機床潤滑劑制備工藝PLC控制系統的設計

朱志豪，李 陽，陳再良

（蘇州大學 機電工程學院，蘇州 215021）

機床潤滑劑制備工藝PLC控制系統的設計

朱志豪，李 陽，陳再良

（蘇州大學 機電工程學院，蘇州 215021）

為了滿足現今機床潤滑劑制備的工藝要求，針對其主要工藝流程，研發出一套新一代生產設備，設計了以PLC為控制器，硬件電路為主體，集編程、液位監測，傳感器為一體的自動控制系統。介紹了設備的主要工藝流程，控制系統的設計、安裝及調試過程。設備運行結果證明，該設備投入生產后，效率提高了120%，精度高并且性能穩定。

潤滑劑制備；PLC；自動控制

0 引言

潤滑劑的生產屬于化工類行業，可以應用于機床加工、汽車機械等行業，能夠降低摩擦副的摩擦阻力，減緩其磨損，還能夠起到冷卻、清洗和防止污染等作用[1]。

潤滑劑的制備是依靠不等量融合工藝進行生產的。傳統的生產工序分為加料、放料、反應和儲存，加料過程是整個制備過程的關鍵。在升級改造之前，加料過程只能夠依賴人工進行加料。加料液位的準確性和進料的時間點精確度都較低，直接影響了成品的質量。工人在人工加料的同時不可避免的會接觸原料和帶入雜質，不僅影響了精度，也會造成一定的人身損傷[2,3]。

針對傳統加工工序所存在的問題，文章提出了一種新型的以PLC為控制器的潤滑劑加料控制系統，并對其控制方案、安裝和調試過程進行了詳細討論。該系統提升了加料容器的性能，實現了加料步的自動化，并在原有工序維持不變的情況下，提高了設備的精度和制備過程的穩定性，實現了潤滑劑的循環制備，滿足了多量化生產的需求。同時也保障了生產過程中的人員安全。

1 潤滑劑加料、清洗工藝流程

原始方案如圖1(a)所示，按順序手工向進料器A、B、C、D中依次加料，通過進料器進入反應塔反應，反應完畢后手動打開開關閥，成品進入儲存器儲存。

改進后的方案主要由圓柱式防腐容器（儲存器）、電磁閥、離心泵、變量柱塞泵、液位計等組成，如圖1(b)所示。三個離心泵按照順序依次抽取料液，由液位計監測液位是否到達設定值，若到達設定值，離心泵停止工作，進料停止，對應的電磁閥打開，由柱塞泵直接將液料送入反應塔進行反應。反應完成后，總控制電磁閥打開，成品進入儲存器儲存，該過程循環24次結束[4]。改進后的方案，由于采用液位計進行液位監測，用繼電器和PLC混合控制方式實現潤滑劑量產制備過程的時間控制和循環控制。因此，系統能夠控制加工時的連續精確加料，并監測暫存容器內的物料狀態。由變頻器控制的變量柱塞泵能夠從貯藥桶中精確取液，送入圓柱式防腐容器中，并通過液位計進行料位監測。采用了無級調速的柱塞泵，流量可在5～50L/h范圍內變化，最高可達50L，充滿系數為0.5。實現了加料、清洗工藝流程的智能化。其中，加料工藝通過自動進料取代了傳統加工的手動進料。在清洗工藝流程中，若將試劑更改為清洗液，就可對整個設備進行清洗，將制備過程轉化為清洗過程，實現了制備與清洗的兼容。

圖1 潤滑劑制備工藝流程

2 控制系統的設計

2.1 液位值的檢測

加工要求液位監測裝置要有較強的抗腐蝕性和抗粘附性。為了獲取準確的液位值和實現行自動控制，在此選用NL2000射頻導納物位開關，通過對液位值的測量所反饋的電容值進行開關量的控制[5]。NL2000射頻導納物位開關規避了諸如浮球式等液位計易腐蝕粘附的弊端，保障多次測量的液位的穩定性，從而保證了產品的質量。

2.2 PLC的選用及I/O點的分配

由于系統中涉及的輸入/輸出點不多，小型PLC就能滿足加工要求。因此，選取三菱公司的FX1S-20MR-001型PLC實現自動控制。FX1S-20MR-001的輸入/輸出（I/O）接口為12和8，I/O點的分配如表1所示，潤滑劑制備系統的外接電路連接方式如圖2所示。

圖2 制備系統PLC外部接線圖

2.3 梯形圖的設計

潤滑劑制備過程的工序為：加料→放料→反應→儲存→加料，如此循環下去，直至加料過程結束。通過PLC內部的繼電器進行時間控制和步序控制，以保證每個工序的順利運行，整個過程的工序也經過了多次實踐，保證了試劑充分的反應時間和成品的質量。循環次數定位24次，確保儲存器一次性的收容完成。另外，產品制備循環24次后，需運行清洗流程，去除黏附在容器壁上的試劑，保證下次生產的順利進行。

表1 PLC輸入與輸出信息表

圖3 加料過程控制流程圖

在設計自動加料系統PLC程序時，沒有相應的寄存器-接觸器控制線路，無法直接從繼電器控制電路來演變成相應的PLC程序。因此，我們從控制策略入手，采用功能圖設計法，逐步完善每一步的要求[6]。

整個過程分成四個階段：初始化、進料、放料反應、儲存，如此循環下去，直至工作結束。整個過程的工序經過了多次實踐，驗證了其可行性[7]。在加料過程中，盛放料的三個容器的液位分別由三個液位開關控制，當容器內的液位達到指定值，液位計斷開，停止進料，此時所對應的常閉電磁閥打開，物料進入反應塔。由于不能保證哪個容器所加料首先達到設定值，于是在程序中設了一個T0 D200這樣一個數據寄存器來寄存數據，當三個電磁全部打開后，柱塞泵向反應塔內注入物料D，數據寄存器T0 D200保證當三個容器全部加料完畢后再進行下面的工作步。其他工作步的時間都是通過每個定時器來準確控制時間的。在工作的過程中，不需要操作人員進行相應的調整。加料過程的控制流程圖如圖3所示，其控制梯形圖如圖4所示。

M12、M13、M14為三個離心泵，在M0接通后一直處于加料狀態，三個液位都達到指定值后，觸發T0上升沿信號，隨時間控制三個電磁閥M8、M9、M10依次打開，直到T6（從反應塔到儲存器的放料時間）。清洗程序中的T12，也是這個作用。

潤滑劑制備結束后，需要對容器進行清洗，清洗過程由系統自動完成。自動清洗過程與加料過程相似，下面說明下自動清洗程序和上述過程的區別：

在M19，也是總控制防腐電磁閥1，所對應的程序步中可以看到缺少常閉的T12，因此加料過程開啟之前，總控制防腐電磁閥1仍然處于通電狀態，保證液體無法進入儲存容器中，不會破壞試劑。清洗后的液體則從另外的管道中排出，區別程序如圖6所示。

圖4 加料控制梯形圖

圖5 循環程序

圖6 清洗區別程序

3 安裝與調試

3.1 液位計的安裝調試

考慮到產品本身的要求，防腐容器的高度應與液位計測試棒的高度相吻合。此外，為了便于安裝，需要準備電木，寶塔街頭等輔助裝備，如圖7所示。

首先，用電木加工出加料容器的封頂裝置，并在中間用絲錐車出相應的螺紋，以便于分體式液位計測量部分的安裝。然后，在容器上需要焊接寶塔接頭，用來安裝進水管。

圖7 液位計安裝調試圖

3.2 電器部分的安裝及調試

電氣連接和現場布線都應符合國家標準。根據相應的技術要求，完成PLC與相應電器設備的接線以及和相應設備的安裝。然后將控制程序寫入PLC，并進行放料、反應、儲存過程的調試，驗證循環過程能否實現。

4 結論

這套制備系統主要有兩大優點：

1）高效性。在原來制備潤滑劑工藝的基礎上，對工藝進行了智能化設計和改良，提升了原材料、和設備的利用率，通過PLC程序中的循環控制，使得生產能夠連續，減少了換線時間，提升了制備潤滑劑的工作效率。運行結果表明，該設備投入生產后，效率提高了120%。

2）安全性好。在制備相應潤滑劑或其他相關產品時，之前的工藝較為粗糙，而原材料本身是具有腐蝕性的，手工制備很容易造成接觸傷害。該系統不僅避免了上述傷害，還解決了人工加料影響產品性能的問題。在對生產線進行改進和優化之后，能夠滿足同類潤滑劑產品的安全制備。

[1] 莫云輝,王帥寶,陶德華,等.新型鋅錫復合潤滑劑及其對鋼損傷表面的潤滑修復性能[J].南京理工大學學報:自然科學版,2011,34(6):821-826.

[2] 王德巖,徐連蕓,常明華.綠色潤滑劑的過去, 現在和將來[J].潤滑油,2005,20(4):6-11.

[3] 耀華,金屬工藝,廣林,等.金屬加工潤滑劑[M].中國石化出版社,1998.

[4] 唐中燕.基于PLC通信網絡的物料呼叫系統設計[J].制造業自動化,2011,33(7):54-57.

[5] 張慶玲,李玉昆.基于HMI與PLC的液位監控實驗系統設計[J].實驗技術與管理,2011,28(6):79-81.

[6] 劉錚.汽包自動上水控制系統方案設計[J].電子測試,2016(Z1):14.

[7] 劉善增.PLC控制系統的可靠性設計[J].工業控制計算機,2004,7:37-40.

Design of PLC control system for machine tool lubricant preparation

ZHU Zhi-hao, LI Yang, CHEN Zai-liang

TH16

：B

1009-0134(2017)06-0027-04

2017-03-10

青海省科技廳資助項目（2014-Z-Y09；2014-GX-219）；江蘇省科技廳資助項目（BY2016043-02）

朱志豪（1992 -），男，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向為機械工程。