装置的型号规格很多，但多数是独立的机体，使用时需要起吊装在运输车上运到现场，很不方便。
特别是需要在线净化处理大型船舶、工程机械使用的润滑油以及储油容器中的润滑油时，其适应性显得更差。
因此，需要对已有的润滑油净化机或装置加以改进，使之具有更强的适应性。
润滑油脱水净化挂车能方便的在线净化处理各种大型装备、工程机械、储油容器等各类设备中的润滑油。
因此，最终确定研究对象为润滑油脱水净化挂车。
2.2控制系统的选定
2.2.1PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低,此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合.除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事打开了方便之门。
4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种,小批量的生产场合。
5.体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2.2PLC的选定及其在本设计中的应用
根据以上PLC的各种特点，并全面考虑润滑油脱水净化挂车控制系统的要求，本设计选用PLC作为润滑油脱水净化挂车的控制系统。
在本设计中，PLC会有以下几个方面的应用：
1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3.运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合
4.过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热炉控制等场合有非常广泛的应用。
5.数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
2.3系统设计的基本步骤
润滑油脱水净化挂车系统设计与调试的主要步骤，如图2.1所示
图2.1润滑油脱水净化挂车控制系统的设计步骤
在本次课题设计过程中主要考虑以下几点：
1．深入的了解和分析润滑油脱水净化挂车的工艺条件和控制要求。
2．根据净化挂车的控制系统的功能要求，确定系统的设计系统结构。
3．根据所设计的场所，选择各执行元件的类型。
4．根据I/O的点数选择合适的PLC的类型。
5．分配I/O点，分配PLC的输入、输出点。
6．设计润滑油脱水净化挂车控制系统的梯形图设计。
7．将程序输入PLC程序进行调试，查出错误，让程序更加完善。
3润滑油脱水净化挂车系统硬件方面的设计
3.1润滑油脱水净化挂车的基本结构
润滑油脱水净化挂车的立体示意图如图3.1所示：
图3.1润滑油脱水净化挂车的立体示意图
1.润滑油脱水净化挂车，由挂车底盘和润滑油净化机组组成；挂车底盘包括车身
（1）、车轮
（2）、连接在车身前部的中轴管（3）、连接在中轴管中下部的前导轮（4）、连接在中轴管前端的牵引杆（5）、连接在中轴管上且位于牵引杆之后的制动装置（6），其特征在于：
润滑油净化机组设在挂车底盘的车身
（1）上。
2.所述的润滑油脱水净化挂车，其特征在于：
所述的润滑油净化机组包括连接在挂车底盘的车身上的方舱箱体（7）、设在方舱箱体内的真空罐（8），通过管道与真空罐连接的真空泵（9）；通过管道与真空罐连接的加热器（10）、与加热器连接的粗滤器（11）、粗滤器与进油管连接；通过管道与真空罐连接的氮膜分离器（14）；还包括设在方舱箱体（7）一侧的电控箱及操作面板（15）。
3.所述的润滑油脱水净化挂车，其特征在于：
在真空罐与真空泵连接管道间设有冷却风扇（16）、冷凝器（17）和冷凝水收集器（18）。
4.所述的润滑油脱水净化挂车，其特征在于：
方舱箱体（7）内设有进油管卷盘（19）、储油罐卷盘（20）和电缆卷盘（21）。
3.2定位控制系统结构设计
3.2.1定位控制系统的组成
系统主要由：
PLC、电气传动部分、检测部分、手动控制部分、支架模型组成。
PLC程序设计要求：
1.能手动控制真空泵、油泵、加热器、冷却风扇启动跟停止
2.能基本实现润滑油自动脱水净化
3.真空泵和冷却风扇要最先启动
4.在真空罐中压力到达一定值时油泵启动
5.在油液温度没达到指定温度时，油液路线要形成内循环，循环加热
6.温度到达指定值，整个控制整个系统开始脱水净化
7.设计时要考虑到进油速率过慢导致油泵空载
8.设计时要考虑到精滤器堵塞导致过载，要做好过载保护
3.2.2润滑油脱水净化挂车控制系统的原理
整个润滑油脱水净化挂车控制系统设计由一台PLC对挂车上的装置进行统一的管理和监控，通过PLC控制载挂车上各装置以完成对润滑油脱水净化的操作。
各装置的启动停止由PLC根据当前脱水净化需要的步骤，按照相应的需求开停。
润滑油脱水净化挂车控制系统使用弱电系统实现控制。
弱电系统主要包括各种信号的采集、报警与控制输出。
PLC输出信号给接触器线圈，控制接触器的接通与关断。
当发生意外时，按下急停开关，断掉所有电机的电源，使个装置无法继续运行，以保护人员及设备的安全。
系统输出控制信号包括控制电机运行信号，控制电磁阀得、失电信号，控制加热器运行信号。
润滑油脱水净化挂车是一种比较典型的跨学科机电一体化产品，集机械、电子、信息技术于一体。
其中，电子技术、信息技术和传感技术的合理运用与组合构成了挂车的控制系统。
润滑油脱水净化挂车的控制系统是整个车库系统的重要组成部分，也是挂车系统的核心。
执行机构是“四肢”，框架是“躯体”，那么控制系统就是“大脑”。
它指挥着挂车的每个运作过程，并对整个系统的状态过程进行监控。
润滑油脱水净化挂车的系统控制原理：
操作者（人）要通过控制系统信息交流的平台（界面）把启动信息传送给控制系统，经系统处理后，系统把可识别的控制信息通过辅助设备驱动执行结构，来完成润滑油脱水净化的运作。
3.3各执行元件的选择
1.确定真空泵
根据整个润滑油脱水净化挂车真空系统参数要求：
工作真空度要小于0.09MPa，抽气速度达到15L/S。
本设计选用了2X-15A型号的真空泵，该型号真空泵的主要技术参数如下：
抽气速率：
15L/S
极限压力：
6x10-2Pa
转速：
470r/min
额定功率：
1.5KW
2.确定输油泵
根据整个润滑油脱水净化挂车对处理流量参数要求：
处理流量为6M3/h。
本设计选用了Y100L1-4型号的输油泵，该型号输油泵的主要技术参数如下：
功率：
2.2KW
电压：
380V
电流：
5A
转速：
1430r/min
3.确定加热器
根据整个挂车加热系统的要求：
加热器要分成两组，刚开始内循环加热时需要大功率加热，后期只需小功率加热。
本设计选用了额定电压为AC380V的加热器，其加热电阻分为两组，一组为大功率36KW（12KWx3），一组为小功率18KW（6KWx3）。
4.确定冷却风扇
根据整个净化挂车系统的相关性能要求：
噪音要小于90dB，抽气速度要达到15L/S。
本设计选用了电机额定功率为0.1KW、额定电压为220V的冷却风扇。
根据以上执行元件可以绘制出主电路图如图3.2：
图3.2PLC主电路图
4润滑油脱水净化挂车系统软件方面的设计
4.1可编程控制器的选择
4.1.1PLC的概述
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，由此日本称它为顺序控制器（SequenceController）。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
当时，根据汽车制造业生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。
随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到七十年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“PLC”已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能了，同时具有数据处理、PID调节和数据通讯功能。
美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManu-factoryAssociation）从1976年开始，经过四年的调查，于1980年把它正式命名为可编程序控制器，简称“PC”.可编程序控制器硬件由部分构成:
1.中央处理器（CentralProcessorUnit简称CPU）：
它是可编程序控制器的心脏部分。
CPU由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。
2.电源（PowerSupply）：
给中央处理器提供必需的工作电源。
输入组件（Inputs）：
输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。
现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。
3.输出组件（Outputs）：
输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。
输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。
输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。
输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。
4.编程器（Programmer）：
在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。
编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。
4.1.2PLC的选型
首先应估计需要的PLC规模，然后选择功能和容量满足要求的PLC
1.PLC规模的估算
能否完成预定的控制人任务所需要的PLC的规模，主要取决于设备对输入、输出点的需求量和控制过程的难易程度。
估算PLC需要的各种类型的输入、输出点数，并据此估算出用户的存储容量，是系统设计中的主要环节。
（1）输入、输出点统计
为了准确地统计出被控设备对输入、输出点的总需求量，可以把被控设备的信号源一一列出，并认真分析输入、输出点的信号类型。
除统计大量的开关量输入、输出点外，其他类型的输入、输出点也要分别进行统计。
PLC与真空泵电机、输油泵电机、加热器、冷凝风扇电机等设备连接，所需专用接口也应一起列出来。
输入/输出（I/O）地址分配如图4.1：
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输入点编号
SB1
X0
手动/自动
KM1
Y0
真空泵
SB2
X2
急停
KM3
Y1
加热1
SB3
X4
真空泵启动
KM5
Y2
冷却风扇
SB4
X6
油泵启动
YA2
Y3
中间阀
SB5
X10
加热1启动
KM4
Y4
加热2
SB6
X12
加热2启动
YA1
Y5
进油阀
SB7
X14
真空泵停止
KM2
Y6
油泵
SB8
X16
油泵停止
YA3
Y7
出油阀
SB9
X20
加热1停止
SB10
X22
加热2停止
SB11
X13
停止
X1
压力传感器
X3
高液位传感器
X5
温度传感器
X7
低液位传感器
X11
过压传感器
SB12
X15
启动
图4.1输入/输出（I/O）地址分配
考虑到在实际安装、调式和应用中还可能会发现一些估算中未预见到的因素，需要根据实际情况增加一些输入、输出信号。
因此，要按统计数再增加15%到20%的输入、输出点数，以备将来调整、扩充使用。
（2）存储容量的估算
小型的PLC的用户存储器是固定的，不能随意的扩充选择。
因此，选购PLC时，要注意它的用户存储器容量是否够用。
用户程序占用内存的多少与多种因素有关，例如，输入、输出点的数量和类型，输入、输出量之间关系的复杂程度，需要进行运算的次数，处理量的多少，程序结构的优劣等，这些都与内存容量有关。
因此，在用户程序编写、调试好以前，很难估算出PLC所应配置的存储容量。
一般只能根据输入、输出的点数及其类型，控制的繁简程度加以估算。
一般粗略的估计方法是：
（输入点数+输出点数）X（10～12）=指令语句数
在按上述数据估算后，通常再增加15%～20%的备用量，作为选择PLC内存容量的依据。
2.PLC的选择
根据图4.1可以看出需要16个输入，8个输出，所以初步选取了艾默生EC20-2012BRA型号的PLC。
该PLC的特性如图4.2
型号
电源电压
输入/输出点数
输入信号电压
输出类型
中断脉冲输入
脉冲输出
EC20-2012BRA
90～264VAC
20/12
24VDC
继电器
有
无
图4.2
该PLC硬件图如下图4.3，说明见图4.4
图4.3
1．数据备份用钮扣电池安装座，安装一只CR2032钮扣型锂电池
9．35mmDIN槽安装锁扣，用于DIN槽安装方式
2．电源输入端子
10．信号输出端子
3．信号输入端子
11．系统工作状态指示灯
4．输入信号状态指示灯
12．通讯端口COM1，同时提供RS485和RS232两种电平
5．26pin母线插座，用于连接扩展模块
13．通讯端口COM0，RS232电平，插座为MiniDIN8
6．输出信号状态指示灯
14．系统运行控制开关，有ON、TM、OFF三个档位
7．主模块结构紧固螺钉，用于紧固PLC结构上下盖
15．
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