DGP-CZ6 型潤滑油灌裝機控制系統(tǒng)改造設(shè)計研究

孫啟鵬

（山西潞安太行潤滑油有限公司，山西長治 046199）

0 引言

隨著現(xiàn)代化社會工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)整個生產(chǎn)鏈條上的消耗品產(chǎn)業(yè)得到了迅速突破。各種現(xiàn)代化機械設(shè)備、車輛、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)模不斷壯大，對潤滑油產(chǎn)品的消耗數(shù)量有了明顯增加，并且伴隨著人民消費水平以及對產(chǎn)品質(zhì)量的期望有所提升，對于潤滑油行業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)制造以及研發(fā)有了更高的要求[1]。因此，要求潤滑油企業(yè)的生產(chǎn)和制造過程在相比于原有基礎(chǔ)之上有明顯的提升，在潤滑油自動化罐裝生產(chǎn)線上需要做出實質(zhì)性的改變才能提升整個罐裝過程的效率及安全性[2]。最初的罐裝技術(shù)主要采用人工灌裝的方式，這樣的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品品質(zhì)都比較低端。隨著社會的發(fā)展，出現(xiàn)了半自動化的罐裝形式，但是對于潤滑油的罐裝仍然在速度及質(zhì)量上存在較大的短板[3]。當前，隨著現(xiàn)代化自動設(shè)備的普遍應(yīng)用，潤滑油罐裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)水平提高迎來了發(fā)展機遇。通過查閱相關(guān)資料文件，可結(jié)合現(xiàn)代自動化零部件實施于潤滑油罐裝生產(chǎn)線上，可結(jié)合成套的自動化設(shè)備，提升潤滑油生產(chǎn)線的制造工藝以及生產(chǎn)效率。以自動化控制系統(tǒng)作為潤滑油罐裝生產(chǎn)線的核心概念，通過改造罐裝生產(chǎn)線的自動設(shè)備，提高潤滑油灌裝機的罐裝精度，保障潤滑油整條生產(chǎn)線上罐裝工藝的環(huán)節(jié)，改造后的控制系統(tǒng)也為罐裝機行業(yè)設(shè)備制造研發(fā)提供了思路[4]。

1 灌裝機主要類型及研究對象

1.1 主要類型

根據(jù)灌裝機相關(guān)國家級行業(yè)標準，罐裝機分類方式主要為稱重方式和運動方式，但大多數(shù)還是采用以包裝物運動形式的方式對罐裝機進行分類，可分為旋轉(zhuǎn)式灌裝機和直線式灌裝機2種形式[5]。

旋轉(zhuǎn)式灌裝機主要為潤滑油包裝桶在旋轉(zhuǎn)圓盤上進行運動，通過底部的驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)圓盤按照一定的運動方式靠近罐裝機，包裝桶進行360°旋轉(zhuǎn)后接受灌裝機灌入的潤滑油。最終潤滑油包裝桶到達最后一個工序，由旋蓋機對包裝桶進行封裝。

直線式罐裝機是目前大多數(shù)罐裝生產(chǎn)企業(yè)的罐裝機形式選擇，由于目前中國在旋轉(zhuǎn)式灌裝機生產(chǎn)、設(shè)計、研發(fā)方面還處于落后階段，直線式灌裝機相比于旋轉(zhuǎn)式灌裝機的生產(chǎn)制造成本更低，對于各種高精度靈敏傳感器的要求不是特別高。潤滑油包裝桶在該類型罐裝機的驅(qū)動下流水線式地進行罐裝作業(yè)，最后由旋蓋機進行封裝，整體生產(chǎn)過程相對簡單，所以是大多數(shù)企業(yè)罐裝機的首選，直線式罐裝及整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[6]。

圖1 直線灌裝機整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 研究對象

為深入研究潤滑油罐裝線的實際運行狀況，以潤滑油生產(chǎn)廠商常用的DGP-CZ-2Y-X型自動灌裝機為研究對象，通過對該型號自動罐裝機控制系統(tǒng)的改造設(shè)計，可為其余型號的自動罐裝機系統(tǒng)改進提供參考。

DGP-CZ-2Y-X型自動灌裝機為自動化稱重系列罐裝機，也屬于直線型罐裝機。該類型的罐裝機可同時對2 個罐裝產(chǎn)品進行罐裝，配備有380 V的電壓，確保罐裝機的電源輸入；整機的工作功率為2.5 kW；罐裝容量為220 L；每小時的最大罐裝速度為80桶；配備的氣源壓力為0.6 MPa。DGP-CZ-2Y-X型自動灌裝機由江蘇湯姆森智能裝備有限公司制造，罐裝噴頭采用雙速罐裝，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保潤滑油在罐裝過程中不發(fā)生噴濺。每一個罐裝噴頭都有自動感應(yīng)式的反饋部件，核心零部件采用PLC結(jié)合變頻調(diào)速器、繼電器等自動化設(shè)備實現(xiàn)對整機的機械、電氣控制調(diào)速，裝配有光感式傳感器對潤滑油整個過程進行監(jiān)測和檢測。DGP-CZ-2Y-X型自動灌裝機整體自動化性能較強，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的適用范圍也較廣，是目前潤滑油行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)常用的罐裝機設(shè)備。

2 控制系統(tǒng)元器件選擇

2.1 PCL選型

結(jié)合實際工況條件，分析計算罐裝機所受到的工作載荷情況，優(yōu)選出采用西門子公司生產(chǎn)的S8-400 型PLC 工業(yè)控制器。該型號的PLC 抗干擾能力強，整體體積不大的情況下，還集成有輸入輸出模塊以及定位模塊等。通過光纖式的高速傳輸線路實現(xiàn)了A／D轉(zhuǎn)換，可在罐裝過程中對各種指令有效地進行反射。為了保障S8-400 型PLC 整體配套系統(tǒng)的完整性，還選擇安裝了西門子PLC 導(dǎo)軌、I／O 模塊連接器，專設(shè)通訊電纜實現(xiàn)PLC內(nèi)部之間的數(shù)據(jù)通信，整體PLC模塊布置如圖2所示。

圖2 PLC內(nèi)部模塊布置示意圖

2.2 系統(tǒng)電氣設(shè)計

罐裝機控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計主要考慮整體電氣線路所承載的電機負荷，選用適宜的電源開關(guān)以及安全電器保護閥并且配備集成的電器控制面板。由于潤滑油材料的特殊性，要求所匹配的電氣部件需具有防爆及耐油功能。在電器集成面板上要選擇高靈敏度的傳感器并且方便后期維護保養(yǎng)，由于傳感器容易出現(xiàn)后期故障，在安裝傳感器時應(yīng)考慮方便后期更換維護。系統(tǒng)電氣設(shè)計應(yīng)考慮與PLC連接的通信接口，至少保證不小于5個空點。其中罐裝機控制系統(tǒng)的電機系統(tǒng)應(yīng)采用伺服電機，輸出功率應(yīng)不小于罐裝機的輸出功率，為了節(jié)省電能，設(shè)計了變頻器實現(xiàn)對罐裝機控制系統(tǒng)的變頻作用，罐裝控制系統(tǒng)的整體電氣設(shè)計示意圖如圖3所示。

圖3 整體電氣設(shè)計示意圖

3 控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

將DGP-CZ-2Y-X型自動灌裝機原始電路設(shè)計驅(qū)動模塊以及改造后的控制系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)入至Simulink 仿真軟件對實際運行情況進行仿真，整體仿真過程的模糊系統(tǒng)框架圖如圖4所示。

圖4 模糊系統(tǒng)仿真控制計算模型

將DGP-CZ-2Y-X型自動灌裝機原始控制系統(tǒng)模擬計算結(jié)果與改進后的控制系統(tǒng)計算結(jié)果進行對比，分析兩者之間的模糊控制響應(yīng)曲線，可綜合性得出兩者罐裝工作性能的優(yōu)劣性，如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線對比圖

將圖5（a）與圖5（b）對比可知，模糊控制的響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時間短且有較小的超調(diào)量，因此改進后模糊控制的性能比原始結(jié)構(gòu)控制的控制性能指標高，能得到良好的整體控制系統(tǒng)。

此外，改進后的DGP-CZ-2Y-X型自動灌裝機控制系統(tǒng)的計量方式采用雙效精準計量即容積式和稱量式的計量系統(tǒng)，通過設(shè)計量杯計量—電子秤檢測誤差—電子秤補償誤差的計量方式，保證產(chǎn)品質(zhì)量。PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動灌裝、精確計量，且在攪拌控制系統(tǒng)采用模糊控制理論調(diào)節(jié)攪拌電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)潤滑油灌裝速度的調(diào)節(jié)。同時對控制系統(tǒng)硬件與軟件進行改進設(shè)計，使?jié)櫥彤a(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及系統(tǒng)自動化程度都得到了提高，所研究控制系統(tǒng)具有較強的應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

潤滑油罐裝控制系統(tǒng)對潤滑油生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品品質(zhì)有重大影響，通過對DGP-CZ-2Y-X型自動灌裝機控制系統(tǒng)的改造設(shè)計，實現(xiàn)了對罐裝機模糊控制的效果。采用仿真技術(shù)軟件計算，結(jié)果得出控制系統(tǒng)改造后的實際應(yīng)用效果更優(yōu)，更加符合生產(chǎn)現(xiàn)場的潤滑油罐裝工序，解決了目前罐裝生產(chǎn)線生產(chǎn)效率低以及自動化程度較低的問題，為自動化罐裝生產(chǎn)線的制造企業(yè)研發(fā)新型生產(chǎn)線設(shè)備提供了依據(jù)。