費冬妹　安春燕　王莉娜　余志永

(河北聯(lián)合大學遷安學院,河北遷安　064400)

聚羧酸減水劑復配自動控制系統(tǒng)的設計

費冬妹安春燕王莉娜余志永

(河北聯(lián)合大學遷安學院,河北遷安064400)

結(jié)合聚羧酸減水劑復配工藝需求開發(fā)了基于S7-200 PLC的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用上位機下位機兩部分實現(xiàn)對聚羧酸減水劑復配過程進行自動控制和監(jiān)控，上位機界面采用W inCC組態(tài)軟件，此軟件便于操作和集中監(jiān)控，通過合理地選擇控制模塊與執(zhí)行器降低了工程成本。產(chǎn)品最終設計實現(xiàn)了對聚羧酸減水劑復配過程的自動控制，大大提高了生產(chǎn)自動化。

聚羧酸PLCW inCC自動控制

聚羧酸減水劑（Polycarboxy late Superp lasticizer）是目前常用高性能減水劑之一，它是應用在水泥混凝土當中的一種水泥分散劑[1]。但是，在我國大多數(shù)的生產(chǎn)線仍然處于手工操作的階段，沒有辦法保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。水泥混凝土作為建筑中最根本的需求物質(zhì)，更是要求生產(chǎn)的水泥混凝土可以足夠穩(wěn)定，所以聚羧酸減水劑起到了相當重要的作用。從而，要求整個生產(chǎn)線自動化就成了必然的需求。

然而我國的聚羧酸減水劑復配還處于起步階段，本文結(jié)合聚羧酸生產(chǎn)工藝研制出一套基于西門子公司S7-200系列PLC的自動控制系統(tǒng)，并采用W inCC作為監(jiān)控軟件實施生產(chǎn)監(jiān)測。

1　聚羧酸減水劑作用機理

聚羧酸減水劑粒子表層由于靜電排斥作用產(chǎn)生的零電位比萘系等其它品種的減水劑要小一些，然而相對水泥卻具有較大的分散力，聚羧酸粒子的靜電排斥力越大，高分子對水泥的分散力越顯著。聚羧酸減水劑吸附水泥粒子的形態(tài)如圖1所示。聚羧酸中的羧酸離子對水泥粒子產(chǎn)生梳狀吸附[2]。另外在聚羧酸高分子中含有多個醚鍵（—C—O—C—）側(cè)鏈，在水溶液中醚鍵的氧與水分子反應形成強力的氫鍵，形成親水性立體保護膜，這層保護膜除了有分散性，還具有分散穩(wěn)定性。在普通混凝土配合比的條件下，長側(cè)鏈鍵聚合物沒有展現(xiàn)出減水性增強的效果。相反在水膠比較小的超高強混凝土配合比中，如果調(diào)整聚合物主鏈和接枝側(cè)鏈長度的聚合物結(jié)構(gòu)平衡，可明顯增強減水率[1]。

聚羧酸減水劑能夠保持塌落度的原因主要有以下兩方面原因:（1）分散分子所表現(xiàn)出來的分散力和保持性能是由于其內(nèi)部的分子架構(gòu);（2）在分散成分內(nèi)具有混合保持坍落度的成分。其中第（2）項，在混凝土中，可以利用堿的加水分解作用，逐漸使分散成分發(fā)生變化而形成反應性高分子和交聯(lián)聚合物，也就是在混合攪拌后，能夠產(chǎn)生一種具有能使流動度后續(xù)增長性質(zhì)的成分，而這種成分就是一種有用的保持成分[3]。

2　控制系統(tǒng)硬件選型

聚羧酸減水劑復配自動控制系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分進行控制，上位機采用SIMENS公司的IPC547D型號的工業(yè)控制計算機，該計算機性能很強，具有較好的抗震和防沖擊能力，通過創(chuàng)新技術獲得最高系統(tǒng)性能，能夠快速進行數(shù)據(jù)采集和管理，該設備結(jié)構(gòu)高度緊湊，全金屬外殼，具有良好的電磁兼容性[4]，能夠很好的適應高溫高壓的工業(yè)環(huán)境，并在上位機上安裝W inCC組態(tài)軟件，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)控界面的設計。

圖1　聚羧酸減水劑吸附水泥粒子形態(tài)圖

圖2　聚羧酸減水劑復配自動控制流程圖

圖3　聚羧酸減水劑復配自動控制部分程序

下位機采用S7-200系列的PLC，該控制器具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、價格低廉和指令集強大等特點，提供多種類型的CPU以適應各種應用，本系統(tǒng)采用CPU 224XP最為核心控制元件，同時S7-200系統(tǒng)PLC有多種類型的擴展模塊來滿足系統(tǒng)的擴展要求。數(shù)字量模塊控制系統(tǒng)中電磁閥、電機和泵啟停狀態(tài)的采集，模擬量模塊負責系統(tǒng)中溫度、壓力等模擬量信號的控制與傳輸記錄。

上位機和下位機之間通過以太網(wǎng)通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)的上傳和下載，完成兩者之間的實時通信[5]。上位機主要負責監(jiān)控整個自動控制系統(tǒng)的運行情況并進行數(shù)據(jù)的處理與運算，下位機負責采集來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和信號狀態(tài)，兩者配合共同完成聚羧酸減水劑復配的自動控制過程。

3　控制系統(tǒng)軟件編程

STEP7-M icro/W IN 4.0版是適用于S7-200的32位編程軟件包，它支持最新CPU增強功能的新軟件工具，比如PID整定控制面板、數(shù)據(jù)歸檔向?qū)Ш团浞较驅(qū)У萚6]。此系統(tǒng)既可以愛PC機上運行，也可以在編程器上運行，調(diào)試和修改程序都很方便，圖2為聚羧酸減水劑復配的自動控制流程圖。

根據(jù)流程圖編寫PLC程序，首先要先統(tǒng)計輸入輸出點數(shù)，制定羧酸IO表，然后進行程序的編寫和調(diào)試。部分程序如圖3所示。

4　上位機監(jiān)控設計

SIMATIC W inCC是第一個使用最新的32位技術的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。本系統(tǒng)選用W inCC作為組態(tài)軟件，可以全面的對聚羧酸減水劑復配過程進行監(jiān)視與過程控制，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設計登陸界面、聚羧酸減水劑復配流程監(jiān)控界面、運行子界面、手動操作界面、監(jiān)控報警界面和數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面等等[4]。利用W incc組態(tài)軟件設計了聚羧酸減水劑復配自動控制系統(tǒng)流程監(jiān)控界面，通過監(jiān)控界面可以對復配流程中的每個環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控，部分環(huán)節(jié)設有后續(xù)選項，可以進行配料方案的選擇等，另外水槽和計量槽的當前重量也可以一目了然。另外還有細化的監(jiān)控子界面，使整個生產(chǎn)過程都在操作人員的監(jiān)控狀態(tài)下，并配有變量歸檔頁面，方便整理資料與信息。系統(tǒng)登錄界面實現(xiàn)用戶管理，分別設置管理員和操作員的賬號和登錄密碼，規(guī)范操作權限。聚羧酸減水劑復配自動監(jiān)控界面通過流程以及實時的狀態(tài)數(shù)據(jù)對整個生產(chǎn)過程進行監(jiān)視，保證生產(chǎn)安全有序的進行，各個監(jiān)控子界面設有電機或者閥門的開關，操作人員可以手動進行選擇和操作。組態(tài)報警界面有利于安全可靠的維護系統(tǒng)的正常運行，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5　結(jié)語

基于S7-200系列PLC以及相關執(zhí)行器的輔佐實現(xiàn)了聚羧酸減水劑復配過程的自動控制，提高了生產(chǎn)的自動化水平，并通過后期的調(diào)試與安裝，逐步實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行，保證生產(chǎn)的良好運行。

[1]卞利軍.聚羧酸系高效減水劑的研究[D].大連理工大學,2003. [2]徐小軍,胡建華,楊武利等.丙烯酸酯類微凝膠的制備及其表征[M].復旦學報(自然科學版),1998(3):265-270.

[3]Hiroshi Uchikawa, et al.The Role of Steric Repulsive Force in the Dispersion of Cement Particles in Fresh Paste Prepared with Organia Admixture.Cement and Concrete Research,1997(1): 37-50.

[4]馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應用[M].北京:淸華大學出版社,2001.

[5]張玲.羧酸共聚型高效減水劑的研制.河南科學,2002(1):30-32.

[6]郭保文,楊玉啟,尉家臻.新型羧酸系高效減水劑合成研究[J].山東建材學院學報,1998(1):89-92.

費冬妹(1987—),女,河北昌黎人,碩士,助教,研究方向:自動檢測與自動控制。