基于PLC 和PC 的油氣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 宇，孫啟國(guó)，呂洪波

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

0 引言

油氣潤(rùn)滑是一種微量潤(rùn)滑技術(shù)，由壓縮氣體帶動(dòng)可定量控制的潤(rùn)滑油至潤(rùn)滑點(diǎn)；同時(shí)，壓縮氣體可帶走潤(rùn)滑點(diǎn)的熱量，所以油氣潤(rùn)滑是一種油氣兩相冷卻潤(rùn)滑方式。油氣潤(rùn)滑以其環(huán)保、節(jié)能、高效、可靠等特點(diǎn)，可廣泛使用于冶金、造紙、水泥等行業(yè)[1]。20 世紀(jì)70年代開(kāi)始，油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國(guó)家已大量投入使用[2]。該技術(shù)在我國(guó)起步較晚，目前仍處于推廣使用階段，主要應(yīng)用于軋鋼機(jī)、連鑄機(jī)等冶金設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)油氣潤(rùn)滑設(shè)備被國(guó)外公司壟斷，因此，研發(fā)工作穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面友好的油氣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)油氣潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展有重要的推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)硬件組成與控制方案

1.1 系統(tǒng)硬件組成

常見(jiàn)油氣潤(rùn)滑設(shè)備如圖1所示。①供油部分。供油部分主要是通過(guò)供油泵向系統(tǒng)供給潤(rùn)滑劑，其設(shè)計(jì)方法與常用傳統(tǒng)液壓站無(wú)異。一般工業(yè)使用時(shí)壓力多為3 MPa～10MPa；②供氣部分。壓縮空氣在油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中是輸送潤(rùn)滑劑的載體，氣源壓力與穩(wěn)定性是保證油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。實(shí)際使用中壓縮空氣壓力多為0.3MPa～0.8MPa，為確保氣壓穩(wěn)定，氣源要有儲(chǔ)氣罐，同時(shí)氣源出口要有調(diào)壓閥、過(guò)濾裝置；③油量分配器。油量分配器作用是將潤(rùn)滑油按實(shí)際需要定量分配，實(shí)際中多采用遞進(jìn)式分配器；④油氣混合部分。油氣混合部分通常使用油氣混合器，其作用是混合潤(rùn)滑油和壓縮空氣從而形成氣液兩相環(huán)狀流。它一般安裝在油量分配器之后，接受油量分配器分配好的潤(rùn)滑油，所以它的結(jié)構(gòu)主要由前端油量分配器結(jié)構(gòu)決定；⑤油氣分配部分。油氣的2次分配多采用油氣分配器，其作用是將管道內(nèi)的氣液兩相環(huán)狀流平均分配給多個(gè)支路。在輸送管路較長(zhǎng)，潤(rùn)滑點(diǎn)較多，它是決定了最終能否在潤(rùn)滑點(diǎn)處形成穩(wěn)定環(huán)狀流的重要裝置；⑥電控部分。油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)多采用PLC作為主控制器進(jìn)行控制，工作時(shí)系統(tǒng)需要設(shè)置泵的啟動(dòng)和間歇時(shí)間，可以監(jiān)控油量分配器的動(dòng)作次數(shù)從而控制系統(tǒng)供油頻率和供油量，便利地與PC 或觸摸屏連接，搭建良好的人機(jī)界面；⑦檢測(cè)單元。根據(jù)實(shí)際需要，系統(tǒng)中可選擇油壓、氣壓傳感器、壓差發(fā)訊器等傳感器輔助系統(tǒng)正常，穩(wěn)定工作。

圖1 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Oil-air lubrication system structure

1.2 系統(tǒng)控制方案

針對(duì)實(shí)際工廠環(huán)境潤(rùn)滑點(diǎn)數(shù)量巨大且工作環(huán)境大多較為惡劣的情況，本文采用PLC為下位機(jī)和PC為上位機(jī)的兩級(jí)控制模式。PLC 主要完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)過(guò)程控制任務(wù)，PC 主要完成人機(jī)交互和整個(gè)系統(tǒng)的管理，包括狀態(tài)檢測(cè)，故障報(bào)警，參數(shù)設(shè)置，圖形顯示等任務(wù)。

控制系統(tǒng)主要由PLC、油壓傳感器、氣壓傳感器、液位計(jì)、油溫傳感器、接近開(kāi)關(guān)與壓差發(fā)訊器等組成。其中油壓傳感器量程為0～10MPa，輸出信號(hào)為4～20mA；氣壓傳感器量程為0～1MPa，輸出信號(hào)為4～20mA。PLC選擇型號(hào)為S7-200XP，它主要面向中小型系統(tǒng)，具有極高的性價(jià)比。該模塊具有14個(gè)數(shù)字輸入與10個(gè)數(shù)字輸出端口，數(shù)字I/O點(diǎn)數(shù)量滿足設(shè)計(jì)要求；模擬量輸入方面， 224XP 機(jī)身自帶2個(gè)模擬輸入點(diǎn)與1個(gè)模擬輸出點(diǎn)，無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)際需要，因此需要添加一個(gè)含4個(gè)模擬輸入點(diǎn)得EM231CN 擴(kuò)展模塊。

圖2 油氣潤(rùn)滑設(shè)備工作流程圖Fig.2 Oil-air lubrication equipment work flow chart

系統(tǒng)工作流程如圖2所示，需預(yù)先設(shè)定好潤(rùn)滑周期與每周期的潤(rùn)滑油供給量。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，氣源首先打開(kāi)，此時(shí)氣壓傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)管道內(nèi)氣壓是否在3～7bar 之間，如果20s 內(nèi)氣壓都滿足條件，則氣動(dòng)電磁閥打開(kāi)，壓縮空氣流入油氣混合器。電磁閥開(kāi)啟同時(shí)，1#泵啟動(dòng)，系統(tǒng)開(kāi)始供給潤(rùn)滑油，供油期間系統(tǒng)會(huì)讀取油壓傳感器數(shù)值，如果油壓大于7MPa，表明管路堵塞，開(kāi)啟卸荷閥卸荷，如果油壓小于2MPa，表明1#泵故障，自動(dòng)切換2#泵工作。但系統(tǒng)確定潤(rùn)滑泵啟動(dòng)且處于正常工作情況下時(shí)，PLC 內(nèi)部定時(shí)器會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)視分配器動(dòng)作次數(shù)來(lái)計(jì)量潤(rùn)滑油供給量，當(dāng)分配器動(dòng)作次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值（即潤(rùn)滑油供給量達(dá)到預(yù)設(shè)值）時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉潤(rùn)滑泵；當(dāng)?shù)诙€(gè)潤(rùn)滑周期到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)再次開(kāi)啟潤(rùn)滑泵，并清空遞進(jìn)式分配器動(dòng)作次數(shù)，系統(tǒng)開(kāi)始重復(fù)第一個(gè)周期的動(dòng)作，如此往復(fù)。

2 油氣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制由PLC與PC 下、上位機(jī)共同分擔(dān)完成，要保證系統(tǒng)正常工作，在必備的硬件支持下，軟件系統(tǒng)還需包括上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件。

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC 是系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的核心，PLC 程序由STEP7-MicroWIN 編寫(xiě)。與上位機(jī)通信，讀取系統(tǒng)的油壓、氣壓、供油量等信息傳達(dá)到上位機(jī)，并根據(jù)上位機(jī)的指令控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；若系統(tǒng)出現(xiàn)故障會(huì)及時(shí)餐區(qū)措施，并生成故障代碼傳輸?shù)缴衔蝗藱C(jī)界面。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文PC 端的監(jiān)控軟件選擇Visual C++6.0 來(lái)完成。它是基于Windows 平臺(tái)的可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，并以實(shí)用的集成工具集合開(kāi)發(fā)環(huán)境讓用戶可以高效的開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序[3]。

人機(jī)界面如圖3所示。主要功能包括手動(dòng)模式與自動(dòng)模式的選擇，設(shè)置供油量與周期，對(duì)油壓、氣壓、油溫與液位的監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能。對(duì)系統(tǒng)供油量的調(diào)節(jié)可通過(guò)設(shè)置 “每小時(shí)供油量”與 “潤(rùn)滑周期”兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改。添加了軋輥機(jī)啟動(dòng)和停止按鈕便于本實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軸承潤(rùn)滑效果實(shí)驗(yàn)，可手動(dòng)控制設(shè)置加熱器的開(kāi)啟與關(guān)閉觀察不同溫度的潤(rùn)滑油對(duì)于潤(rùn)滑效果的影響。

圖3 人機(jī)交互界面Fig.3 Man-machine interface

2.3 上下位機(jī)通訊程序設(shè)計(jì)

VC++與PLC 通過(guò)RS232/485 串口進(jìn)行通信， 使用VC++進(jìn)行串口編程時(shí)，本文使用MSComm 控件進(jìn)行通信程序的編寫(xiě)。MSComm 是微軟為用戶提供的簡(jiǎn)化Windows 串口通訊編程的ActiveX 控件， 它為用戶編寫(xiě)程序時(shí)提供了串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法，使用該控件編寫(xiě)串口通信程序時(shí)程序員不需要花大量時(shí)間去學(xué)習(xí)復(fù)雜的 API 函數(shù)[4]。

本文VC++與PLC 間的通信協(xié)議選擇了西門(mén)子PPI協(xié)議，使用該協(xié)議進(jìn)行編程，可以省去PLC 端通訊程序與自定義程序的編寫(xiě)，且可讀寫(xiě)所有數(shù)據(jù)區(qū)，并且可使用編程軟件STEP7 MicroWin 輔助調(diào)試，方便快捷，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，編寫(xiě)程序量小。但是PPI 協(xié)議是不公開(kāi)的協(xié)議，本文使用了實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)PPI 協(xié)議進(jìn)行了總結(jié)，限于篇幅，在此不作贅述。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析了油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)硬件組成和控制要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以PLC 和PC為核心的油氣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)，并制造了樣機(jī)。該樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)供油量與供油周期的精確控制，并且可對(duì)油壓、氣壓等關(guān)鍵信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。編寫(xiě)了PLC 下位程序后，使用VC++編寫(xiě)了上位人機(jī)界面。樣機(jī)已在實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，人機(jī)交互功能友好，滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]閆通海，何立東.氣液兩相流體冷卻潤(rùn)滑技術(shù)及其應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1995.

[2]張劍，金映麗，馬先貴.現(xiàn)代潤(rùn)滑技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，2008.

[3]王正軍.Visual C++6.0 程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].人民郵電出版社，2006.

[4]譚思亮，鄒超群.Visual C++串口通信工程開(kāi)發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].人民郵電出版社，2003.