一種4000T鍛壓機潤滑油流量監控系統設計

吳敬兵，趙 森

（武漢理工大學 機電工程學院，武漢430070）

潤滑系統是鍛壓機的重要組成部分，摩擦副是否可以得到充足的供油影響了鍛壓機的性能和工件的質量， 嚴重時可能造成設備相關機構的損壞，帶來重大的安全事故。 潤滑系統的配備和元件的選用，對機器潤滑效果、機器壽命至關重要[1]。 因此，潤滑系統的正常工作是整個鍛壓機設備正常運轉的安全保障。 現代鍛壓機器對潤滑系統的要求是在最大限度滿足摩擦副對潤滑油脂的需要前提條件下，實現對機器穩定、經濟的供油，同時要對潤滑油情況進行監控[2]。 針對本文中TFPR-4000L 型號鍛壓機潤滑系統的特點，對該潤滑系統的各個進油口和出油口進行流量監控，保證潤滑油的流量正常，使摩擦副得到充分的潤滑。 本文采用CCLINK 現場總線的通訊方式，設計了一種適用于4000T 鍛壓機的潤滑油流量監控系統。 該系統已于2018 年10 月在廣州東風日產發動機分公司正式投入使用。

1 系統總體設計

該系統是通過CCLINK 現場總線連接系統的主站、本地站以及遠程設備站，實現數據的實時共享，通過以太網將數據傳輸至觸摸屏。 本地站主要由可編程控制器，CCLINK 通訊模塊，本地輸出模塊，觸摸屏構成，遠程設備站主要由模擬量轉換模塊構成。 傳感器將流量的監控數據傳送給A/D 轉換模塊，再由本地站通過通訊電纜傳送到主站并進行數據的顯示。 整個系統的結構組成如圖1 所示。

圖1 系統的控制結構示意Fig.1 Control structure diagram of the system

2 系統硬件設計

系統的控制器為三菱的Q03UDE，該CPU 具有高速處理功能，小型化可以節省空間，標準ROM 自動寫入，搭配CCLINK 總線配置主站，遠程設備站等構成一個完整的網絡系統，實現了高性能低成本的要求。 CCLINK 通訊模塊選擇QJ61BT11N 作為系統的主站和本地站，該通訊模塊可以和本地站、智能設備站和遠程設備站進行數據通訊，這也是系統功能實現的核心。 該模塊具有從站切斷功能，在斷電的狀態自動切斷主站與從站的數據鏈接，提高了系統的可靠性。 通過設置網絡參數，防止把系統配置中可能會斷電的模塊當作數據鏈接錯誤站處理。 遠程設備站采用AJ65SBT-64AD，該模擬量轉換模塊有4 個通道，支持多種輸入范圍，主要有0～5 V，4～20 mA 等。 還可以根據需要自定義輸出特性以滿足用戶需求。 具有高精度的特點以及1±4000 的高分辨率，可以進行抽樣處理/移動平均處理兩種采樣模式，A/D 轉換單位相比更小型化， 最大可連接到42個模塊。 傳感器采用德國KEWILL 渦輪式流量計，具有優秀的低流速測量性能和快速響應性能，結構緊湊便于安裝。

3 系統軟件設計

3.1 通訊網絡鏈接

通訊網絡是以CCLINK 現場總線連接各個站組合構成，其中主站為系統的數據發送站，遠程設備站作為數據接收站，本地站可以與其他站進行數據共享。 因此，在系統進行遠程監控的過程中，主站與本地站需要進行通訊，主站與遠程設備站也要進行通訊，而遠程設備站的數據可以通過本地站進行讀取。 首先是主站與本地站的通訊，一共分為模塊設置、參數設置、編程、通訊檢測幾個部分，本文只說明模塊設置和參數設置兩個部分。

3.2 模塊設置

設置模塊的站號和數據通訊速率（波特率），主站為0 號站，本地站為1 號站，主站占一個站，本地站可以設置為1～4 站，波特率設置為156 kbps。系統通訊速率只有達到同步狀態，數據才可以在模塊之間正常發送和接收。 主站是數據發送端和接收端的核心。

3.3 參數設置

主站的起始IO 地址為00， 數據通訊模式為遠程網絡模式， 自動刷新參數地址為遠程輸入RX 為X200， 遠程輸出RY 為Y200， 遠程寄存器RWr 為D1000，遠程寄存器RWw 為D1200，特殊繼電器為SB0，特殊寄存器為SW0。本地站網絡參數與主站類似，由于主站的數據傳輸的寄存器與本地站是系統默認的一一對應的關系，為了使后續編程方便在設置參數時， 將本地站的寄存器地址與主站對應起來，可以使編程的寄存器地址分配更為清楚。

通過設置的寄存器地址可以編程通訊程序來搭建數據鏈接進行通訊檢測，可以通過模塊外部的指示燈來判斷模塊是否正常運行以及數據鏈接能否正常接通。通過程序測試數據傳輸是否正常，為后面的編程保證了正常的通訊。 如果第一個遠程設備站作為1 號站，那么后續8 個遠程設備站的站號依次根據遠程設備站所占站數遞增。 錯誤的站號會造成模塊報錯，數據鏈接出錯從而影響模塊的正常通訊。

3.4 遠程監控的實現

系統的遠程監控主要由AJ65SBT-64AD 模數轉換模塊完成，通過對流量計的模擬量進行A/D 轉換然后將數據進行標定，最后在觸摸屏上進行顯示從而可以達到系統設計的要求，觸摸屏主要實現數據的顯示和采集、參數的設置、現場設備的工作狀態手自動的切換及向PLC 發送控制命令等功能[3]。AJ65SBT-64AD 模數轉換模塊具有以下幾個特點：①數據轉換的精度高可以在±0.4%的精度范圍內；②可以根據需要設定每個通道的輸入范圍；③采樣方法可以是采樣處理或移動平均處理；④最多可以將42個模塊連接到一個主站。 針對設備的潤滑要求高對流量監控精度準確以及監控通道數多等特點， 本文選用AJ65SBT-64AD 模數轉換模塊更便于系統的設計和數據的監控。A/D 轉換的程序流程如圖2 所示。

圖2 A/D 轉換程序流程Fig.2 Conversion process flow chart

在進行A/D 轉換之前需要對模塊進行初始化操作，主要內容：①指定A/D 轉換的允許或禁止；②設置輸入范圍；③選擇合適的采樣方式；④設定數據轉換完成或請求標志； ⑤設定數據轉換動作條件。 AJ65SBT-64AD 模數轉換模塊一共4 個通道，每個通道都可以設定不同的輸入范圍，由于流量計數據為4～20 mA 的模擬量，因此輸入范圍選擇4～20 mA。監控的點數為35 個，一共占用9 個模塊，每個模塊的4 個通道均設定為該類型輸入范圍[4]。 采樣方式選擇移動平均處理，這種方式為在一段時間內對數據進行多次采集然后取平均值可以提高數據的可靠性。 AD 轉換模塊在進行數據轉換操作之前需要確認動作條件，每個通道的動作條件是通過遠程輸入RX 遠程，輸出RY 執行的。 具體為RX18 是初始化數據處理請求標志，RX19 是初始化數據設置完成標志，RY18 是初始化數據處理完成標志，RY19是初始化數據設置請求標志。 當這些遠程輸入輸出按照一定順序進行置位就可以滿足數據轉換的動作條件進行AD 轉換。 流量計的模擬量標定范圍為4～20 mA 對應的是0～4000，加上單位換算后數據過大不能存儲在16 位數據寄存器中， 因此本文采用把數據分開存儲， 將每個數據存入兩個16 位數據寄存器中來進行標定。

3.5 監控報警的設計

由于鍛壓機摩擦副的潤滑條件要求較高，因此管道中的潤滑油的流量必須達到指定的要求，否則將造成摩擦副失去潤滑而燒毀工件[5]。 系統不僅要對潤滑油的流量進行實時監控，還需要在一些特殊情況下，比如潤滑油流量不足，進行報警從而及時補充潤滑油防止摩擦副燒毀。 系統在進行設計時需要考慮流量的臨界值，該值就是作為報警的觸發條件，潤滑油的流量一般在超過下限時需要報警。 因此， 本文將監控的流量值與給定的下限值作比較，當超過下限值系統進行報警。 這個下限值需要結合實際工況條件進行設定。 因此，需要特別設計一個流量下限值測定程序，用來確定這個下限值的具體參數[6]。本文把每個流量計的數據每隔1 min 進行采集1 次，并對時間進行記錄，每一個數據通過表格和圖表的形式進行數據反饋， 可以通過對2 h 內數據的分析得出流量的下限值，從而作為系統監控報警的動作條件。 考慮流量的數值變化較慢所以報警輸出設置一個5 s 延時配合流量計響應的快速性可以提高系統整體的快速性。 報警的輸出元件為蜂鳴器和信號燈， 當報警觸發時蜂鳴器響信號燈閃爍，可以通過報警復位按鈕進行報警復位，并通過觸摸屏上的報警履歷查看具體的報警信息。

4 系統調試

在系統設計完成之后現場調試的觸摸屏界面如圖3 所示。

圖3 流量監控人機界面圖Fig.3 Flow control man-machine interface diagram

通過觸摸屏的流量監控界面顯示的各個流量計的實時流量，并結合已知數據參數和流量計的測量范圍可以看出流量計的流量數據正常，由于管道的直徑不同和監控位置不同， 所以存在一些偏差，如潤滑油分配閥的進出口流量稍大于其他管道內流量。 但是這些數據誤差均在可控范圍內，因此數據是可靠的。 在調試過程中由于管道接頭位于鍛壓機移動滑塊上，軟管接頭會跟隨滑塊移動，將造成接頭處漏油的情況。 并且移動的管道數量過多，也造成了每個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控點，將兩路合并為一路，監控值翻倍并乘上一個轉換系數，使得兩路的潤滑油流量值依然滿足設備正常運轉的潤滑要求。 這個系數需要通過長時間測算和采集數據并且結合工藝要求進行計算。

5 結語

該設計解決了高噸位鍛壓機在工作中由于潤滑不足造成工件燒毀的問題，將潤滑油的流量進行實時的監控報警， 可以有效避免上述情況的發生。設計的潤滑油流量監控系統嚴格按照PLC 工業設計標準保證整個系統的安全可靠，并且可以將此系統應用于其他重型鍛壓機器的潤滑系統中去，可以更好地保護機器的正常運轉， 延長機器的使用壽命，便于機器的后期維護保養。