中小型变压器油箱酸洗磷化工艺PLC改造设计.pdf

自动化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 2 6 中小型变压器油箱酸洗磷化工艺P L C改造设计 李双喜 ，毛旺志 安徽科技 学院 数理与信息工程学院，安徽蚌埠 2 3 3 1 0 1 摘要介绍了一套变压器油箱酸洗、磷化自动控制系统的设计思想。应用西门子s 7 2 0 0 S m a r t 智能型P L C 对系统进行自动控 制，实现了变压器油箱酸洗与磷化过程自动控制，提升了中小型变压器生产车间的自动化水平和操作的安全性。 关键词 变压器 ；油箱 ；P L C；自动控 制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 40 90 0 9 6一O 3 Th e De s i g n o f M e d i u m a n d S ma l l Tr a n s f o r me r Ta n k P i c k l i n g P h o s p h a t i n g Pr o c e s s Ba s e d o n PLC L I Sh u a n g - x i ， MAO W a n g -z h i A n h u i S c i e n c e T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y ，C o l l e g e o f Ma t h e ma t i c s ，P h y s i c s a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ． B e n g b u 2 3 3 1 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Th i s pa p e r i n t r o d u c e s t he d e s i g n i d e a o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f a t r a n s f o r m e r o i l t a n k p i c k l i n g ，p h o s p h a t i n g ． W i t h t h e Ap p l i c a t i o n o f S i e me n s 7 - 2 0 0 S ma n i n t e l l i g e n t PL C t o ma k e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f Pi c k l i n g ． ph o s p h a t i n g p r o c e s s l i n e ． T h e s y s t e m c a n a c h i e v e t h e Au t o ma t i c c o n t r o l o f Pi c k l i n g a n d p h o s p h a t i n g p r o c e s s o f t r a n s f o rm e r o i l t a n k ． I t e n h a n c e s t h e s e c u r i t y l e v e l o f a u t o ma t i o n a n d o p e r a t i o n o f t r a n s f o r me r p r o d u c t i o n wo r ks h o p ． Ke y wo r d s t r a n s f o rm e r ；o i l t a n k；P LC；a u t o ma t i c c o n t r o l 0 前言 在 中小型油浸式变压器的生产过程中 ，油箱 的生产质量与变压器的使用寿命密切相关。 目 前 ，在我 国中小型油浸式变压器油箱的生产过程 中普遍采用酸洗 、磷化的过程对变压器的油箱进 行处理 ，鉴于实际情况 ，这一生产过程的 自动化 程度不是很高，由人工进行操作。 原始的人工操作生产的产 品质量与操作者的 责任性和技术水平具有极大的关联性 ，在产品质 量的保证上难以获得更高层次的水平。因此变压 器油箱生产车间的 自动化控制设计与改造对安全 生产、产品质量、提升生产效率具有非常重要的 实际作用和使用价值。 1 酸洗、磷化工艺分析 中小型变压器油箱焊接完成后通过检漏 ，质 量合格 的油箱在喷漆前需要进行酸洗磷化工艺 的 处理 ，经过这一工艺环节处理，变压器油箱上的 焊接残渣 、金属毛刺 、油脂等经过处理得到清 除，为使变压器油箱在喷漆前不致于生锈影响变 压器油箱 的质量 ，喷漆前还需要进行磷化防锈处 理。一般 中小型变压器油箱的浸渍式酸洗磷化工 艺过 程为 脱脂一 水洗 室温 一 酸 洗一水 洗 室温一 中和 室温一水洗 室温一磷化一 水洗 室温” 。 其对应的工艺流程示意图如图 1 所示 。 1 ． 1 浸入式化学脱脂处理 浸人 式 化 学 脱 脂 处 理 主 要 是 使 用 碱 性 溶 液 主 要成 分 为 N a o H，N a C O ，在其 中加入 适 当 的 表 面 活 性 剂 ，利 用 溶 液 的皂 化 作 用 去 除金属零件 的表面皂化性油脂 ，这一 过程根 据 使 用 的脱 脂 成 分 比例 的不 同 ，脱 脂 时 间 也 不一 样 。 安徽省高等教育振兴人才计划项目 2 0 1 3 高校教师挂职企业服务 ；安徽科技学院电子信息工程专业卓越工程师项目 x j 2 0 1 2 2 2 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 9 李双喜 等中 小型变压器油箱酸洗磷化工艺P L C 改造设计 皂 水洗处理 磷化处理 永洗处理 中和处理 图1 酸洗磷化处理工艺流程示意图 1 ． 2 浸入式酸洗处理 将金属零件浸泡在酸性溶液 中，用酸性溶液 与零件数表面的氧化物发生化学反应，使氧化物 脱 离技术 的表面 ，达到净 化金属 表 面 的 目的 ，这一 过程称 为酸洗 除锈。在工艺上使用耐腐蚀的酸 洗 槽 ，将 工件直 接通过 吊钩或通 过酸 洗 篮 浸入 酸洗 溶 液 中浸 泡 ， 通过一定的时间处理，能够有效将 工件表面的焊接残渣、金属毛刺以 及铁锈有去除。 1 ． 3中和处理 通 常从 酸洗池 中提 出 的工 件 由于酸液 的残 留 ，为防止残存 在 工件上的酸液对工件的进一步腐 蚀 ，需要将 酸洗后 的工件通 过碱 性溶 液进行 中和处理 ，这一 工艺 上升／ 下降、左移／ 右移分别 采用两 台三相异 步电动机 M 、M 拖动 ，M。 完成 吊蓝 的上升与下降驱动，M 完 成 吊 蓝 的左 移 与 右 移 驱 动 ，系统主电路如图2 所 示 。 控 制 系 统 以 S 7 2 0 0 S MAR T型 P L C作为 系统控 制 的主机 ，根据酸洗磷化 工艺 过程的需求 ，考虑 到 系统工作各工艺段的时间顺序特点和保护功能的 实 际 需 要 ，P L C主 机 的 C P U型 号 选 择 为 C P U C R 4 0 ，该型 C P U具有 2 4 点数字量输入和 l 6 点数 L 2 L 3 l I ．K M 1 、 { ．1 M 2 ＼ { I、 d 、 ‘ ．1 M - - K M3 N l L l -K H l 一 一K H 2 一 l 广 l 匕匕匕 I 寺 _ J 段 的时间一般控制在 3 ～ 5 分钟 。一般碱性 中和溶 液 的成分 N a 2 C O ， 的含量一般采用 5 0 g ， L。 1 ． 4 磷化处理 鉴 于酸洗 除锈 后 的变压 器 油箱表 面 活性很 强 ，在空气 中短时间内可能再次氧化生锈 ，为防 止在 喷漆前 变压 器 的油箱再 次生 锈 ，需 要在 含 锌 、锰 、铁 的单磷酸盐溶液 中进行处理 ，使金属 工件的表面形成难溶性磷酸盐膜的过程 。磷化膜 在大气条件下具有很好 的稳定性 ，其耐腐蚀性是 发蓝 膜 的 2 ～ 1 0倍 。同时磷化膜具 有很好 的多孔 性 、对漆类具有 良好的吸附作用 ，可有效提升油漆 与工件的结合力，从而提升变压器油箱的耐腐蚀能 力 ，良好的磷化膜 同时兼具较好的电气绝缘性能 ， 击穿电压可达到2 5 0 ～ 1 2 0 0 V，兼具绝缘能力。 2控制系统硬件设计与功能 2 ． 1 控制系统硬件平台 根据需要完成酸洗磷化工件搬运任务的吊篮 Ll L 2 L 3 图 2 系统主电路图 字量输出 ，可 以满足系统对输人输出控制点数的 需 求 。人机 接 口模 块采用 西 门子 配套 的 S MA R T L I N E触 摸 屏 ， 以西 门子 S I T O P P O WE R 2 4 V ／ 3 ．5 A 直流电源作为系统直流电源供应来源。控 制系统 的主要硬件结构如图3 所示。 2 ． 2 控制系统的功能 所开发 的酸洗磷化工艺控制系统主要 的功能 包括控制功能 、保护功能。 控制功能 设置 自动 和手 动两种控制方式 ， 手动方式通过手动上升、手动下降、手动左移 、 手动右移控制实现 ，与原来 的手动控制方式的操 作要求一致 ，方便系统调试运行以及故 障条件下 的应急运行操作。自动控制方式根据酸洗、磷化 工艺的控制要求按照预先设置的程序 自动完成一 系列的工艺操作，完成酸洗处理与磷化处理的全 部过程，不需要人为干预。设备生产运行时采用 该方式进行 ，以提升产品的生产质量 ，降低操作 圈羹圈 ] 自动化 酸 酸 水 水 磷 磷 上下 上 下 吐 由 ⋯⋯。 矮凄辱⋯⋯一 S I T OPP OWER j i 2 4 V／ 3． 5 A ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ●一过流保护 吊钩 上升 吊钩 下降 吊钩左 移 吊钩 右移 ●一手动／ 自动控 制 ●一手动上升控制 一 手动下 降控制 t一手动 左移控制 一 手动右 移控 制 3 酸洗磷化控制系统硬件结构图 者的劳动强度并有效保护操作者的人身健康。 保 护功能 系统设置电机 电流过流等相关参 数超标 时 ，P L C主机 发出控制指令 停机并报 警 ， 通过 电机主 电路的热继 电器进行过 流检测 ，将 热 继电器 K H 、K H 的常闭合触点串联作 为P L C 保 护 控制输入点信号。 3 控制 系统程序设计 P 1 C程 序设 计采 用 S T E P 7 一 Mi c r o ／ w i n s ma r t 软 件进行 开发 ，S T E P 7 一 Mi c r o ／ w i n s ma r t 是西 门子 s ma rt系列P L C编程该 T具 ，具有梯形图 、功能块 和语句表方式编程方案 。鉴于酸洗磷化工艺过程 明确的时间顺序性 ，该 系统 P I C控制策略采用顺 序控制结构 ，即按照酸洗磷化T艺 过程 的各环节 先后顺序进行 。为满 足实际生产需要 ，系统程 序 设计采用 “ 手动程序”与 “ 自动程 序”两种工作 模式 ，前者手动程序采用经验设计法 即可满足要 求 ，相对复杂的 自动程序 的设计采用顺序控制法 设汁 。 3 ． 1 控 制程序 设计 系统 自动运行主要考虑 的是吊篮的上下位置 定位以及各溶液槽位置定位 ，综合考虑控制系统 的各方面的要求 ，该 系统对应的输 入符号表 、输 L叶 l 符号表如图4 a 、 b 所示 ，系统的主程序主 要 由手动控制程序 与 自动控 制程序组成 ，如图 5 所 示 。 3 ． 2 手动程序设计 当手动／ 自动控制模式选择在手动 的位置时 ， 通过手动上升控制 、手动下降控制、手动左移控 制 、手动右移控制进行 M。 、M 的点动控制 ，根据 操作者的要求进行_T作 。这一操作方式程序设计 比较简单 ，通过将原来的继 电器一 接触器系统适 当改造 即可完成 ，各工艺处理效果可以根据工人 I符 号 l 地址 l I II 上料工作台上限位l 0 ． 0 上料工作台下限位 l 0 ． 1 ～ 酸洗溶液} | 上限位 1 0 2 酸洗溶液僧下限位 1 0 ． 3 水洗； 右 液l 曹 上限位l 0 ． 4 - 水洗溶液倍下限位l 0 ． 5 中襁； 弯 液糟上陬位 6 中和淹i 覆 } 曹 下限l 芟 1 0 ． 7 磷化溶i 蔹 糟上限位 I 1 1 韵化溶液下限位 l 1 _ 2 脱脂； 弯 i 殖 f | 上限位 l 1 _ 3 脱脂溶i 蔹缯下限位 I 1 ． 4 手动自动梗式 I 1 ． 5 过漉俣护 l 1 _ 6 手动上升控制 l 1 ． 7 芋动下降控{ I l 9 I 2 ． 1 手动左移控制 I 2 ． 2 手动右移控别 I 2 ． 3 a 输 入符号表 ⋯ 稃粤⋯ I 通址 ⋯ 吊篮上拜输出 口 0 ． 0 吊篮下降输出 Q 0 ． 1 吊篮左移输出 o o ． 2 吊篮右移鞴出 Q 0 ． 3 报警输出 Q 0 ． 4 1 输 H { 符 号表 4 符 号表定 义 手动自 动} 翼 式 I手动控铆稷序 I I I ⋯ ]。 r “ 符号 l 地址 I 注释 l 手动 自动梗式 ⋯ 5 l R络 2 I 手动自动梗式 I 自 动拄锄予稷序 l， I I ] r ” { 符号 l 地址 l 连释 } 手动自 动模式 ⋯ ．5 【 [二] Ⅱ 图5 系统的主程序 下转 第 1 4 0页 选择分析系统 定义工程数据 建立模型 前处理 T 求解 T 后处理 S t a t i c S t r u c t u r a l DM建模 CA D模型导入 强度评估 疲 劳分析工具 接触 工具 图4 A N S Y S Wo r k b e n c h 基本分析流程 化、可靠性、稳定性等设计分析能力于一体。其 基本分析流程如图4 所示。 一 - - - - 一 - - - - - - - - - 上接 第9 8 页 的现场观察 、检测进行逐级循环处理。 3 ． 3自动程序设计 顺序控制设计作为一种先进的设计方法便于 设计运用 ，自动程序设计 充分考虑变压器油箱磷 化工艺生产过程 的顺 序性 ，考虑各工艺环节处理 的时 间需 求 ，在 吊篮位置信 号 的作 用下 ，根据 P L C内部状态寄存 器和时间的顺序 ，产生各 工艺 环节 的动作要求 。以脱脂一水洗 室温 一 酸洗 一 水 洗 室 温 一 中 和 室温 一 水 洗 室 温一磷化一水洗 室温 各阶段的处理时间和 处理质量作为程序设 计的要求 ，根据酸洗磷 化工 艺 的具体过程 以及技术参数确定 自动控制的顺序 功能图 S F C ，继而按 照P L C梯形图的设计方法 完成系统 自动程序的设计 。 4结束语 以西 门子 S 7 2 0 0 S MA R T型 P L C对 中小 型变 压器油箱 酸洗磷化过程进行 自动控制 ，通过合理 的工艺流程设计以及对原来的人工操作系统的改 进 ，实现了各工艺环节的自动控制，在降低工人 的劳动强度的同时，可以提升设备的利用率，满 足节能需要 以及对产品质量的提升的要求。 S MA R T I C S 7 2 0 0 是西 门子公司经过大量 的实 际调研为中国市场开发的一款性能价格 比很高的 5 结语 A N S Y S Wo r k b e n c h协同仿 真环境 的推 出和应 用，其具有 “ 客户化” 、“ 集成性” 、“ 参数化”等 一 系列突出的优点 ，必然决定了其将作为A N S Y S 公司今 后的发展方向。结合 当今世界制造业信息 化 主旋律 ，A N S Y S Wo r k b e n c h 将给产 品研发流程 带来革命 I 生的变化[2 1 。 参考文献 [ 1 ]杨磊，刘更，郑党党，等． A N S Y S 二次开发技术在协 同仿真环境 中的应用 [ J ]． 机械设计与制造，2 0 1 1 5 7 l 一 7 3 ． [ 2 ]雷先华． Wo r k b e n c h对 C A E技 术及流程的协 同实现 [ J ]． 机械设计，2 0 0 7 2 3 3 3 5 3 3 6 ． [ 3 ]浦广益． A N S Y S Wo r k b e n c h 1 2基础教程 与 实例详解 E M]． 北京水利水电出版社 。2 0 1 3 ． 作者简介喻永巽 ，男，1 9 8 4 年生，福建莆田人，大学本 科 ，讲师。研究领域 机械。已发表论文2 篇。 编辑 王智圣 - - ’ 一- - 卜 - 一 - ● 一- -- 一 产品，具有工作性能稳定，系统运行可靠、故障 率低的特点。所设计的系统设置了 “ 手工操作运 行方式”和 “ 自动操作运行方式” ，有效解决有生 产过程中在 P L C系统故障时能够正常运行 ，通过 西 门子触摸屏技术进行人机对话 ，可实现控制界 面的切换 、系统的巡查 、故障复位 以及控制方式 的转换 。总之 ，对现有系统的智能化改造在提升 企业 自动化生产水平的同时 ，对安全生产 、产品 质量提升以及降低劳动强度具有重要意义与作用。 参考文献 [ 1 ]赵 月静． 变压器制造工艺 [ M]． 北京中国电力出版 社 ，2 0 0 9 ． [ 2 ]廖 常初． s 7 2 0 0 S MA R T P L C编程及 应用 [ M]． 北 京 机械 工业 出版社 ．2 0 1 3 ． [ 3 ]s 7 2 0 0 S MA R T可编程序控制器产品 目录 [ z j． 西门 子 中国有限公司，2 0 1 2 ． [ 4 ]s 7 2 0 0 S MA R T可编程序控制器系统手册 [ z ]． 西门 子 中国有限公司 ，2 0 1 2 ． [ 5 ]廖 常初． 西门子人机界面 触摸屏组态与应用技术 [ M]． 北京机械工业出版社，2 0 0 8 ． 第一作者简介李双喜，男，1 9 7 2 年生，安徽怀宁人，硕 士 ，副教授。研究领域机电系统智能控制与检测。已发 表论文 1 O 篇。 编辑 向 飞