油氣潤滑系統(tǒng)供油單元的控制?

劉雨辰，孫啟國，呂洪波

（北方工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100144）

油氣潤滑系統(tǒng)供油單元的控制?

劉雨辰，孫啟國，呂洪波

（北方工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100144）

油氣潤滑是一種應(yīng)用氣液兩相流進行潤滑的新興潤滑技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、耗油量少、運行成本低、維護簡便易行等優(yōu)點。供油單元是油氣潤滑系統(tǒng)的重要組成部分，對潤滑效果有很大影響。設(shè)計了供油單元的控制電路和控制程序并采用Multisim10對溫度信號采集電路進行了模擬仿真，實現(xiàn)了供油單元自動檢測溫度、液位，并能夠加熱、自動補油和報警等功能，降低了供油單元的制造成本與運行功耗，提高了系統(tǒng)集成度。

油氣潤滑；供油單元；單片機控制

1 引 言

油氣潤滑是一種應(yīng)用氣液兩相流進行潤滑的新興潤滑技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、耗油量少、運行成本低、維護簡便易行等優(yōu)點［1］。供油單元是油氣潤滑系統(tǒng)的重要組成部分，對潤滑效果有很大影響。傳統(tǒng)的供油單元結(jié)構(gòu)簡單，采用由分立器件構(gòu)成的電路進行控制，技術(shù)落后、能耗高。筆者對油氣潤滑系統(tǒng)及其供油單元的工作原理進行了分析，根據(jù)油氣潤滑系統(tǒng)的工作特點，設(shè)計了以單片機作為控制器的油氣潤滑系統(tǒng)供油單元的控制電路與控制程序。

2 油氣潤滑系統(tǒng)供油單元概述

筆者設(shè)計油氣潤滑系統(tǒng)供油單元采用雙油箱結(jié)構(gòu)。下層油箱為主油箱，容積較小，加熱潤滑油并向油氣潤滑系統(tǒng)供油。上層油箱為副油箱，容積較大，主要作用為大量儲存潤滑油。上下油箱之間有電磁閥和管路相連接，當主油箱內(nèi)液位低于設(shè)定值時，電磁閥打開，副油箱給主油箱補充潤滑油，補充完畢之后電磁閥關(guān)閉，主油箱開始加熱潤滑油并準備向設(shè)備供油。供油單元的原理圖如圖1所示。

3 油氣潤滑系統(tǒng)控制電路的設(shè)計

筆者設(shè)計的供油單元的硬件主要由、加熱器、電磁閥、報警器、STM32F103ZET6單片機溫度傳感器和液位傳感器等組成，其原理如圖2所示。

圖1 供油單元原理圖

PT100溫度傳感器安裝于主油箱頂部，導(dǎo)熱的金屬桿深入到油箱的中心部位檢測溫度。投入式液位計置于油箱底部，其信號線通過頂部的孔伸出與單片機相連接。傳感器的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理電路和放大電路處理，再通過單片機自身的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入STM32F103ZET6單片機，單片機通過驅(qū)動電路控制加熱器、電磁閥和報警燈的啟停。

圖2 油氣潤滑系統(tǒng)供油單元原理圖

在0℃時，鉑熱電阻PT100的阻值為100 Ω。在0～100℃區(qū)間內(nèi)，PT100熱敏電阻的阻值RPT100與溫度呈線性關(guān)系［2］：

式中：RPT100（t）為t℃時RPT100的阻值，Ω；t為溫度，℃；A為常數(shù)，其值為3.908×10－3。供油單元的溫度傳感器所測的溫度范圍設(shè)為0～100℃，因此采用PT100溫度傳感器便于數(shù)據(jù)的采集與處理。

溫度信號采集電路如圖3所示，由R1、R2、R3與RPT100構(gòu)成直流電橋，使用3個LM324構(gòu)成放大電路，將電橋的輸出電壓進行放大。直流電橋的電橋電壓為12 V，其輸出的電壓VD與RPT100的關(guān)系為：

供油單元溫度傳感器信號采集電路的電壓放大倍數(shù)的選取，主要遵循兩個原則。首先，當溫度從0℃上升1℃時，電壓的改變量最小，必須保證此改變量能被STM32F103ZET6數(shù)模轉(zhuǎn)換器識別。其次，應(yīng)盡量保證在100℃時，電路輸出電壓等于單片機的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓，以提高轉(zhuǎn)換的精確度。

將R1＝100 Ω、R3＝R4＝1 000 Ω帶入式（2）得：

由式（1），當Δt＝1℃時，ΔR＝0.390 8 Ω，將ΔR帶入式（3），得VD＝0.003 8 V。STM32F103ZET6數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率為12位，A／D轉(zhuǎn)換器的量程為0～3.3 V。A／D計算出轉(zhuǎn)換器能夠識別的最小電壓的變動量為0.000 8 V。當溫度上升1℃時，A／D轉(zhuǎn)換器能夠識別。

當所測油溫為100℃時，ΔR即為39 Ω，計算出0.373 5 V。STM32F103ZET6數(shù)模轉(zhuǎn)換器引腳的輸入電壓的最大值為3 V，計算出放大倍數(shù)為8.032倍，取8倍。

采用LM324運算放大器對VD進行放大，放大后的模擬信號輸入STM32F103ZET6的PC4／ADC12＿IN14引腳，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量。

為了模擬實際中電路工作的情況，使用Multi?sim10對溫度采集電路進行模擬仿真。分別將RPT100的阻值設(shè)置為100 Ω、100.3 Ω、110 Ω、119.5 Ω、129.3 Ω和139 Ω，以模擬PT100溫敏電阻隨溫度的變化情況，使用Oscilloscope元件XSC1顯示電路的輸出結(jié)果，如表3所示。

圖3 溫度信號采集電路

表3 電壓輸出結(jié)果

結(jié)果表明，隨著RPT100阻值的上升，直流電橋的輸出電壓增大，集成運放LM324的輸出電壓也增大。當RPT100為100 Ω時，由于電橋橋臂的電阻相等，電橋的輸出電壓為0 V，放大電路的輸出電壓也為0 V；當溫度從0℃上升1℃時，放大電路的輸出電壓上升約0.029 V，大于STM32F103ZET6能夠識別的最小電壓變動量；當溫度接近100℃時，電路的輸出電壓接近3 V。放大電路的輸出電壓與RPT100阻值的阻值關(guān)系與式（3）基本相符，且當RPT100阻值保持不變時，放大電路的電壓較為穩(wěn)定，證明了溫度信號采集電路的設(shè)計的合理性。

所選用的投入式液位計為不銹鋼全密封封裝，測量范圍0～1 m，能夠在0～85℃的區(qū)間內(nèi)正常工作，具有安裝方便、耐腐蝕、測量精度高、不易損壞、穩(wěn)定性好等優(yōu)點［3］。其電氣連接電纜為防腐導(dǎo)氣電纜，輸出電壓為0～5 V，超出了STM32F103ZET6單片機ADC引腳的輸入電壓范圍，因此須將投入式液位計輸出的電壓經(jīng)兩個 1 MΩ電阻分壓后，再接入STM32F103ZET6單片機的PC5／ADC12＿IN15引腳，由單片機的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。投入式液位計的輸出電壓與液位之間的關(guān)系為：

式中：h為液位高度，m；VOUT為投入式液位計的輸出電壓，V。

電加熱器、電磁閥和聲光報警器的驅(qū)動電路如圖4所示。STM32F103ZET6單片機引腳 PF6、PF7和PF8分別通過電阻10 K的電阻與光耦MOC3011相連，通過接通或是斷開220V電源來控制電加熱器、電磁閥和聲光報警器的啟停。

驅(qū)動電路采用光耦進行光電隔離。光耦用光作為媒介來傳送電信號，所以使用其進行電氣絕緣和電平轉(zhuǎn)換，可較好地實現(xiàn)輸入、輸出電信號的隔離、抗干擾能力較強、性能較為穩(wěn)定、傳輸效率很高，且相較于繼電器，光耦無觸點，避免了閉合、斷開時產(chǎn)生的燒蝕現(xiàn)象，增加了使用壽命。

圖4 控制系統(tǒng)的驅(qū)動電路

4 油氣潤滑系統(tǒng)供油單元的軟件設(shè)計

供油單元的軟件的主要包括初始化、ADC數(shù)據(jù)采集、溫度控制子程序和液位控制子程序等4個環(huán)節(jié)，STM32F103ZET6單片機開始工作后，將依次執(zhí)行這4個環(huán)節(jié)，如圖5所示。

初始化環(huán)節(jié)配置相應(yīng)寄存器、對ADC、GPIO等模塊的功能進行設(shè)定。ADC數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)開啟ADC并接收傳感器電壓、將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。溫度控制子程序為 STM32F103ZET6單片機的 ADC中讀出PT100溫度傳感器的輸出電壓，由式（1）與式（3）聯(lián)立解出其溫度值，并根據(jù)溫度判斷是否開啟加熱器，并通過GPIO引腳控制加熱器的通斷。液位控制子程序從ADC中讀出投入式液位計的讀數(shù)，由式（4）計算出液位高度，并判斷是否需要開啟電磁閥向主油箱補充潤滑油，若液位低于1.5×10－1（m）時，電磁閥開啟，反映電磁閥工作狀態(tài)的變量置1，同時定時器TIM3開始工作。當液位達到3.5×10－1（m）時，關(guān)閉電磁閥，將定時器TIM3重新初始化。若器經(jīng)過一定時間之后液位還未補足，表明副油箱潤滑油耗盡，打開聲光報警器。

圖5 主程序流程圖

實驗通過設(shè)定STM32F103ZET6單片機引腳的輸入電壓，以輸出參數(shù)值及電加熱器和電磁閥狀態(tài)變量的方式檢驗程序的運行結(jié)果。為方便觀察實驗結(jié)果，采用SSD1963液晶顯示屏驅(qū)動模塊，通過3.5寸液晶顯示屏輸出變量及當前加熱器和電磁閥的啟停狀態(tài)。驗證結(jié)果圖6（a）所示中當溫度與液位的變量值達到設(shè)定值，控制加熱器和電磁閥的輸出引腳均清“0”，其狀態(tài)顯示為OFF。圖6（b）、（c）、（d）中，當溫度值的參數(shù)為10℃時，加熱器引腳置1，其狀態(tài)顯示為ON，當液位參數(shù)為0.1×10－1（m）時，電磁閥狀態(tài)變?yōu)镺N。結(jié)果顯示，程序能夠正常運行。

圖6 程序原理驗證結(jié)果

5 結(jié) 論

筆者設(shè)計了供油單元的控制電路和控制程序，主要工作及結(jié)論如下。

（1）設(shè)計了信號采集電路、驅(qū)動電路、單片機的配置程序、STM32F103ZET6A／D轉(zhuǎn)換程序、溫度和液位的控制程序等。實現(xiàn)了供油單元自動檢測溫度、液位，并能夠加熱、自動補油和報警等功能，降低了供油單元的制造成本與運行功耗，提高了系統(tǒng)集成度。

（2）采用Multisim10對溫度信號采集電路進行了模擬仿真，驗證了控制電路設(shè)計與元器件參數(shù)的正確性。

［1］ 從恒斌，吳建榮.油氣潤滑系統(tǒng)在熱軋平整機中的應(yīng)用［J］.液壓與氣動，2005（12）：32－35.

［2］ Gert N.Helles.PT100鉑電阻溫度變送器［J］.世界電子元器件，2003（8）：64－65.

［3］ 張利平.液壓站設(shè)計與使用［M］.北京：海洋出版社，2004.

Control of the Oil Supply Unit of Oil－Air Lubrication System

LIU Yu－chen，SUN Qi－guo，LV Hong－bo

（College of Electromechanical engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Oil－air lubrication is a kind of emerging lubrication technology with advantages，such as energy conservation，envi?ronmental protection and lower oil consumption and operation cost.Oil supply unit has a great effect on the property of the oil－air lubrication and becomes an important composition of the oil－air lubrication system.The circuit and program are designed to control the oil supply unit and the control circuit and parameters of the component are verified by the simulation using Multi?sim10 in this thesis.Automatic monitoring of the temperature and liquid level and the fault alarm are realized in this unit with a lower cost and the energy consumption，and a higher integration.

oil－air lubrication system；oil supply unit；MCU control system

TH12

A

1007－4414（2013）04－0170－03

2013－06－06

北京市屬高等學(xué)校人才強教計劃資助項目（PHR 201107109）

劉雨辰（1988－），男，北京人，碩士研究生，研究方向：油氣潤滑系統(tǒng)的設(shè)計與研究。