陳躍華，馮殿義，王宏祥，李 煜

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001）

0 引言

在潤(rùn)滑油的調(diào)和過(guò)程中往往需要加入某種或某些添加劑以改善潤(rùn)滑油的特定性能，調(diào)整潤(rùn)滑油品種，最終得到所需的潤(rùn)滑油。采用人工的方式向調(diào)和釜中傾倒添加劑，比較費(fèi)力而且傾倒量不易控制，為滿(mǎn)足潤(rùn)滑油市場(chǎng)需求和質(zhì)量要求而制定了具體的設(shè)備——添加劑自動(dòng)抽提裝置（Drum Decanting Unit 簡(jiǎn)稱(chēng)DDU），桶裝添加劑通過(guò) DDU 裝置抽提進(jìn)入調(diào)和釜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)的DDU設(shè)備主要采用大中型PLC，整套控制系統(tǒng)成本很高，而本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用中小型PLC進(jìn)行控制，不需要擴(kuò)展模塊即可和智能稱(chēng)重儀表通過(guò)Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)高精確稱(chēng)重測(cè)量，通過(guò)自帶的高速脈沖輸出口控制伺服電機(jī)對(duì)油槍進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)控制，只需擴(kuò)展一個(gè)CP243網(wǎng)絡(luò)模塊即可并入整個(gè)生產(chǎn)車(chē)間的控制網(wǎng)絡(luò)。

1 自動(dòng)抽提裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

添加劑自動(dòng)抽提裝置主要有基礎(chǔ)油注入、添加劑抽提、管路清洗和返回基礎(chǔ)油四個(gè)主要工藝步。首先開(kāi)啟注油閥將來(lái)自調(diào)和釜的基礎(chǔ)油注入油罐中；然后根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的配方要求定量抽取不同種類(lèi)的添加劑到調(diào)和釜中；在抽取不同種類(lèi)的添加劑之前要首先在油罐旁管工位抽取基礎(chǔ)油清洗油槍管路；添加劑配比結(jié)束后將油罐中的基礎(chǔ)油返回至調(diào)和釜。抽取添加劑這一工藝環(huán)節(jié)在整個(gè)裝置的工作流程中最為重要，其控制方法也最為復(fù)雜，是整個(gè)控制系統(tǒng)中的難點(diǎn)與關(guān)鍵。添加劑抽提工藝的控制流程圖如圖1所示。

添加劑自動(dòng)抽提裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，抽取添加劑時(shí)由伺服電機(jī)1通過(guò)絲杠2帶動(dòng)油槍3上下運(yùn)動(dòng)，抽取結(jié)束時(shí)由氣缸5關(guān)閉油槍底閥4，清洗管路時(shí)無(wú)桿滑臺(tái)氣缸7帶動(dòng)支架6到達(dá)洗槍工位進(jìn)行管路清洗。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件配置

PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心用來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，根據(jù)控制方案及點(diǎn)數(shù)選擇西門(mén)子公司的CPU224XP晶體管型PLC，上面帶有2個(gè)RS485自由通訊口，其中Port0與柯力智能稱(chēng)重儀表采用Modbus RTU協(xié)議通信，Port1口與Smart700觸摸屏通過(guò)PPI電纜進(jìn)行通信[1]。在該型CPU的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一個(gè)模擬量模塊EM235，使用CPU自帶的高速脈沖輸出口（Q0.0）和EM235上的模擬量輸出通道AQW0對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制和速度控制，通過(guò)CPU上的模擬量輸出通道控制臺(tái)達(dá)變頻器調(diào)節(jié)泵的抽取速度，HMI主要承擔(dān)參數(shù)設(shè)定，參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，操作機(jī)器等工作[2]?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 程序結(jié)構(gòu)概述

系統(tǒng)程序由一個(gè)主程序和若干子程序組成，包括通訊程序、系統(tǒng)初始化程序，手動(dòng)調(diào)試程序，自動(dòng)運(yùn)行程序、定時(shí)中斷程序和帶參數(shù)的變頻器調(diào)用子程序等；程序結(jié)構(gòu)采用SCR順序控制，在設(shè)備上電后首先執(zhí)行初始化，設(shè)定各參數(shù)初值，伺服電機(jī)和閥門(mén)返回初始位置，當(dāng)各初始位傳感器給出反饋信號(hào)后進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)運(yùn)行程序包含4個(gè)工藝步子程序；當(dāng)切換到手動(dòng)調(diào)試模式時(shí)，自動(dòng)運(yùn)行停止，手動(dòng)操作電機(jī)和閥門(mén)；點(diǎn)擊自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)重新執(zhí)行初始化后進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行程序。

2.3 添加劑精確抽取控制策略

在添加劑的抽取過(guò)程中，為提高工作效率，首先使用較大速度對(duì)添加劑進(jìn)行抽取，當(dāng)距離設(shè)定量還剩20%時(shí)，PLC記錄下儀表此時(shí)采集的添加劑重量VD658，然后減去后續(xù)抽取過(guò)程中添加劑的實(shí)時(shí)重量VD646，得到該時(shí)刻已抽重量LD12，再用設(shè)定值VD662的20%減去已抽重量LD12，得到距離設(shè)定量的差值LD16，PLC會(huì)隨著設(shè)定量的臨近控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)數(shù)成比例減小，有效防止了因泵的抽取速度過(guò)快而造成的抽取過(guò)量問(wèn)題，從而保證了添加劑的配比精度，為消除機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)作上造成的延時(shí)誤差，當(dāng)距離設(shè)定值5‰時(shí)，關(guān)閉槍口閥，停泵，結(jié)束抽取。

PLC與智能稱(chēng)重儀表之間通過(guò)RS485總線建立起Modbus通訊網(wǎng)絡(luò)。Modbus協(xié)議采用主從方式的查詢(xún)響應(yīng)機(jī)制，主機(jī)PLC發(fā)起通訊，智能儀表響應(yīng)PLC的各項(xiàng)通訊指令[3]。Modbus RTU(Remote Terminal Unit)協(xié)議模式表達(dá)相同的信息需要數(shù)據(jù)位數(shù)較少，而且在相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量和更高的通訊效率。一般工業(yè)智能儀表儀器都是采用RTU模式的Modbus規(guī)約[4]。

調(diào)用S7-200的Modbus通訊指令塊，初始化主設(shè)備通信參數(shù)，設(shè)置通信波特率為9600，校驗(yàn)方式為無(wú)校驗(yàn)，應(yīng)答時(shí)間設(shè)置為1000ms，使儀表中的設(shè)定與PLC中保持一致；然后在Modbus從站指令塊中選擇讀寫(xiě)方式，匹配從站地址，為了提高傳輸速度，將所傳輸數(shù)據(jù)的類(lèi)型設(shè)置為字傳輸，填寫(xiě)對(duì)應(yīng)的寄存器類(lèi)型，設(shè)置存儲(chǔ)地址起始位，最后分配庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)。將傳輸數(shù)據(jù)在程序中進(jìn)行處理，使其顯示為添加劑凈重。

2.4 油槍液位跟蹤控制策略

在添加劑抽取過(guò)程中，如果油槍伸入添加劑液面過(guò)長(zhǎng)，在抽取其他種類(lèi)添加劑時(shí)會(huì)造成交叉污染，將降低所生產(chǎn)潤(rùn)滑油的品質(zhì)，通過(guò)伺服電機(jī)可以精確控制油槍伸入液面的長(zhǎng)度，在脈沖輸出向?qū)е羞x擇線性脈沖串輸出（PTO）的方式來(lái)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制。油槍分兩個(gè)動(dòng)作順序步進(jìn)入添加劑液面，所以需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，為提高工作效率，包絡(luò)0使用較高的脈沖頻率控制伺服電機(jī)快速下降到添加劑桶面上方。操作者把桶口對(duì)準(zhǔn)油槍方向，再次啟動(dòng)油槍?zhuān)j(luò)1先通過(guò)步1使用較低脈沖頻率控制油槍慢速進(jìn)入桶內(nèi)，當(dāng)油槍即將進(jìn)入液面時(shí)過(guò)渡到步2使油槍以更慢的速度平穩(wěn)的進(jìn)入添加劑中，防止液面晃動(dòng)造成稱(chēng)重測(cè)量誤差。速度定義畫(huà)面如圖4所示。

圖4 速度定義畫(huà)面

每次抽取添加劑時(shí)，桶內(nèi)添加劑初始高度并不固定，而油槍在追尋液面時(shí)需要知道液位值，才能通過(guò)伺服電機(jī)控制油槍在液面內(nèi)的距離固定。添加劑桶雖無(wú)法安裝液位計(jì)，但是桶的規(guī)格一定并且各種類(lèi)添加劑的密度已知，所以可以根據(jù)Modbus稱(chēng)重儀表測(cè)量的重量值在PLC中除以所選種類(lèi)添加劑的密度和桶底面積換算成添加劑液位值VW674，再用油槍距桶底這一固定高度值減去添加劑液位，就可以給出每次抽取油槍的下降高度。

泵啟動(dòng)抽取添加劑，液面開(kāi)始下降，為了既保證油槍口能始終處在添加劑液面下方正常抽取，又不使槍管深入液面下過(guò)多造成添加劑掛壁，油槍?xiě)?yīng)在抽取過(guò)程中始終跟蹤添加劑液面，而且應(yīng)盡量使槍口伸入液面距離保持一定值，這樣可以減小稱(chēng)重測(cè)量中油槍的干擾誤差。只有知道液面的下降速度，才能控制油槍速度和液面保持一致，使用特殊存儲(chǔ)器SMB34、中斷時(shí)間間隔設(shè)為250ms的定時(shí)中斷1創(chuàng)建一個(gè)周期為1S的高精度定時(shí)，每1S向累加器中存入一次添加劑液位值，用當(dāng)前液位值減去上一周期累加器中記錄的液位值，得到每秒鐘的液位變化，即液面下降速度，把伺服電機(jī)切換到速度控制模式，將液位下降速度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量反饋給伺服電機(jī)控制油槍下降速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)添加劑的液面追蹤。與PLC接線方式如圖5所示。

圖5 伺服驅(qū)動(dòng)與PLC接線圖

2.5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏作為控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，使用Wincc flexible編程軟件進(jìn)行組態(tài)，界面中設(shè)置有手自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，可以隨時(shí)切換到手動(dòng)模式，點(diǎn)擊任意執(zhí)行元件，手動(dòng)調(diào)試閥門(mén)與電機(jī)；每個(gè)工藝步都有相應(yīng)的啟動(dòng)按鈕，抽提工藝中，設(shè)置有添加劑種類(lèi)按鈕，用來(lái)配比不同種類(lèi)添加劑，通過(guò)觸摸屏可以設(shè)定添加劑抽取量等生產(chǎn)參數(shù)，添加劑重量與基礎(chǔ)油溫度等信息都可以實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控界面上，操作界面如圖6所示。

圖6 觸摸屏操作界面

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以S7-200PLC為控制器，利用人機(jī)界面整合系統(tǒng)各控制功能，操作簡(jiǎn)潔、方便，基于Modbus協(xié)議的主從通訊，充分發(fā)揮了智能稱(chēng)重儀表的各項(xiàng)功能，配合以伺服電機(jī)、變頻器調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑油生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)不同種類(lèi)添加劑的精確抽取，精度高達(dá)3‰，并解決了在抽取過(guò)程中因添加劑掛壁而造成交叉污染的難題。

[1]周亮,李珍.基于PLC的液體袋裝包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2013(1):88-91.

[2]束長(zhǎng)寶.基于Modbus RTU協(xié)議的剪板機(jī)變頻控制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(12):118-120.

[3]劉金華,彭芳,劉寶軍.空氣包覆紗機(jī)精密卷繞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表,2013(8):26-29.

[4]王興貴,張明智,杜瑩.Modbus RTU通信協(xié)議在智能儀表與工控機(jī)通信中的應(yīng)用[J].低壓電器,2008(2):8-11.