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０引言
潤(rùn)滑脂主要用于降低機(jī)械摩擦，防止機(jī)械磨損，同時(shí)還起到保護(hù)金屬、防止氧化腐蝕的作用。潤(rùn)滑脂的生產(chǎn)原料包括石蠟油(也稱(chēng)礦物油或者白油)、稠化劑和添加劑等。石蠟油是從原油中分餾出來(lái)的無(wú)色無(wú)味的混合物，其中又可以分為輕質(zhì)石蠟油和一般石蠟油兩種，而輕質(zhì)石蠟油的比重和粘稠度較低[1]。
在潤(rùn)滑脂的生產(chǎn)過(guò)程中，石蠟油的灌裝還需要工人操作，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。石蠟油灌裝生產(chǎn)過(guò)程中，需要定時(shí)定量添加石蠟油到混料機(jī)，定量的控制精度要求在±３０g之內(nèi)，定時(shí)則是需要等待混料機(jī)下達(dá)定量信息，然后人工稱(chēng)重，再等待混料機(jī)下達(dá)添加石蠟油的指令。整個(gè)過(guò)程需要一位工人實(shí)時(shí)等候，從下達(dá)定量信息至稱(chēng)重完成大約需要２min的時(shí)間。這種石蠟油灌裝工藝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、人工成本高，且精度和實(shí)時(shí)性很難保證。目前液體灌裝設(shè)備在市面上種類(lèi)較多，由上海恒剛研發(fā)的半自動(dòng)活塞式稱(chēng)重式灌裝機(jī)灌裝量需要手動(dòng)調(diào)節(jié)；由南京世倫研發(fā)的液體自動(dòng)稱(chēng)重配料設(shè)備，稱(chēng)重精度高、速度快，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大。
為解決上述問(wèn)題，本研究將設(shè)計(jì)一套石蠟油自動(dòng)灌裝裝置，以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑脂生產(chǎn)的自動(dòng)化。
１總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
１.１技術(shù)要求
對(duì)石蠟油自動(dòng)灌裝裝置的研發(fā)，本文提出以下要求:
(1)工作介質(zhì)為石蠟油，粘度２０Pa·s~２５Pa·s(跟水的粘度近似)，主要是完成石蠟油的灌裝來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑脂生產(chǎn)的自動(dòng)化；
(２)每次灌裝最大質(zhì)量５kg，灌裝量由混料機(jī)PLC通過(guò)MODBUS通訊給定，灌裝精度控制在±３０g之內(nèi)；(３)管路采用對(duì)接式接口方便維修，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)
單，運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠，滿(mǎn)足使用要求；
(４)控制方便，外加手自動(dòng)切換按鈕、急停及指示燈等，并可以通過(guò)觸摸屏設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的各參數(shù)。
１.２工藝流程分析
石蠟油自動(dòng)灌裝裝置工藝流程主要分３部分:補(bǔ)料、稱(chēng)重和灌裝，如圖1所示。

(1)補(bǔ)料。由２號(hào)泵向儲(chǔ)料容器進(jìn)行補(bǔ)料，儲(chǔ)量容器內(nèi)有液位傳感器，并通過(guò)該裝置的PLC進(jìn)行信息處理，當(dāng)液位低于設(shè)定最低液面時(shí)，啟動(dòng)２號(hào)泵進(jìn)行補(bǔ)料，當(dāng)液面高于設(shè)定最高液面時(shí)，關(guān)閉２號(hào)泵結(jié)束補(bǔ)料。若在補(bǔ)料過(guò)程中原料桶空了，２號(hào)泵就會(huì)一直工作，所以在程序編寫(xiě)時(shí)，會(huì)對(duì)２號(hào)泵的啟動(dòng)進(jìn)行計(jì)時(shí)，若啟動(dòng)時(shí)間大于正常工作時(shí)由啟動(dòng)到停止的時(shí)間，說(shuō)明原料桶空了，系統(tǒng)則會(huì)報(bào)警并發(fā)出蜂鳴聲，提醒工作人員更換原料桶；
(２)稱(chēng)重。首先是要接收混料機(jī)的目標(biāo)重量A，并通過(guò)PLC觸發(fā)稱(chēng)重控制器開(kāi)始稱(chēng)重，由稱(chēng)重控制器控制開(kāi)啟氣動(dòng)快、慢閥，待接近目標(biāo)重量時(shí)，關(guān)閉氣動(dòng)快閥，稱(chēng)重完成后關(guān)閉氣動(dòng)慢閥，稱(chēng)重結(jié)束后，會(huì)把當(dāng)前的實(shí)際值B與目標(biāo)值A(chǔ)進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)的誤差在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)(一般是±３０g)，則判斷此次稱(chēng)重合格，并把稱(chēng)重完成信息即數(shù)據(jù)B通知到混料機(jī)PLC，并把合格的石蠟油排放到暫存容器，之后處于等待狀態(tài)；若比對(duì)的誤差不在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，則判斷此次稱(chēng)重失敗，打開(kāi)氣動(dòng)排空閥和1號(hào)泵，把稱(chēng)重失敗的石蠟油回放到儲(chǔ)料容器后，開(kāi)始下一輪的稱(chēng)重，直至稱(chēng)重合格；
(３)灌裝?；炝蠙C(jī)PLC接收到數(shù)據(jù)B后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)發(fā)出信號(hào)1給稱(chēng)重PLC；稱(chēng)重PLC啟動(dòng)1號(hào)泵，把暫存容器中的介質(zhì)注入混料機(jī)，完成后關(guān)閉1號(hào)泵，這樣，合格的介質(zhì)注入到混料機(jī)中。
通過(guò)對(duì)石蠟油自動(dòng)灌裝裝置工藝流程的分析，本設(shè)備設(shè)計(jì)重點(diǎn)為稱(chēng)重部分，即保證灌裝精度。為了保障灌裝精度，采取以下措施:
(1)在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)平衡穩(wěn)定的稱(chēng)重平臺(tái)，
盡量減少外部因素影響稱(chēng)重過(guò)程；
(２)選擇精度高，速度快的稱(chēng)重模塊；
(３)在電氣控制方面，每次開(kāi)機(jī)需要對(duì)稱(chēng)重模塊進(jìn)行標(biāo)定；稱(chēng)重完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)A和B比對(duì)，若連續(xù)３次比對(duì)失敗，程序報(bào)警需要再次對(duì)稱(chēng)重模塊標(biāo)定；稱(chēng)重合格，排放到暫存容器，設(shè)定殘余量在許可范圍時(shí)關(guān)閉放料閥。
１.３機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械結(jié)構(gòu)根據(jù)工藝流程采取自上而下的設(shè)計(jì)，利用介質(zhì)本身的重力，實(shí)現(xiàn)石蠟油的自動(dòng)稱(chēng)重，減少水泵的使用(水泵只有在補(bǔ)料和灌裝時(shí)使用)。
總體設(shè)計(jì)方案及現(xiàn)場(chǎng)布局如圖２所示。
整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)分為３部分:儲(chǔ)料部分、稱(chēng)重部分和暫存部分。

(1)儲(chǔ)料部分。該裝置的最上端為儲(chǔ)料容器，容量為３６L，其上端有兩個(gè)進(jìn)料口，左側(cè)為稱(chēng)重不合格石蠟油的進(jìn)料口，右側(cè)為自動(dòng)補(bǔ)料進(jìn)料口，容器內(nèi)安裝有液位傳感器，實(shí)時(shí)通過(guò)模擬量采集模塊傳輸至PLC，實(shí)現(xiàn)石蠟油的自動(dòng)補(bǔ)料；其下端連接有快裝三通手閥，手閥一端連接皮管通至原料桶，用于手動(dòng)排空儲(chǔ)料容器，另一端連接快裝Y型彎頭，用于連接控制稱(chēng)重的快閥和慢閥；
(２)稱(chēng)重部分。為了保證稱(chēng)重的精確性，盡量避免干擾因素，機(jī)械方面:上端兩個(gè)進(jìn)料口與快慢閥之間是無(wú)接觸的，下端放料口與暫存部分是無(wú)接觸的，稱(chēng)重容器為圓桶型，所以稱(chēng)重傳感器采用懸梁式高精度桶秤傳感器，桶秤傳感器的特點(diǎn)是在受力后可以自動(dòng)調(diào)整中心點(diǎn)，為保證稱(chēng)重過(guò)程的平穩(wěn)精確，采用３對(duì)桶秤傳感器呈Y型分布安裝；控制方面:在稱(chēng)重控制器結(jié)束稱(chēng)重，快閥和慢閥在關(guān)閉后可能會(huì)有石蠟油滴落，此時(shí)需要等待數(shù)秒后再進(jìn)行實(shí)際值B和目標(biāo)值A(chǔ)的比對(duì)，使得測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確；
(３)暫存部分。主要是用來(lái)暫時(shí)存放來(lái)自稱(chēng)重容器的石蠟油，所以底部形狀設(shè)計(jì)為漏斗狀，便于1號(hào)泵快速抽干容器內(nèi)的石蠟油。
與鋼鐵等其他材料的軋制成形相比，鋁型材具有方便拼接、機(jī)加工少、份量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，故該裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框架選用鋁型材。

２控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
２.１硬件選型
通過(guò)對(duì)工藝流程和機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，該裝置需要對(duì)液位傳感器的模擬量和各種輸入輸出點(diǎn)的邏輯進(jìn)行判斷，故本研究采用由西門(mén)子Step７-２００smartPLC作為系統(tǒng)的控制器。而針對(duì)液位傳感器的模擬信號(hào)，需要擴(kuò)展EMAM０３(２AI/1AQ)模擬量模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由PLC進(jìn)行處理[５-６]。自動(dòng)稱(chēng)重控制器選用歐路達(dá)AD２０1６D1型稱(chēng)重控制器，控制器的內(nèi)部參數(shù)可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS—RTU通訊方式實(shí)現(xiàn)與PLC的實(shí)時(shí)通訊[７]。針對(duì)人機(jī)界面HMI，本文采用同系列的Smart７００IEV３觸摸屏。
２.２I/O分配
PLC的I/O分配如表1所示。

２.３主要PLC控制程序

根據(jù)技術(shù)要求和工藝流程，繪制控制流程圖，如圖3所示。

液位傳感器的量程為０~０.６m，傳感器將壓強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成４mA~２０mA的電流信號(hào)，PLC模擬量模塊采集信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)[８]。在用Step７-Micro/WINSMART軟件編程之前需要對(duì)模擬量模塊進(jìn)行組態(tài)，設(shè)置模擬量輸入類(lèi)型為電流，范圍為０~２０mA。

由PLC讀取模擬量模塊的AIW1６存儲(chǔ)單元的數(shù)字量信息，并通過(guò)液位變化量與所讀取的數(shù)字量之間的變換關(guān)系，將當(dāng)前液位數(shù)據(jù)保存在VW1０存儲(chǔ)單元內(nèi)。
自動(dòng)補(bǔ)料程序如圖４所示。

該程序通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)定上限和下限液位。當(dāng)液位低于下限，程序會(huì)啟動(dòng)２號(hào)泵；當(dāng)液位高于上限，程序會(huì)停止２號(hào)泵，并對(duì)２號(hào)泵導(dǎo)通計(jì)時(shí)。若在VW11８所設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，２號(hào)泵還處在導(dǎo)通狀態(tài)，則說(shuō)明原料桶已空，會(huì)引發(fā)紅燈和蜂鳴器報(bào)警，強(qiáng)制關(guān)閉２號(hào)泵。在更換原料桶后，通過(guò)復(fù)位按鈕重新恢復(fù)自動(dòng)補(bǔ)料控制。
AD２０1６D1稱(chēng)重控制器支持主從形式的標(biāo)準(zhǔn)MODBUS—RTU網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議中的寄存器讀寫(xiě)功能。PLC與稱(chēng)重控制器的數(shù)據(jù)交換程序如圖５所示。

第一段程序中的MBUSCTRL用于單個(gè)Mod-busRTU主站，Mode輸入值為1時(shí)，將CPU端口分配給Modbus協(xié)議并啟用該協(xié)議；Parity(奇偶校驗(yàn))設(shè)置為與Modbus從站設(shè)備的奇偶校驗(yàn)相匹配；Port(端口)設(shè)置物理通信端口(０為CPU中集成的RS-４８５)；Timeout(超時(shí))為等待從站做出響應(yīng)的毫秒數(shù)(可以設(shè)置為1ms~３２７６７ms之間的任何值)。
第二、三段程序是PLC讀寫(xiě)控制器內(nèi)部地址的參數(shù)，寄存器地址與數(shù)據(jù)對(duì)照表如表２所示。

其中，實(shí)時(shí)重量、目標(biāo)值、快速提前量和慢速提前量均為４字節(jié)長(zhǎng)整型。根據(jù)程序地址定義，其所對(duì)應(yīng)的地址分別為VD1３０、VD1５８、VD1６２和VD1６４，并通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行讀寫(xiě)。
２.４人機(jī)界面的設(shè)計(jì)
人機(jī)界面與PLC屬于同一系列的產(chǎn)品，兩者采用以太網(wǎng)(TCP/IP)通訊。根據(jù)工藝流程，人機(jī)界面基本包括主界面、手自動(dòng)界面和參數(shù)設(shè)定界面。
人機(jī)界面如圖６所示。

３實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
經(jīng)過(guò)安裝、調(diào)試和與現(xiàn)場(chǎng)混料機(jī)的通訊，證明該設(shè)備已經(jīng)可以正常平穩(wěn)地運(yùn)行。本文分別對(duì)不同質(zhì)量的石蠟油進(jìn)行多次稱(chēng)重灌裝，灌裝結(jié)果再次測(cè)量，誤差范

圍均在±２０g之內(nèi)，符合精度要求。
在效率方面，最大量５kg稱(chēng)重灌裝過(guò)程用時(shí)６０s，較之前人工灌裝，不僅在精度、速度，還是實(shí)時(shí)性方面表現(xiàn)突出，節(jié)省人工成本，提高了生產(chǎn)效率。
４結(jié)束語(yǔ)
本研究針對(duì)潤(rùn)滑脂生產(chǎn)過(guò)程石蠟油灌裝工序中存在的精度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)用性能穩(wěn)定功能強(qiáng)大的可編程邏輯控制器(PLC)控制，開(kāi)發(fā)了集石蠟油自動(dòng)補(bǔ)料、稱(chēng)重和灌裝的石蠟油自動(dòng)灌裝裝置，該裝置具有以下特點(diǎn):
(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)以鋁型材為框架采用上下式分布，方便灌裝和設(shè)備維修；
(２)采用液位傳感器和稱(chēng)重控制器，使得裝置工作運(yùn)行平穩(wěn)可靠，精度更高；
(３)PLC、人機(jī)界面和稱(chēng)重控制器之間的實(shí)時(shí)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和處理，大大提高工作效率。
實(shí)際生產(chǎn)證明:該石蠟油自動(dòng)灌裝裝置在灌裝的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度均滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。
 

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