發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸清洗設(shè)備控制系統(tǒng)的研究

陳伯豪，姜莉莉，張燦為，何汪洋

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

活塞曲軸作為柴油機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）上的核心零件，其表面清洗的干凈程度將直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。曲軸制造過程中，由于機(jī)械加工處理方式、加工環(huán)境或人為等因素在加工過程中對(duì)零件造成的影響，將導(dǎo)致曲軸生銹，曲軸裝配不上，減少使用壽命，甚至過早報(bào)廢，給企業(yè)造成巨大的損失，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸清洗設(shè)備的研究具有一定的意義。本文設(shè)計(jì)研究了一套曲軸清洗自動(dòng)控制系統(tǒng)，填補(bǔ)了目前發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸清洗設(shè)備的空白。

1 曲軸清洗設(shè)備的工作原理和工藝流程

曲軸清洗設(shè)備主要由送料系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、防腐處理系統(tǒng)3大模塊組成。其中清洗系統(tǒng)是其核心部分，包括噴淋清洗系統(tǒng)、高溫蒸汽系統(tǒng)和高壓水射流系統(tǒng)。

曲軸清洗工藝流程如圖1所示。

圖1 曲軸清洗工藝流程圖

根據(jù)曲軸清洗機(jī)的設(shè)備組成及基本工藝流程，控制系統(tǒng)需要滿足的控制要求如下：

（1）為避免系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤，控制系統(tǒng)必需具有系統(tǒng)開機(jī)初始化、自檢和緊急停止控制模塊。

（2）針對(duì)不同清洗模式的要求，設(shè)置有手動(dòng)清洗和自動(dòng)清洗兩種模式。其中自動(dòng)清洗模式預(yù)先設(shè)置高強(qiáng)度清洗、標(biāo)準(zhǔn)清洗和輕度清洗3種模式，以滿足不同的清洗需求。

（3）基于曲軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性和清洗度要求，可設(shè)定高壓水射流噴頭的壓強(qiáng)、流量和清洗時(shí)間等參數(shù)。

（4）為保證工件的清洗質(zhì)量，可設(shè)定清洗池中的清洗液位、溫度和污染度等參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)應(yīng)啟動(dòng)相應(yīng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和硬件選用

曲軸清洗設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)由上位機(jī)觸摸屏、下位機(jī)可編程邏輯控制器PLC組成。在PLC模擬輸入端有溫度傳感器、液位傳感器、濕度傳感器、水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器和位移傳感器，這些傳感器能實(shí)時(shí)采集清洗池中清洗溶液的水質(zhì)和液位、高溫蒸汽清洗系統(tǒng)和烘干池的溫度、升降機(jī)和可移動(dòng)機(jī)械手的位移等模擬參數(shù)。PLC模擬輸出端與變頻器、步進(jìn)式電機(jī)、空氣壓縮泵、水泵、電阻絲連接，輸出模擬控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行裝置的控制；PLC數(shù)字輸入端連接調(diào)試/自動(dòng)旋鈕、進(jìn)水/排水旋鈕、噴淋按鈕、開機(jī)/停機(jī)按鈕等，采集數(shù)字開關(guān)信號(hào)；PLC數(shù)字輸出端與空氣壓縮泵、水泵、電機(jī)等設(shè)備連接，輸出信號(hào)控制執(zhí)行元件。

模擬量輸入包括液位傳感器、溫度傳感器、位移傳感器和水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，輸出包括高壓水泵、電阻絲、變頻器、電機(jī)、引風(fēng)機(jī)和水泵等。開關(guān)量輸入為各操作旋鈕，開關(guān)量輸出為噴淋水泵、水池水泵和水封閥，保證了循環(huán)水路的暢行。斷路器、交流接觸器和變頻器組成動(dòng)力回路，具有短路、過載和失壓保護(hù)的功能，保證了水泵和引風(fēng)機(jī)的安全正常運(yùn)行?？刂谱儔浩魈峁┛刂苹芈匪璧?4V直流電源。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)所用PLC選用三菱FX2N-80MR系列可編程邏輯控制器作為下位機(jī)，并集成了2個(gè)RS-485通訊口，以便實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)，組合了2個(gè)FN2N-4AD模擬量輸入模塊和1個(gè)FN2N-4DA模擬量輸出模塊（此模擬量模塊是將壓力、液位、溫度等信號(hào)轉(zhuǎn)化為1V～5V，4mA～20 mA，然后發(fā)送到PLC進(jìn)行處理），可控制8路模擬量輸入和4路模擬量輸出；1個(gè)Q64DAN數(shù)字量輸出、輸入混合模塊；人機(jī)界面1塊，選用了STV-AX3171系列的觸摸屏，另外觸摸顯示屏和PLC連接方式通過MPI電纜連接至PLC的CPU通訊口PORT0上面。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

設(shè)備控制系統(tǒng)功能主要包括清洗模式選擇、參數(shù)設(shè)置和急停等。其中手動(dòng)清洗主要是為了檢查設(shè)備各作業(yè)區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，以及時(shí)反饋和維護(hù)。主系統(tǒng)和子系統(tǒng)自動(dòng)控制流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 主系統(tǒng)自動(dòng)控制流程圖

圖4 子系統(tǒng)自動(dòng)控制流程圖

4 觸摸屏界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏軟件設(shè)計(jì)采用了微軟嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和嵌入式組態(tài)軟件（組態(tài)王），組態(tài)界面包括1個(gè)主界面和4個(gè)子界面（清洗模式、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)控、幫助）。圖5為觸摸屏界面設(shè)計(jì)框圖。

圖5 觸摸屏界面設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)的觸摸屏界面有以下特點(diǎn)：

（1）主界面下面只有4個(gè)二級(jí)子界面可供選擇，簡單美觀，方便用戶理解和操作。

（2）清洗模式選項(xiàng)包括自動(dòng)清洗和手工清洗兩種模式，其中自動(dòng)清洗系統(tǒng)本身具有3種清洗模式：高強(qiáng)度清洗、標(biāo)準(zhǔn)清洗和輕度清洗。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控包括4個(gè)監(jiān)控區(qū)，即上料區(qū)、清洗區(qū)、防腐處理區(qū)和待包裝區(qū)，每個(gè)作業(yè)區(qū)可實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（4）每個(gè)下級(jí)界面右下角都有一個(gè)快捷鍵回到上級(jí)界面和主界面。

（5）報(bào)警消息界面可以同步反映設(shè)備的報(bào)警事項(xiàng)，直接在觸摸屏上伴隨著報(bào)警聲音實(shí)時(shí)顯示出來。觸摸屏上的查詢模塊可以查詢顯示所有的歷史報(bào)警詳細(xì)事項(xiàng)，為用戶的反饋提供參考數(shù)據(jù)，也方便用戶的維修和使用。

5 結(jié)束語

經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，基于FX2N-80MR系列PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸清洗設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，而且清洗時(shí)間短，清洗度達(dá)到了企業(yè)預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。目前該設(shè)備投入了廠家生產(chǎn)線作業(yè)，制造成本降低，企業(yè)生產(chǎn)效率大幅度提高，滿足了曲軸自動(dòng)化清洗的要求。

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