Abstract: A configuration supervisory system based on PLC is designed and developed for automatic control and real-time supervisal of vacuum oil purifier. Based on the system, the purifier can be simulated in industrial PC, which builds up the foundation for improving the running level of the purifier.

Keywords: vacuum oil purifierconfiguration supervisalautomatic controlPLC

摘要：设计和开发了一种基于PLC的真空净油机组态监控系统，实现真空净油机的自动控制和运行状态实时监测。基于该系统，可以在工控计算机上真空净油机运行仿真，为提高真空净油机的运行控制水平打下良好的基础。

关键字：真空净油机；组态监控；自动控制；可编程控制器

引言

油液被喻为现代工业装备的血液，但油液在生产、包装、运输、储存和运行过程中，不可避免会受到环境的污染，使油中颗粒、水分、气体等污染物含量超标，从而严重影响充油设备的正常运行。据统计，国际上液压系统中液压元件的失效75-80%是油液污染引起的[1]。因此，油液的污染控制和净化在现代工业中非常重要，油液污染净化设备的设计、开发和运行控制受到广泛的重视。

真空净油机是一种常用的油液污染净化设备，在真空状态下蒸发油中水分和气体污染物以及使用过滤器去除油中固体颗粒杂质从而达到净化油液的目的[2]。现有的真空净油机常常采用人工手动控制，在现场根据温度、压力、流量、真空度等过程参数对真空净油机进行适时调整。

本文设计了一种基于PLC的真空净油机组态监控系统，该系统采用上位机和下位机相结合的架构。下位机以PLC为核心，通过数据采集模块采集真空净油机的运行状态参数，通过RS485接口传输到上位机。上位机的核心是运行于工控计算机上的世纪星组态软件，通过组态监控实现真空净油机运行仿真，并在上位机上通过PLC实现对真空净油机的实时控制。该系统的开发为提高真空净油机的运行水平打下了良好的基础。

1 真空净油机工艺过程

根据不同的油液种类和使用场合，真空净油机的结构可能会有所差别，但真空净油机的几个基本组成部分却是相同的。图1所示是ZL-20S真空净油机的工艺流程图。图中，蒸发室是一种能够抽真空的密封容器，污染油液中的水分和气体杂质在其中通过蒸发实现与油液的分离，并被真空泵（真空获得设备）系统抽除。加热系统对进入蒸发室的循环油液进行加热，为油中水分在真空状态下的快速蒸发提供所需的热量。真空泵提供真空净油所需的真空环境，以使油中水分的沸点在真空状态下大幅降低。过滤系统一般由2-3级过滤器组成，主要用以去除油中固体颗粒污染物，根据油中固体颗粒的大小和分布，可以选用不同精度的过滤器。供油泵、排油泵和循环油泵和管道等组成了油液输运系统，为油液在真空净油机中的传输和流动提供动力。废油中的水分和有害气体等污染物在蒸发室与油液分离后，一部分通过冷凝器凝结成液态后排出，另一部分被真空泵抽除。油中固体颗粒杂质经过滤器实现固液分离，从真空净油机出口排出的油液即为洁净油。

图1 真空净油机工艺流程图

根据真空净油机的工艺流程，设计的组态监控系统应当具有以下功能：

（1）按照预定的真空净油时序控制各执行元件的开启和关闭，包括供油泵的启停、真空机组（包括初级真空泵和增压真空泵）的启停、排油泵的启停、循环油泵的启停、加热系统的调节、油、气管路阀门的启闭等。

（2）实时采集、显示和输出真空净油过程的运行状态和数据，保证真空净油的顺利工作。

（3）随时存取、打印历史数据和趋势曲线，并保存到外部数据库。

（4）对异常状况进行监测、报警并进行紧急情况自动处理，保存有关报警数据。

（5）基于下位机优先原则，能够在上位机和下位机实现自动和手动功能及其切换。

（6）为了提高真空净油质量控制水平，提供与外部程序之间的接口和数据交换功能，以提供对真空净油过程实施软测量等智能控制的数据平台。

2 系统硬件结构

2.1 硬件系统框架

系统设计为基于PLC的组态监控系统，系统框架由上位机和下位机两层框架组成。下位机以PLC为核心，选用OMRON CP1H系列的PLC[3]。上位机选用工控机一台，运行世纪星（Century Star）组态软件，以实现对系统的组态监测和控制。上位机和下位机之间通过RS485接口进行连接，以保证上位机通过下位机对真空净油机的组态监控[4]。设计的硬件系统框架如图2。

图2 真空净油机组态监控系统硬件框架图

2.2 硬件结构组成

根据组态监控系统框架，确定硬件组成包括：

（1）上位机。采用工控机配备显示器、打印机等外围设备，运行世纪星V7.10监控组态软件。为了提高真空净油质量控制水平，上位机同时安装了VC++6.0和Matlab7.0等开发工具，在本文设计的组态监控系统平台上，通过与本系统进行状态和数据交换，实现对真空净油过程实施软测量等智能控制。

（2）下位机。采用OMRON公司生产的CP1H-XA40型PLC，该机型自带24点数字量输入、16点数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。根据真空净油机控制需要，增加20EDT模块和AD041模块各一块，使下位机的I/O连接达到36点数字量输入、24点数字量输出、8路模拟量输入和2路模拟量输出。

（3）传感器。真空净油机中的传感器主要包括真空度、温度、流量、压力、液位等传感器。由于真空净油机真空环境的限制，液位采用数字量传感器，其他模拟量传感器测点和测试参数如表1。

（4）执行器。真空净油机的执行器是由其动作元件组成的，主要包括入口电磁阀、供油泵、循环油泵、加热器、罗茨增压真空泵、旋片真空泵、冷却水泵、电磁真空带充气阀、排油泵、出口电磁阀等。PLC通过PID调节器对加热器电源的导通角进行控制，实现对温度的控制；PLC采用2通道模拟量输出控制变频器，根据蒸发室的油位信号和流量信号对供油泵和排油泵实现变频控制，以在满足油位平衡的条件下实现流量调节。

3 监控系统软件设计

3.1 软件功能描述

监控系统的软件包括上位机监控软件软件和下位机控制软件两部分。

在下位机层次，采用梯形图对PLC进行编程，以直接实现对真空净油机传感器数据采集和执行器的自动/手动控制。通过RS485接口，下位机与上位机基于ModBus协议进行通讯。

在上位机层次，监控软件采用世纪星V7.10版256点组态监控系统进行开发，承担真空净油机的监控界面仿真、运行状态显示、传感数据显示、实时和历史趋势图显示等工作任务。由于世纪星软件自身开发的原因，其数据库的管理没有开放，但可以通过动态链接库DLL或动态数据交换DDE与数据库或其他应用程序完成数据的交互。在研究过程中真空净油机的软测量智能控制采用VC++6.0进行编程，因此本文提出的组态监控系统上采用动态链接库与VC进行数据交互，并通过VC实现与其他外部程序的数据管理。

3.2 下位机软件设计

采用CX-Programmer 5.0对下位机PLC进行编程，自动完成真空净油机的控制。PLC程序包括数据采集、手动控制、自动控制等三个主要的功能模块，各功能模块均使用梯形图编程进行控制。

根据真空净油机的蒸发室油位和管路流量，PLC对供油泵和排油泵采用变频控制。在上位机组态软件中预先设置PLC模拟量输出通道的参数，通过上位机调整模拟量输出通道的输出电压（0-5V），对应变频器输出的0-75Hz，从而对应调整油泵电机的转速在0-2160rpm范围内变化。由于供油泵和排油泵均采用齿轮油泵，其理论流量与转速成正比，因此通过调整油泵齿轮转速可以达到调整油泵流量的目的。

3.3 上位机监控软件设计

组态监控系统的软件开发主要包括以下功能模块：

（1）人机对话。实现监测真空净油机的运行状态、人机对话功能并提供友好实用的用户操作。

（2）图形界面。包括工艺流程图画面、分组画面显示、实时/历史趋势图显示、传感器/执行器实时数据显示、系统报表生成、报警、打印等。图3所示为ZL-20S型真空净油机的运行状态动态仿真画面。

（3）通信功能。基于ModBus协议实现上、下位机之间的数据传输等功能。

（4）监测和控制功能。在上位机层次，通过与PLC的通讯实现对真空净油机的自动/手动控制。由于在真空净油机现场保留了按钮操作的自动/手动控制功能，因此在系统设计时确定以真空净油机本地优先的原则进行控制。当真空净油机上的本地/远控开关选择到远控时，上位机除了监测功能外，还可以实施控制功能。否则真空净油机的控制只对现场的操作才具有有效的反应。

（5）数据交换功能。外部程序根据真空净油机的运行状态需要对执行器进行附加控制时，通过世纪星软件提供的DLL将数据变量传递到监控系统，形成一个C/S的框架结构。因此，在数据交换过程中监控系统起到被动的服务器作用，外部程序作为客户机进行主动数据处理。

图3 组态监控系统运行状态动态仿真界面

4 结论

本文作者创新点：采用组态软件，基于PLC实现了真空净油机的组态监控系统。该系统实现了真空净油机在现场和上位机的自动控制，从而避免了真空净油机的误操作，提高真空净油过程的控制水平，并为软测量等真空净油机的进一步智能控制构建了良好的平台。该系统已经在某重大工程的真空净油机现场得到工程应用，其操作简单、灵活、直观、可靠，可以很好地满足真空净油过程的自控要求