一種4000T鍛壓機(jī)潤(rùn)滑油流量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳敬兵，趙 森

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢430070）

潤(rùn)滑系統(tǒng)是鍛壓機(jī)的重要組成部分，摩擦副是否可以得到充足的供油影響了鍛壓機(jī)的性能和工件的質(zhì)量， 嚴(yán)重時(shí)可能造成設(shè)備相關(guān)機(jī)構(gòu)的損壞，帶來重大的安全事故。 潤(rùn)滑系統(tǒng)的配備和元件的選用，對(duì)機(jī)器潤(rùn)滑效果、機(jī)器壽命至關(guān)重要[1]。 因此，潤(rùn)滑系統(tǒng)的正常工作是整個(gè)鍛壓機(jī)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的安全保障。 現(xiàn)代鍛壓機(jī)器對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的要求是在最大限度滿足摩擦副對(duì)潤(rùn)滑油脂的需要前提條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的供油，同時(shí)要對(duì)潤(rùn)滑油情況進(jìn)行監(jiān)控[2]。 針對(duì)本文中TFPR-4000L 型號(hào)鍛壓機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)該潤(rùn)滑系統(tǒng)的各個(gè)進(jìn)油口和出油口進(jìn)行流量監(jiān)控，保證潤(rùn)滑油的流量正常，使摩擦副得到充分的潤(rùn)滑。 本文采用CCLINK 現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊方式，設(shè)計(jì)了一種適用于4000T 鍛壓機(jī)的潤(rùn)滑油流量監(jiān)控系統(tǒng)。 該系統(tǒng)已于2018 年10 月在廣州東風(fēng)日產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)分公司正式投入使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是通過CCLINK 現(xiàn)場(chǎng)總線連接系統(tǒng)的主站、本地站以及遠(yuǎn)程設(shè)備站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至觸摸屏。 本地站主要由可編程控制器，CCLINK 通訊模塊，本地輸出模塊，觸摸屏構(gòu)成，遠(yuǎn)程設(shè)備站主要由模擬量轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。 傳感器將流量的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送給A/D 轉(zhuǎn)換模塊，再由本地站通過通訊電纜傳送到主站并進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Control structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制器為三菱的Q03UDE，該CPU 具有高速處理功能，小型化可以節(jié)省空間，標(biāo)準(zhǔn)ROM 自動(dòng)寫入，搭配CCLINK 總線配置主站，遠(yuǎn)程設(shè)備站等構(gòu)成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高性能低成本的要求。 CCLINK 通訊模塊選擇QJ61BT11N 作為系統(tǒng)的主站和本地站，該通訊模塊可以和本地站、智能設(shè)備站和遠(yuǎn)程設(shè)備站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，這也是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心。 該模塊具有從站切斷功能，在斷電的狀態(tài)自動(dòng)切斷主站與從站的數(shù)據(jù)鏈接，提高了系統(tǒng)的可靠性。 通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，防止把系統(tǒng)配置中可能會(huì)斷電的模塊當(dāng)作數(shù)據(jù)鏈接錯(cuò)誤站處理。 遠(yuǎn)程設(shè)備站采用AJ65SBT-64AD，該模擬量轉(zhuǎn)換模塊有4 個(gè)通道，支持多種輸入范圍，主要有0～5 V，4～20 mA 等。 還可以根據(jù)需要自定義輸出特性以滿足用戶需求。 具有高精度的特點(diǎn)以及1±4000 的高分辨率，可以進(jìn)行抽樣處理/移動(dòng)平均處理兩種采樣模式，A/D 轉(zhuǎn)換單位相比更小型化， 最大可連接到42個(gè)模塊。 傳感器采用德國(guó)KEWILL 渦輪式流量計(jì)，具有優(yōu)秀的低流速測(cè)量性能和快速響應(yīng)性能，結(jié)構(gòu)緊湊便于安裝。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通訊網(wǎng)絡(luò)鏈接

通訊網(wǎng)絡(luò)是以CCLINK 現(xiàn)場(chǎng)總線連接各個(gè)站組合構(gòu)成，其中主站為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送站，遠(yuǎn)程設(shè)備站作為數(shù)據(jù)接收站，本地站可以與其他站進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。 因此，在系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的過程中，主站與本地站需要進(jìn)行通訊，主站與遠(yuǎn)程設(shè)備站也要進(jìn)行通訊，而遠(yuǎn)程設(shè)備站的數(shù)據(jù)可以通過本地站進(jìn)行讀取。 首先是主站與本地站的通訊，一共分為模塊設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、編程、通訊檢測(cè)幾個(gè)部分，本文只說明模塊設(shè)置和參數(shù)設(shè)置兩個(gè)部分。

3.2 模塊設(shè)置

設(shè)置模塊的站號(hào)和數(shù)據(jù)通訊速率（波特率），主站為0 號(hào)站，本地站為1 號(hào)站，主站占一個(gè)站，本地站可以設(shè)置為1～4 站，波特率設(shè)置為156 kbps。系統(tǒng)通訊速率只有達(dá)到同步狀態(tài)，數(shù)據(jù)才可以在模塊之間正常發(fā)送和接收。 主站是數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端的核心。

3.3 參數(shù)設(shè)置

主站的起始IO 地址為00， 數(shù)據(jù)通訊模式為遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)模式， 自動(dòng)刷新參數(shù)地址為遠(yuǎn)程輸入RX 為X200， 遠(yuǎn)程輸出RY 為Y200， 遠(yuǎn)程寄存器RWr 為D1000，遠(yuǎn)程寄存器RWw 為D1200，特殊繼電器為SB0，特殊寄存器為SW0。本地站網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與主站類似，由于主站的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募拇嫫髋c本地站是系統(tǒng)默認(rèn)的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，為了使后續(xù)編程方便在設(shè)置參數(shù)時(shí)， 將本地站的寄存器地址與主站對(duì)應(yīng)起來，可以使編程的寄存器地址分配更為清楚。

通過設(shè)置的寄存器地址可以編程通訊程序來搭建數(shù)據(jù)鏈接進(jìn)行通訊檢測(cè)，可以通過模塊外部的指示燈來判斷模塊是否正常運(yùn)行以及數(shù)據(jù)鏈接能否正常接通。通過程序測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸是否正常，為后面的編程保證了正常的通訊。 如果第一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備站作為1 號(hào)站，那么后續(xù)8 個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備站的站號(hào)依次根據(jù)遠(yuǎn)程設(shè)備站所占站數(shù)遞增。 錯(cuò)誤的站號(hào)會(huì)造成模塊報(bào)錯(cuò)，數(shù)據(jù)鏈接出錯(cuò)從而影響模塊的正常通訊。

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控主要由AJ65SBT-64AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成，通過對(duì)流量計(jì)的模擬量進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，最后在觸摸屏上進(jìn)行顯示從而可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和采集、參數(shù)的設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)手自動(dòng)的切換及向PLC 發(fā)送控制命令等功能[3]。AJ65SBT-64AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度高可以在±0.4%的精度范圍內(nèi)；②可以根據(jù)需要設(shè)定每個(gè)通道的輸入范圍；③采樣方法可以是采樣處理或移動(dòng)平均處理；④最多可以將42個(gè)模塊連接到一個(gè)主站。 針對(duì)設(shè)備的潤(rùn)滑要求高對(duì)流量監(jiān)控精度準(zhǔn)確以及監(jiān)控通道數(shù)多等特點(diǎn)， 本文選用AJ65SBT-64AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊更便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的監(jiān)控。A/D 轉(zhuǎn)換的程序流程如圖2 所示。

圖2 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程Fig.2 Conversion process flow chart

在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換之前需要對(duì)模塊進(jìn)行初始化操作，主要內(nèi)容：①指定A/D 轉(zhuǎn)換的允許或禁止；②設(shè)置輸入范圍；③選擇合適的采樣方式；④設(shè)定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成或請(qǐng)求標(biāo)志； ⑤設(shè)定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換動(dòng)作條件。 AJ65SBT-64AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊一共4 個(gè)通道，每個(gè)通道都可以設(shè)定不同的輸入范圍，由于流量計(jì)數(shù)據(jù)為4～20 mA 的模擬量，因此輸入范圍選擇4～20 mA。監(jiān)控的點(diǎn)數(shù)為35 個(gè)，一共占用9 個(gè)模塊，每個(gè)模塊的4 個(gè)通道均設(shè)定為該類型輸入范圍[4]。 采樣方式選擇移動(dòng)平均處理，這種方式為在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集然后取平均值可以提高數(shù)據(jù)的可靠性。 AD 轉(zhuǎn)換模塊在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作之前需要確認(rèn)動(dòng)作條件，每個(gè)通道的動(dòng)作條件是通過遠(yuǎn)程輸入RX 遠(yuǎn)程，輸出RY 執(zhí)行的。 具體為RX18 是初始化數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求標(biāo)志，RX19 是初始化數(shù)據(jù)設(shè)置完成標(biāo)志，RY18 是初始化數(shù)據(jù)處理完成標(biāo)志，RY19是初始化數(shù)據(jù)設(shè)置請(qǐng)求標(biāo)志。 當(dāng)這些遠(yuǎn)程輸入輸出按照一定順序進(jìn)行置位就可以滿足數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的動(dòng)作條件進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換。 流量計(jì)的模擬量標(biāo)定范圍為4～20 mA 對(duì)應(yīng)的是0～4000，加上單位換算后數(shù)據(jù)過大不能存儲(chǔ)在16 位數(shù)據(jù)寄存器中， 因此本文采用把數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)， 將每個(gè)數(shù)據(jù)存入兩個(gè)16 位數(shù)據(jù)寄存器中來進(jìn)行標(biāo)定。

3.5 監(jiān)控報(bào)警的設(shè)計(jì)

由于鍛壓機(jī)摩擦副的潤(rùn)滑條件要求較高，因此管道中的潤(rùn)滑油的流量必須達(dá)到指定的要求，否則將造成摩擦副失去潤(rùn)滑而燒毀工件[5]。 系統(tǒng)不僅要對(duì)潤(rùn)滑油的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還需要在一些特殊情況下，比如潤(rùn)滑油流量不足，進(jìn)行報(bào)警從而及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑油防止摩擦副燒毀。 系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮流量的臨界值，該值就是作為報(bào)警的觸發(fā)條件，潤(rùn)滑油的流量一般在超過下限時(shí)需要報(bào)警。 因此， 本文將監(jiān)控的流量值與給定的下限值作比較，當(dāng)超過下限值系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。 這個(gè)下限值需要結(jié)合實(shí)際工況條件進(jìn)行設(shè)定。 因此，需要特別設(shè)計(jì)一個(gè)流量下限值測(cè)定程序，用來確定這個(gè)下限值的具體參數(shù)[6]。本文把每個(gè)流量計(jì)的數(shù)據(jù)每隔1 min 進(jìn)行采集1 次，并對(duì)時(shí)間進(jìn)行記錄，每一個(gè)數(shù)據(jù)通過表格和圖表的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋， 可以通過對(duì)2 h 內(nèi)數(shù)據(jù)的分析得出流量的下限值，從而作為系統(tǒng)監(jiān)控報(bào)警的動(dòng)作條件。 考慮流量的數(shù)值變化較慢所以報(bào)警輸出設(shè)置一個(gè)5 s 延時(shí)配合流量計(jì)響應(yīng)的快速性可以提高系統(tǒng)整體的快速性。 報(bào)警的輸出元件為蜂鳴器和信號(hào)燈， 當(dāng)報(bào)警觸發(fā)時(shí)蜂鳴器響信號(hào)燈閃爍，可以通過報(bào)警復(fù)位按鈕進(jìn)行報(bào)警復(fù)位，并通過觸摸屏上的報(bào)警履歷查看具體的報(bào)警信息。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的觸摸屏界面如圖3 所示。

圖3 流量監(jiān)控人機(jī)界面圖Fig.3 Flow control man-machine interface diagram

通過觸摸屏的流量監(jiān)控界面顯示的各個(gè)流量計(jì)的實(shí)時(shí)流量，并結(jié)合已知數(shù)據(jù)參數(shù)和流量計(jì)的測(cè)量范圍可以看出流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)正常，由于管道的直徑不同和監(jiān)控位置不同， 所以存在一些偏差，如潤(rùn)滑油分配閥的進(jìn)出口流量稍大于其他管道內(nèi)流量。 但是這些數(shù)據(jù)誤差均在可控范圍內(nèi)，因此數(shù)據(jù)是可靠的。 在調(diào)試過程中由于管道接頭位于鍛壓機(jī)移動(dòng)滑塊上，軟管接頭會(huì)跟隨滑塊移動(dòng)，將造成接頭處漏油的情況。 并且移動(dòng)的管道數(shù)量過多，也造成了每個(gè)管道之間不同程度的磨損[7]。 為了解決該類問題本文將在兩路支路的交匯處添加監(jiān)控點(diǎn)，將兩路合并為一路，監(jiān)控值翻倍并乘上一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)，使得兩路的潤(rùn)滑油流量值依然滿足設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的潤(rùn)滑要求。 這個(gè)系數(shù)需要通過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)算和采集數(shù)據(jù)并且結(jié)合工藝要求進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)語

該設(shè)計(jì)解決了高噸位鍛壓機(jī)在工作中由于潤(rùn)滑不足造成工件燒毀的問題，將潤(rùn)滑油的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控報(bào)警， 可以有效避免上述情況的發(fā)生。設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑油流量監(jiān)控系統(tǒng)嚴(yán)格按照PLC 工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠，并且可以將此系統(tǒng)應(yīng)用于其他重型鍛壓機(jī)器的潤(rùn)滑系統(tǒng)中去，可以更好地保護(hù)機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)， 延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命，便于機(jī)器的后期維護(hù)保養(yǎng)。