基于臺達PLC自動切膠機的設計

王寧，丁冬梅

(1.中國石油大連潤滑油分公司，遼寧 大連 116031；2.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116031)

0 引言

在潤滑油調合過程中，RHY615黏度指數改進劑具有增黏能力強、剪切穩定性較好、高溫性能好等特點，廣泛應用于高檔內燃機油、液壓油和齒輪油產品中，是目前世界上應用較多的一個品種，市場前景非常廣闊。在生產RHY615黏度指數改進劑時，切膠工序始終是制約RHY615產量和質量的一道“瓶頸”工序。傳統的切膠工藝中，原始的切膠機就是鍘刀，采用類似于鍘草的方式人工送膠、切膠，勞動強度大、效率低且存在很大的安全隱患；逐漸發展為使用液壓系統完成切膠動作的手動液壓切膠機，切刀依據上下兩個限位開關限定位置，切膠速度慢,仍需要人工送膠，生產效率低，提升切膠速度困難。目前我國的成套切膠機同樣存在以上不足，在此背景下，本文以手動切膠機為基礎，對其進行設計改造，堅持成本最優化原則，設計出既提高切膠速度又能隨意調整切膠尺寸的新式自動切膠機。

1 切膠機工作原理及三維模型的建立

傳統切膠機借助液壓系統作為動力來源，如圖1所示，在長時間工作中，儲油缸里的液壓油無法避免地會出現泄漏現象，如不及時清理，極易對膠體產生污染；液壓系統反應不靈敏，對切刀速度及位置控制滯后，造成切刀磨損加劇，切刀的碎屑也會污染膠體，從而給產品帶來雜質。本文在研究傳統液壓切膠機基礎上，采用伺服凸輪電機代替液壓系統為新式自動切膠機提供動力。

圖1 傳統液壓切膠機

1.1 傳統液壓切膠機原理

傳統液壓切膠機主要由切刀、機架、底座及墊板、液壓系統、電氣開關等部分組成。依靠液壓系統為動力，采用導軌控制切刀導向，限位開關控制切刀位置。液壓系統原理如圖2所示。切膠時，人工將生膠放置在切刀下方，按下啟動鍵，液壓油泵提供動力給液壓油缸，切膠刀與活塞桿直接相連，切刀在活塞桿帶動下沿導軌下降，限位開關將位置信息反饋給換向閥，通過換向閥控制油缸活塞桿動作來改變切膠刀的上下方向。

圖2 切膠機液壓系統原理

1.2 切膠機受力分析

在切膠生產中，受力分析如圖3所示，F1、F2為膠體本身對切膠刀刀刃兩側的阻力，FP為液壓桿對切膠刀的推力，α為刀刃角，L為切刀厚度，H為刀刃長度[1]。

圖3 切膠機切刀受力分析

通過查找原切膠機參數可知，齒輪泵效率η1取89%，電機效率η2取87%，切膠工作余量S定為10，工作最大壓強P=8 MPa，液壓管最大流量VL=8 mL/r，電機轉速n取1420 r/min，切刀周期T=12 s，切刀行程L′為500 mm，厚度L為70 mm，刀刃長度H為20 mm，切膠效率參數μ取0.95，由功率等價可知：

SFpμ=η1η2PVLn/60

進一步化簡得

帶入數據化簡后得

以F1作為自動切膠機凸輪電機功率選擇的依據，W為凸輪電機做的功，P1為凸輪電機功率，S′為自動切膠機行程長度400 mm，t為行程時間0.5 s，凸輪電機效率η3取80%，凸輪傳動效率η4取80%，則

預留一定的裕量，由此選擇凸輪電機功率為3700 W。

1.3 自動切膠機三維模型的建立及系統組成

綜合分析自動切膠機使用的現場環境、控制精度及工藝要求，設計機電一體化控制系統框圖，如圖4所示。借助功能強大、易學易用和技術創新的SolidWorks軟件對自動切膠機進行三維建模[2]，如圖5所示。

圖4 自動切膠機控制系統

圖5 自動切膠機三維模型

本文設計的自動切膠機由切膠單元、定位輸送單元、斜坡輸送單元及控制系統組成。利用控制器對定位傳送電機運行速度實施精確控制[3]，實現膠塊尺寸合乎生產要求。人機界面(觸摸屏)完成切膠參數的設定、工作過程啟停及實時的監控，PLC完成工藝參數轉換，相應的電機控制，如定位傳送電機速度、切刀上升高度等，依照編制好的程序順序執行，膠塊的尺寸可通過觸摸屏輸入參數隨時設定，靈活調整?？紤]到切完的膠塊還需人工放到調合釜中，存在安全隱患，為此增加了帶齒型斜坡輸送帶，可自動將膠塊輸送至調合釜，既節省了人力，又達到了本質安全。

2 自動切膠機硬件設計

本文硬件設計包括硬件選型、電氣主回路設計、控制回路設計及PLC的I/O點分配。

2.1 硬件選型

本文根據滿足生產需要、性價比高、可靠性強、留有一定裕量的原則對設備硬件進行選擇，如表1所示。

表1 硬件設備

2.2 電器主回路設計

主回路如圖6所示，主要包括：斷路器、接觸器、浪涌保護器(SPD)、隔離變壓器、開關電源、PLC、切刀變頻器、電機驅動器等。系統通過QF1開關接通，主電路各設備接通得電。由于是交流三相供電，供電電壓為380 V，但系統的PLC輸入控制回路、觸摸屏、中間繼電器需要提供直流24 V電壓供電，因此需通過開關電源提供24 V直流電壓供電。PLC供電電源由隔離變壓器后220 V交流電壓供電。斜坡輸送機和定位傳送電機回路接線如圖7所示，切刀變頻器接線如圖8所示。

圖6 電器主回路

圖7 斜坡輸送電機、定位傳送電機接線

圖8 切刀變頻器接線

2.3 控制回路及PLC的I/O點分配

根據控制原理，合理分配輸入、輸出(I/O)點，如表2、表3所示?？刂苹芈酚蒔LC主機、中間繼電器等組成。整個控制系統可依靠切換開關實現對切膠機自動及手動控制，兩種控制方式互為備份，保障了控制系統的安全。PLC主機控制回路接線如圖9所示。

表2 數字量輸入地址分配

表3 數字量輸出地址分配

圖9 PLC主機控制回路接線

3 自動切膠機軟件設計

3.1 觸摸屏程序設計

首先借助臺達DOPSoft Version:2.00.05 Build觸摸屏編程軟件對組態進行設計。然后通過筆記本電腦與臺達觸摸屏串行通信接口RS-232將編制完成的“組態文件”下載至臺達觸摸屏處理器中，并建立觸摸屏與PLC之間的通信。組態畫面包括系統的啟停、電機的啟停、切刀的升降、切斷傳送時間及生產目標值設定等參數[4]，如圖10所示。

圖10 參數設置與運行界面

3.2 PLC程序設計

1)臺達PLC作為本文控制系統的中樞，依據圖11所示控制流程圖，利用WPLSoft 2.42編寫控制梯形圖[5]，實現：電機驅動器、通用變頻器的RS-485通信設置；電機的啟、停及相應的邏輯控制；設置必要的保護控制。PLC程序如圖12所示。

圖11 自動切膠機控制流程

圖12 控制系統程序

2)程序的上傳下載及系統調試。

(1)設定變量。變量是觸摸屏功能區與臺達PLC的I/O點聯系的橋梁，借助變量觸摸屏可實現對PLC的參數輸入、功能控制和輸出PLC當前值等功能。

(2)程序下載至PLC。設置通信端口，建立PLC與電腦之間的通信，將編程完成的PLC程序下載至PLC中，通過程序狀態功能和仿真軟件進行程序測試，發現問題及時修改程序。設置通信端口如圖13所示。

(3)在PLC軟件調試正常和觸摸屏組態軟件編制結束后，整個控制系統進行聯合調試。對現場信號和所有電機按實際控制要求進行模擬運行，觀察整個系統的運行和性能能否滿足設計要求。當一切測試正常后，還要進行模擬故障報警情況的測試，所有測試數據均正常后，系統調試完成。

4 控制系統抗干擾分析

穩定性和可靠性是控制系統的根本，為提高系統的抗干擾能力和可靠性，因此要充分考慮對干擾的預處理，提高控制系統在工程應用中的抗干擾技術，從而消除或降低干擾源帶來的影響和損害。硬件上在設備選型和線路設計充分考慮抗干擾，主要采取的措施：①電磁屏蔽。控制系統通過3項措施進行電磁屏蔽：控制電纜采用帶屏蔽的雙絞電纜；電纜鋪設在帶蓋的鍍鋅碳鋼匯線橋架內且橋架間有良好的電氣連接；控制電纜保持與電力電纜的平行鋪設距離大于600 mm以防止外界電磁干擾。②接地抗干擾。由于是低頻電路，線路布設和元件間的電感較小，因此將所有信號回路通過導線引至1個公共接地點接地。信號地與電源交流地必須分開，信號電纜的屏蔽地與PLC系統設備地共用，縮短接地線長度，按照標準規范使用接地線及端子。③防雷抗干擾。雷電的高電壓、強電流及電磁感應作用一旦侵入控制系統將給系統帶來毀滅性破壞。通過電纜外層屏蔽、合理布線、安裝浪涌保護器(SPD)這3種保護措施進行防雷抗干擾[6]。

5 自動切膠機性能評價

通過調試運行，本文設計的自動切膠機與傳統液壓切膠機相比，切膠效率提高4～5倍，膠塊尺寸完全符合工藝要求且調整便捷，具體優點如下：

(1)膠塊尺寸可靈活調節。傳統液壓切膠機為人工進料，膠塊尺寸厚薄不均，誤差較大。本文設計用定位傳送電機代替人工進料，膠塊尺寸可根據生產需要靈活調整，簡單方便。

(2)切膠效率大幅提高。每袋膠(按25 kg計算)按照工藝要求的尺寸傳統液壓切膠機約5 min方能切完，本文設計的自動切膠機僅需約1 min即可完成切膠，大大提高了生產效率。

(3)切好的膠塊可直接輸送至調合釜中，減少了操作人員，節約了人工成本，實現了本質安全。與目前大多數采用人工將膠塊放入調合釜中的方式相比，本文設計的自動切膠機采用了定位傳送電機和帶齒型斜坡輸送機，可將膠塊自動輸送至調合釜，既防止人工送料時因操作不當切刀對操作人員造成的傷害，又避免了放置膠塊過程中油品飛濺燙傷操作人員。