添加劑自動抽提設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳躍華，馮殿義，王宏祥，李 煜

（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001）

0 引言

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

目前國內(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)計的控制系統(tǒng)采用中小型PLC進行控制，不需要擴展模塊即可和智能稱重儀表通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)高精確稱重測量，通過自帶的高速脈沖輸出口控制伺服電機對油槍進行精確運動控制，只需擴展一個CP243網(wǎng)絡(luò)模塊即可并入整個生產(chǎn)車間的控制網(wǎng)絡(luò)。

1 自動抽提裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

添加劑自動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)油四個主要工藝步。首先開啟注油閥將來自調(diào)和釜的基礎(chǔ)油注入油罐中；然后根據(jù)上位機設(shè)定的配方要求定量抽取不同種類的添加劑到調(diào)和釜中；在抽取不同種類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)在整個裝置的工作流程中最為重要，其控制方法也最為復雜，是整個控制系統(tǒng)中的難點與關(guān)鍵。添加劑抽提工藝的控制流程圖如圖1所示。

添加劑自動抽提裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，抽取添加劑時由伺服電機1通過絲杠2帶動油槍3上下運動，抽取結(jié)束時由氣缸5關(guān)閉油槍底閥4，清洗管路時無桿滑臺氣缸7帶動支架6到達洗槍工位進行管路清洗。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件配置

PLC作為整個控制系統(tǒng)的核心用來完成現(xiàn)場設(shè)備的實時控制，根據(jù)控制方案及點數(shù)選擇西門子公司的CPU224XP晶體管型PLC，上面帶有2個RS485自由通訊口，其中Port0與柯力智能稱重儀表采用Modbus RTU協(xié)議通信，Port1口與Smart700觸摸屏通過PPI電纜進行通信[1]。在該型CPU的基礎(chǔ)上擴展一個模擬量模塊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對伺服電機進行位置控制和速度控制，通過CPU上的模擬量輸出通道控制臺達變頻器調(diào)節(jié)泵的抽取速度，HMI主要承擔參數(shù)設(shè)定，參數(shù)實時顯示，操作機器等工作[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，手動調(diào)試程序，自動運行程序、定時中斷程序和帶參數(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，伺服電機和閥門返回初始位置，當各初始位傳感器給出反饋信號后進入自動運行狀態(tài)，自動運行程序包含4個工藝步子程序；當切換到手動調(diào)試模式時，自動運行停止，手動操作電機和閥門；點擊自動運行，系統(tǒng)重新執(zhí)行初始化后進入自動運行程序。

2.3 添加劑精確抽取控制策略

在添加劑的抽取過程中，為提高工作效率，首先使用較大速度對添加劑進行抽取，當距離設(shè)定量還剩20%時，PLC記錄下儀表此時采集的添加劑重量VD658，然后減去后續(xù)抽取過程中添加劑的實時重量VD646，得到該時刻已抽重量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快而造成的抽取過量問題，從而保證了添加劑的配比精度，為消除機械系統(tǒng)動作上造成的延時誤差，當距離設(shè)定值5‰時，關(guān)閉槍口閥，停泵，結(jié)束抽取。

PLC與智能稱重儀表之間通過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響應(yīng)機制，主機PLC發(fā)起通訊，智能儀表響應(yīng)PLC的各項通訊指令[3]。Modbus RTU(Remote Terminal Unit)協(xié)議模式表達相同的信息需要數(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，校驗方式為無校驗，應(yīng)答時間設(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)的類型設(shè)置為字傳輸，填寫對應(yīng)的寄存器類型，設(shè)置存儲地址起始位，最后分配庫存儲區(qū)。將傳輸數(shù)據(jù)在程序中進行處理，使其顯示為添加劑凈重。

2.4 油槍液位跟蹤控制策略

在添加劑抽取過程中，如果油槍伸入添加劑液面過長，在抽取其他種類添加劑時會造成交叉污染，將降低所生產(chǎn)潤滑油的品質(zhì)，通過伺服電機可以精確控制油槍伸入液面的長度，在脈沖輸出向?qū)е羞x擇線性脈沖串輸出（PTO）的方式來對伺服電機進行位置控制。油槍分兩個動作順序步進入添加劑液面，所以需要創(chuàng)建兩個不同的運動包絡(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快速下降到添加劑桶面上方。操作者把桶口對準油槍方向，再次啟動油槍，包絡(luò)1先通過步1使用較低脈沖頻率控制油槍慢速進入桶內(nèi)，當油槍即將進入液面時過渡到步2使油槍以更慢的速度平穩(wěn)的進入添加劑中，防止液面晃動造成稱重測量誤差。速度定義畫面如圖4所示。

圖4 速度定義畫面

每次抽取添加劑時，桶內(nèi)添加劑初始高度并不固定，而油槍在追尋液面時需要知道液位值，才能通過伺服電機控制油槍在液面內(nèi)的距離固定。添加劑桶雖無法安裝液位計，但是桶的規(guī)格一定并且各種類添加劑的密度已知，所以可以根據(jù)Modbus稱重儀表測量的重量值在PLC中除以所選種類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。

泵啟動抽取添加劑，液面開始下降，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多造成添加劑掛壁，油槍應(yīng)在抽取過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，這樣可以減小稱重測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，使用特殊存儲器SMB34、中斷時間間隔設(shè)為250ms的定時中斷1創(chuàng)建一個周期為1S的高精度定時，每1S向累加器中存入一次添加劑液位值，用當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控制油槍下降速度，實現(xiàn)對添加劑的液面追蹤。與PLC接線方式如圖5所示。

圖5 伺服驅(qū)動與PLC接線圖

2.5 人機界面設(shè)計

觸摸屏作為控制系統(tǒng)的人機界面，使用Wincc flexible編程軟件進行組態(tài)，界面中設(shè)置有手自動切換開關(guān)，可以隨時切換到手動模式，點擊任意執(zhí)行元件，手動調(diào)試閥門與電機；每個工藝步都有相應(yīng)的啟動按鈕，抽提工藝中，設(shè)置有添加劑種類按鈕，用來配比不同種類添加劑，通過觸摸屏可以設(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時顯示在監(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

本系統(tǒng)以S7-200PLC為控制器，利用人機界面整合系統(tǒng)各控制功能，操作簡潔、方便，基于Modbus協(xié)議的主從通訊，充分發(fā)揮了智能稱重儀表的各項功能，配合以伺服電機、變頻器調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了潤滑油生產(chǎn)過程中對不同種類添加劑的精確抽取，精度高達3‰，并解決了在抽取過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的液體袋裝包裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].包裝工程,2013(1):88-91.

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

[3]劉金華,彭芳,劉寶軍.空氣包覆紗機精密卷繞控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[J].自動化與儀表,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通信中的應(yīng)用[J].低壓電器,2008(2):8-11.