朱志豪，李 陽，陳再良

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215021）

機(jī)床潤滑劑制備工藝PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

朱志豪，李 陽，陳再良

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215021）

為了滿足現(xiàn)今機(jī)床潤滑劑制備的工藝要求，針對其主要工藝流程，研發(fā)出一套新一代生產(chǎn)設(shè)備，設(shè)計了以PLC為控制器，硬件電路為主體，集編程、液位監(jiān)測，傳感器為一體的自動控制系統(tǒng)。介紹了設(shè)備的主要工藝流程，控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝及調(diào)試過程。設(shè)備運行結(jié)果證明，該設(shè)備投入生產(chǎn)后，效率提高了120%，精度高并且性能穩(wěn)定。

潤滑劑制備；PLC；自動控制

0 引言

潤滑劑的生產(chǎn)屬于化工類行業(yè)，可以應(yīng)用于機(jī)床加工、汽車機(jī)械等行業(yè)，能夠降低摩擦副的摩擦阻力，減緩其磨損，還能夠起到冷卻、清洗和防止污染等作用[1]。

潤滑劑的制備是依靠不等量融合工藝進(jìn)行生產(chǎn)的。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工序分為加料、放料、反應(yīng)和儲存，加料過程是整個制備過程的關(guān)鍵。在升級改造之前，加料過程只能夠依賴人工進(jìn)行加料。加料液位的準(zhǔn)確性和進(jìn)料的時間點精確度都較低，直接影響了成品的質(zhì)量。工人在人工加料的同時不可避免的會接觸原料和帶入雜質(zhì)，不僅影響了精度，也會造成一定的人身損傷[2,3]。

針對傳統(tǒng)加工工序所存在的問題，文章提出了一種新型的以PLC為控制器的潤滑劑加料控制系統(tǒng)，并對其控制方案、安裝和調(diào)試過程進(jìn)行了詳細(xì)討論。該系統(tǒng)提升了加料容器的性能，實現(xiàn)了加料步的自動化，并在原有工序維持不變的情況下，提高了設(shè)備的精度和制備過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了潤滑劑的循環(huán)制備，滿足了多量化生產(chǎn)的需求。同時也保障了生產(chǎn)過程中的人員安全。

1 潤滑劑加料、清洗工藝流程

原始方案如圖1(a)所示，按順序手工向進(jìn)料器A、B、C、D中依次加料，通過進(jìn)料器進(jìn)入反應(yīng)塔反應(yīng)，反應(yīng)完畢后手動打開開關(guān)閥，成品進(jìn)入儲存器儲存。

改進(jìn)后的方案主要由圓柱式防腐容器（儲存器）、電磁閥、離心泵、變量柱塞泵、液位計等組成，如圖1(b)所示。三個離心泵按照順序依次抽取料液，由液位計監(jiān)測液位是否到達(dá)設(shè)定值，若到達(dá)設(shè)定值，離心泵停止工作，進(jìn)料停止，對應(yīng)的電磁閥打開，由柱塞泵直接將液料送入反應(yīng)塔進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)完成后，總控制電磁閥打開，成品進(jìn)入儲存器儲存，該過程循環(huán)24次結(jié)束[4]。改進(jìn)后的方案，由于采用液位計進(jìn)行液位監(jiān)測，用繼電器和PLC混合控制方式實現(xiàn)潤滑劑量產(chǎn)制備過程的時間控制和循環(huán)控制。因此，系統(tǒng)能夠控制加工時的連續(xù)精確加料，并監(jiān)測暫存容器內(nèi)的物料狀態(tài)。由變頻器控制的變量柱塞泵能夠從貯藥桶中精確取液，送入圓柱式防腐容器中，并通過液位計進(jìn)行料位監(jiān)測。采用了無級調(diào)速的柱塞泵，流量可在5～50L/h范圍內(nèi)變化，最高可達(dá)50L，充滿系數(shù)為0.5。實現(xiàn)了加料、清洗工藝流程的智能化。其中，加料工藝通過自動進(jìn)料取代了傳統(tǒng)加工的手動進(jìn)料。在清洗工藝流程中，若將試劑更改為清洗液，就可對整個設(shè)備進(jìn)行清洗，將制備過程轉(zhuǎn)化為清洗過程，實現(xiàn)了制備與清洗的兼容。

圖1 潤滑劑制備工藝流程

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 液位值的檢測

加工要求液位監(jiān)測裝置要有較強(qiáng)的抗腐蝕性和抗粘附性。為了獲取準(zhǔn)確的液位值和實現(xiàn)行自動控制，在此選用NL2000射頻導(dǎo)納物位開關(guān)，通過對液位值的測量所反饋的電容值進(jìn)行開關(guān)量的控制[5]。NL2000射頻導(dǎo)納物位開關(guān)規(guī)避了諸如浮球式等液位計易腐蝕粘附的弊端，保障多次測量的液位的穩(wěn)定性，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.2 PLC的選用及I/O點的分配

由于系統(tǒng)中涉及的輸入/輸出點不多，小型PLC就能滿足加工要求。因此，選取三菱公司的FX1S-20MR-001型PLC實現(xiàn)自動控制。FX1S-20MR-001的輸入/輸出（I/O）接口為12和8，I/O點的分配如表1所示，潤滑劑制備系統(tǒng)的外接電路連接方式如圖2所示。

圖2 制備系統(tǒng)PLC外部接線圖

2.3 梯形圖的設(shè)計

潤滑劑制備過程的工序為：加料→放料→反應(yīng)→儲存→加料，如此循環(huán)下去，直至加料過程結(jié)束。通過PLC內(nèi)部的繼電器進(jìn)行時間控制和步序控制，以保證每個工序的順利運行，整個過程的工序也經(jīng)過了多次實踐，保證了試劑充分的反應(yīng)時間和成品的質(zhì)量。循環(huán)次數(shù)定位24次，確保儲存器一次性的收容完成。另外，產(chǎn)品制備循環(huán)24次后，需運行清洗流程，去除黏附在容器壁上的試劑，保證下次生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

表1 PLC輸入與輸出信息表

圖3 加料過程控制流程圖

在設(shè)計自動加料系統(tǒng)PLC程序時，沒有相應(yīng)的寄存器-接觸器控制線路，無法直接從繼電器控制電路來演變成相應(yīng)的PLC程序。因此，我們從控制策略入手，采用功能圖設(shè)計法，逐步完善每一步的要求[6]。

整個過程分成四個階段：初始化、進(jìn)料、放料反應(yīng)、儲存，如此循環(huán)下去，直至工作結(jié)束。整個過程的工序經(jīng)過了多次實踐，驗證了其可行性[7]。在加料過程中，盛放料的三個容器的液位分別由三個液位開關(guān)控制，當(dāng)容器內(nèi)的液位達(dá)到指定值，液位計斷開，停止進(jìn)料，此時所對應(yīng)的常閉電磁閥打開，物料進(jìn)入反應(yīng)塔。由于不能保證哪個容器所加料首先達(dá)到設(shè)定值，于是在程序中設(shè)了一個T0 D200這樣一個數(shù)據(jù)寄存器來寄存數(shù)據(jù)，當(dāng)三個電磁全部打開后，柱塞泵向反應(yīng)塔內(nèi)注入物料D，數(shù)據(jù)寄存器T0 D200保證當(dāng)三個容器全部加料完畢后再進(jìn)行下面的工作步。其他工作步的時間都是通過每個定時器來準(zhǔn)確控制時間的。在工作的過程中，不需要操作人員進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。加料過程的控制流程圖如圖3所示，其控制梯形圖如圖4所示。

M12、M13、M14為三個離心泵，在M0接通后一直處于加料狀態(tài)，三個液位都達(dá)到指定值后，觸發(fā)T0上升沿信號，隨時間控制三個電磁閥M8、M9、M10依次打開，直到T6（從反應(yīng)塔到儲存器的放料時間）。清洗程序中的T12，也是這個作用。

潤滑劑制備結(jié)束后，需要對容器進(jìn)行清洗，清洗過程由系統(tǒng)自動完成。自動清洗過程與加料過程相似，下面說明下自動清洗程序和上述過程的區(qū)別：

在M19，也是總控制防腐電磁閥1，所對應(yīng)的程序步中可以看到缺少常閉的T12，因此加料過程開啟之前，總控制防腐電磁閥1仍然處于通電狀態(tài)，保證液體無法進(jìn)入儲存容器中，不會破壞試劑。清洗后的液體則從另外的管道中排出，區(qū)別程序如圖6所示。

圖4 加料控制梯形圖

圖5 循環(huán)程序

圖6 清洗區(qū)別程序

3 安裝與調(diào)試

3.1 液位計的安裝調(diào)試

考慮到產(chǎn)品本身的要求，防腐容器的高度應(yīng)與液位計測試棒的高度相吻合。此外，為了便于安裝，需要準(zhǔn)備電木，寶塔街頭等輔助裝備，如圖7所示。

首先，用電木加工出加料容器的封頂裝置，并在中間用絲錐車出相應(yīng)的螺紋，以便于分體式液位計測量部分的安裝。然后，在容器上需要焊接寶塔接頭，用來安裝進(jìn)水管。

圖7 液位計安裝調(diào)試圖

3.2 電器部分的安裝及調(diào)試

電氣連接和現(xiàn)場布線都應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)要求，完成PLC與相應(yīng)電器設(shè)備的接線以及和相應(yīng)設(shè)備的安裝。然后將控制程序?qū)懭隤LC，并進(jìn)行放料、反應(yīng)、儲存過程的調(diào)試，驗證循環(huán)過程能否實現(xiàn)。

4 結(jié)論

這套制備系統(tǒng)主要有兩大優(yōu)點：

1）高效性。在原來制備潤滑劑工藝的基礎(chǔ)上，對工藝進(jìn)行了智能化設(shè)計和改良，提升了原材料、和設(shè)備的利用率，通過PLC程序中的循環(huán)控制，使得生產(chǎn)能夠連續(xù)，減少了換線時間，提升了制備潤滑劑的工作效率。運行結(jié)果表明，該設(shè)備投入生產(chǎn)后，效率提高了120%。

2）安全性好。在制備相應(yīng)潤滑劑或其他相關(guān)產(chǎn)品時，之前的工藝較為粗糙，而原材料本身是具有腐蝕性的，手工制備很容易造成接觸傷害。該系統(tǒng)不僅避免了上述傷害，還解決了人工加料影響產(chǎn)品性能的問題。在對生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化之后，能夠滿足同類潤滑劑產(chǎn)品的安全制備。

[1] 莫云輝,王帥寶,陶德華,等.新型鋅錫復(fù)合潤滑劑及其對鋼損傷表面的潤滑修復(fù)性能[J].南京理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,34(6):821-826.

[2] 王德巖,徐連蕓,常明華.綠色潤滑劑的過去, 現(xiàn)在和將來[J].潤滑油,2005,20(4):6-11.

[3] 耀華,金屬工藝,廣林,等.金屬加工潤滑劑[M].中國石化出版社,1998.

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[5] 張慶玲,李玉昆.基于HMI與PLC的液位監(jiān)控實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(6):79-81.

[6] 劉錚.汽包自動上水控制系統(tǒng)方案設(shè)計[J].電子測試,2016(Z1):14.

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Design of PLC control system for machine tool lubricant preparation

ZHU Zhi-hao, LI Yang, CHEN Zai-liang

TH16

：B

1009-0134(2017)06-0027-04

2017-03-10

青海省科技廳資助項目（2014-Z-Y09；2014-GX-219）；江蘇省科技廳資助項目（BY2016043-02）

朱志豪（1992 -），男，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向為機(jī)械工程。