酒精储液罐加装过滤补液系统

贾 林

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

0 引言

北京奔驰后驱车工厂配有2 台车身冲孔设备，用来对车身前悬挂安装孔做定位冲孔，为了确保冲孔质量稳定，搭配酒精喷射系统共同使用。尽管这套酒精喷射装置已经满足了闭环自动控制和功能性等设计需求，但是并没有充分考虑到冲孔板材的降温和脱模的实际效果。冲孔过程中一旦缺少了酒精的辅助，几个冲孔循环后，模具的表面就会被工件上的铝屑包裹失去原有的锋利，在冲孔时会加剧摩擦造成工件变形甚至车身报废。车身冲孔设备在用的酒精喷射系统是德国MENZEL 品牌的产品，储液罐为20 L 的不锈钢封闭罐体，充气压力0.2 MPa，并备有加注口、泄压阀、浮球开关、虹吸管等装置，酒精从罐体流出，通过多条管路接入末端的8 个酒精喷嘴。由于整套系统没有过滤装置，罐内溶液会因为水碱、颗粒异物、团状微生物、水碱、可见异物等阻塞管路而影响酒精的喷射。

1 项目背景介绍

1.1 浮球开关

酒精储液罐内安装了1 组浮球开关，即高低双位，采用串联双位置开关设计（图1），安装后可在罐体底部和3 L 位置起到低液位和空罐的监视作用，因为一直采用人工加注的方式，所以罐内并没有测量高位的开关装置。

1.2 自动控制的应用

生产现场主要配备的PLC 是S7-300 系列的中型机，有着模块化的设计结构和较高的指令运算速度，实用性价比突出。通常情况下，PLC 选型要在考虑采购成本、控制点数和扫描周期的处理速度，并且还有留有10%左右的冗余空间，方便后期升级改造使用。

1.3 现场接线

现场的浮球开关通过线缆接入040WSZ112 冲孔设备的费斯托阀岛16×DI 模块当中，使用X5 号接口，对应程序当中的IN点为E2945.0 和E2945.1，分别为酒精低液位预报警和酒精罐空报警（图1）。

图1 浮球开关的接线位置

1.4 控制程序

程序控制方面，首先直接引入上述的E2945.0 作为酒精液位预报警的信号输入点，当酒精储液罐内浮于上方的开关因为液位降低而断开时，会触发DB1342.DBX132.0 程序块在操作界面当中弹出酒精低液位预报警的提示信息（图2），此时不会对正常生产造成影响。

图2 酒精液位低预报警程序

如果酒精储液罐内的液位进一步降低且未补充加注，此时酒精罐底部的浮球开关因此而断开，E2945.1 点将会触发下一段控制程序，DB1342.DBX132.1 会在系统的操作界面中弹出酒精液位低的报警信息（图3），同时触发DB1342.DBX130.0 程序中的界面状态提示信息，在冲孔设备页面中点亮酒精罐空液状态灯。

图3 酒精低液位报警程序

DB1342.DBX130.0 程序除了提示当前空罐状态，同时还会被工位的循环停止功能调用（图4），目的是为了保证冲孔工艺的质量要求，在酒精储备不足时，该工位完成当前循环后进入循环停止状态，阻止生产自动运行，强制操作人员立即补充酒精至低浮球开关重新触发，才能将工位恢复自动运行。

图4 低液位报警会触发工位循环停止

2 项目改造介绍

为了满足现场的实际使用需求，形成自动控制循环，需要在现有酒精罐、浮球开关的硬件基础上增加1 套酒精过滤加注系统（图5）。该系统由过滤桶、滤芯、水泵、水管截门、浮球开关等部件组成，目的是通过工人向过滤桶内添加酒精溶液，通过滤网过滤后储存，再由水泵送入酒精储液罐内，整个过程由两组双位浮球开关和1 个单浮球开关分别监控2 个罐体的液位状态；在设备正常运行中，当低液位预警触发时，控制程序会检查高液位和超高液位是否为0，同时检查过滤桶中的低液位监控是否为1，如果条件满足，控制程序会启动接触器接通302 空开引入的220 V 交流电驱动水泵电机执行抽水动作，直至高浮球开关被触发，罐内满液后自动切断接触器线圈供电。如果在水泵抽水加注过程中过滤桶内的液位监控置0 或酒精罐内的超高液位置1，程序将会切断继电器供电保证水泵和酒精设备的使用安全，同时启动循环停止功能提示操作人员维修设备或加注酒精。

图5 过滤酒精自动加注系统原理

2.1 酒精罐和过滤桶加装液位开关

新增传感器接入040WZS112 的费斯托阀岛KF097.4 的DI模块，使用X1 口的E2946.0 和E2946.1，以及X2 口的E2946.2，分别对应酒精桶内的满位、超液位和过滤桶中的液位监控3 个传感器相应功能。

浮球开关选用方面仍然使用压力容器专用浮球开关，单、双各一组分别安装在过滤桶和酒精罐内，其中单浮球开关安装在过滤桶中距离桶低50 mm 的位置（约7.5 L），双浮球开关则安装在距离罐顶200 mm 的位置（约14 L），这样既可以保证抽水泵不会因为缺液空转造成烧毁，也能确保酒精罐内的有足够的压缩空气喷射酒精。

2.2 水泵和接触器性能解析

酒精过滤自动加注系统中除了增加2 组浮球开关外，还添加了水泵和启动电机的接触器2 个电气硬件。水泵方面利旧了1 台国产220 V 的小型不锈钢水泵，输出功率约为0.37 kW，额定流量20 L/min，额定扬程17 m，出水压力0.15～0.22 MPa。接触器搭配的是1 块西门子3RT2015-2BB41，具有24 V 直流驱动，三主一辅触点，额定电压220 V，电流7 A，满足搭配需求。

2.3 硬件线缆搭接

改造项目当中，电气接线工作主要分为动力和控制两部分。动力电使用的是线边低压配电柜内的220 V低压交流电，从备用的302开关下接入，通过XD1 线排接至QA1 接触器，当接触器吸合后水泵电机得电开始转动（图6）。

图6 水泵电机动力线缆接线

控制回路方面重新接入的线缆较多，包括双位浮球开关、单只浮球开关、QA1 继电器吸合反馈、QA1 继电器吸合控制电、水泵手动开关等。满位和超位浮球开关安装在酒精罐内，单只浮球开关安装在过滤罐内，根据输入就近的原则，开关信号接入040WZS112 设备上的费斯托阀岛数字量DI 模块，接口为-KF097.4 模块的X1 和X2 接口（图7）。

图7 传感器开关信号接线

为了方便调试和实现手动操作，水泵控制回路当中接入了1 个手动开关，安装在水泵旁边，在设备调试、手动排水、设备维修等情况时可以直接通过按钮控制水泵转动，控制信号同样联入-KF097.4 的X2 接口（图7）。

继电器线圈的控制在低压配电柜内依托西门子的ET200总线控制模块实现，接触器控制方面主要考虑两方面的需求，一是输出24 V 直流电控制继电器吸合，二是检查继电器吸合反馈，将新加的QA1 继电器安装在低压柜220 V 隔离开关一侧，线圈A1 和A2 控制电由KF023.14 输出模块的1、3 口输出。继电器吸合反馈13NO 和14NO 接入KF023.11 输入模块的1、3口输入（图7）。

2.4 逻辑控制程序分析

硬件和线路搭接完成后，需要通过修改和编写控制程序来实现设备的自动控制功能。自动运行过程中，PLC 实时对酒精罐和过滤桶内的5 个浮球开关进行监控，通过监控开关所在的不同位置判断启动水泵、弹出提示或者停止自动运行。

2.4.1 程序I/O 对照（表1）

表1 程序I/O 对照

2.4.2 手/自动控制功能

通过手动和自动功能实现酒精储液罐的补液功能，实际上来讲就是利用液位开关控制接触器的吸合启闭水泵电机。控制程序主要条件包括手动、自动2 个功能。

（1）自动模式（图8）。接通程序块DB113.DBX149.0 自动模式。①检查I2945.0 储液罐液位少于低液位监控；②检查I2946.0 储液罐满位少于满液位监控；③检查I2946.2 过滤罐液位多于低液位监控；④检查I2946.1 储液罐液位少于超液位监控；⑤检查M1110.0 报警提示没有触发；⑥输出Q150.0 水泵启动接触器控制电。

图8 自动控制程序

（2）手动模式（图9）。接通程序块DB113.DBX1 48.7 手动模式。①检查I2946.3 手动按钮是否接通；②检查I2945.0 储液罐液位是否高于低位开关，开关触发后切换至Q150.5 接触器吸合保持；③检查I2946.0 储液罐满位少于满液位监控；④检查I2946.2 过滤罐液位多于低液位监控；⑤检查I2946.1 储液罐液位少于超液位监控；⑥检查M1110.0 报警提示没有触发；⑦输出Q150.0 水泵启动接触器控制电。

图9 手动控制程序

2.4.3 报警提示

图10 和图11 的报警程序都是利用PLC程序中的时间定时器功能实现比对输出的，在接触器线圈吸合报警程序中（图10），当Q150.0 输出接触器线圈控制电后，使用接触器上的辅助触点的通断来判断接触器的吸合状态，如果线圈通电2 s 且一直没有I200.1 的信号反馈，控制供电线路、接触器可能有故障发生，程序会通过M1110.0 端口向外输出报警提示QA1 接触器故障。

图10 接触器吸合超时报警

水泵运行超时报警（图11）的工作原理与接触器相同，根据水泵的额定功率20 L/min，储液罐空罐到满位传感器大约为14 L的容量，理论上水泵在启动后1 min 内就可以将酒精加注到触发满位的位置，如果1 min 内依旧没有满位信号，则表示管路可能有泄漏或者水泵损坏等情况，这是程序就会通过M1110.1 端口向外输出报警提示加注超时。

图11 泵机运转超时报警

2.4.4 循环停止

该功能程序没有做太多的调整，只是在触发条件中添加了储液罐的超位报警，出于设备使用安全考虑，如果整个系统在自动运行中出现了多个传感器、接触器同时故障的情况，水泵无法停止运行，此时储液罐内将充满酒精稀释液和压缩空气，对于连接管路周边的电气设备来说还是具有相当的危险性的。因此需要系统对此情况进行判断停止下一自动循环（图12），在超位信号消除前阻止该工位的自动运行请求。

图12 工位循环停止程序

2.5 过滤桶和滤芯

作为本次改造项目当中的添加的主体结构，酒精过滤桶使用的是自主设计的机加工制造的定制产品。该过滤桶以1.5 mm厚的不锈钢作为桶身材料，主体结构分为上下两部。上部过滤桶尺寸为504 mm×310 mm×510 mm，配有2 个180 mm×410 mm的过滤架，用来放入两个袋式滤芯，同时装有透明上盖和把手便于使用和观察。下部成品桶尺寸为504 mm×304 mm×412 mm，液体容积约为60 L，桶身侧面装有外置式液位观察窗方便加工人了解罐内的实际储液量。滤芯采购的则是伊顿品牌1 μm 袋式过滤器，接触食品级的过滤器能够有效对酒精溶液中的微生物和杂质异物进行过滤隔离，有效提升溶液洁净度，防止管路和喷嘴阻塞的发生（图13）。

图13 自行设计的酒精过滤装置

3 结束语

通过对酒精罐加装自动过滤补液系统，有效降低了酒精原液中杂质阻塞喷头和水管对车身冲孔产生的影响，完善了设备自动控制能力。并且在改造项目的设计和实施阶段，发现了很多技术上和能力实践上的不足，从中学习到了很多项目设计、电气接线、元件选型和程序编写等实用的相关知识，今后能够更好地完成设备维修管理工作。