多工位微量潤滑控制系統設計

王興政，韓震宇

（四川大學機械工程學院，四川 成都 610065）

機械工業作為國民工業中的基礎行業，綠色機械加工作為節能減排的出發點，其對于提高資源利用率具有特殊效果。綠色機械加工的主要代表是綠色制造，相對于傳統機械加工，綠色加工能夠改善一系列弊端。首先，大大提高了資源利用率；其次，大大降低了對環境的破壞程度，傳統技術的切削工藝對于三態環境造成巨大破壞，綠色加工減少的環境污染，有助于對原有環境的保護；此外，綠色加工也最大程度減少了機械加工過程中化學成分的排放，也減輕了對人體的危害。為此，在刀具切削行業設計了一種集機電氣為一體的多工位潤滑系統來提高潤滑油的利用率，減少環境污染，通過改變PLC（Programmable Logic Controller）高速脈沖口脈沖輸出頻率調節蠕動泵的速度以控制油路流速；同時通過控制氣路氣壓和比例閥的開口大小來控制氣路氣體流速，從而在噴嘴末端達到霧化潤滑油的效果。系統采用了西門子S7-200 Smart系列PLC 以及精彩系列HMI （Human Machine Interface）700 IE V3，Smart 系列是西門子針對中低端應用設計的可編程邏輯控制器，具備高性能、低成本、方便運用等特點；精彩系列HMI 用以對設備生產數據進行管理調試、參數設定、狀態監控等，極大地增強了系統自動化程度以及人機交互友好性。

1 多工位潤滑控制系統組成及工作原理

1.1 系統組成

控制系統主要由主控部分（PLC）、氣壓泵、氣路控制部分、油路控制部分、噴嘴等組成。系統組成原理如圖1所示。

圖1 系統組成原理圖

其中，主控部分以PLC 作為控制部分核心部件，HMI 作為人機交互界面的控制單元配合外圍傳感器、閥等電路及其輔助電路完成控制工作。氣路部分包括氣源、穩壓比例閥、控制流量比例閥、開關閥、氣體流量傳感器以及控制總線，負責控制輸出一定的氣體流量和氣體流速。油路部分由油罐、液位計、蠕動泵組成，蠕動泵為主要執行部件，其內部由步進電機、滾輪、軟管等組成。蠕動泵就像用手指夾擠一根充滿流體的軟管，隨著手指向前滑動管內流體向前移動，蠕動泵也是這個原理只是由滾輪取代了手指。通過泵的彈性輸送軟管交替進行擠壓和釋放來泵送流體，就像用2 根手指夾擠軟管一樣，隨著手指的移動，管內形成負壓，液體隨之流動[2]。

1.2 工作原理

系統上電后，HMI 觸摸屏進入登錄密碼輸入界面，密碼輸入正確后電氣系統主控制器PLC 根據原始設定參數（上一次設定參數），發送模擬信號到調壓比例閥，比例閥通過給定的不同大小的的電流，可以產生不同大小的電磁吸力，從而達到不同的開口大小，如圖2所示。此調壓比例閥帶有測壓傳感器和PID（Packet Identifier）控制回路，會自動根據傳感器的測量值和氣壓設定值進行動態調節。調節完成后系統進入準備階段。人機交互界面參數設定完全后，點擊開始按鈕（或外部按鈕開關），HMI 傳輸數據到主控制器PLC，PLC根據設定參數值輸出電壓/電流信號來控制外部設備。

圖2 比例閥工作原理

氣路部分是在設定的氣壓條件下，逐漸打開流量比例閥的閥口，同時測流傳感器檢測到氣體流量，傳輸到主控制器，經過參數整定、PID 調節和設定值進行比較。當今的閉環自動控制技術都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括3個部分，即測量、比較和執行。測量關鍵的是被控變量的實際值，與期望值相比較，用這個偏差來糾正系統的響應，執行調節控制。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又稱PID 調節，如圖3所示。油路部分，PLC 根據設定的參數來控制高速脈沖輸出頻率來控制蠕動泵里的步進電機轉速，從而達到控制油流量/流速的目的。在噴嘴末端，潤滑油在高壓氣體的作用下達到霧化的目的，從而能提高潤滑效率和潤滑油的利用率。

圖3 PID 控制系統原理

2 系統硬件設計

根據多工位微量潤滑的要求對系統控制電路的核心、傳感器、比例閥以及外圍電路進行選擇。微量潤滑控制系統選用西門子公司的s7-200 Smart 系列PLC，該系列PLC 結構緊湊、成本低廉且具有強大的指令集，其中CPU（Central Processing Unit Processor）模塊ST20提供12 kB 的程序存儲空間和8 kB 的數據存儲空間，帶有2 路輸出頻率高達100 kHz 的脈沖輸出口、12 點數字輸入、8 點數字輸出，最高支持6個拓展模塊。為保證操作安全、方便、可靠，系統各個支路都裝有安全閥作為支路開關，各個支路需要控制比例閥，需要數字量輸入接口和大量模擬量輸入/輸出接口，因此最終控制核心選用2個CPU 模塊ST20 配合2個模擬量輸出模塊EM AQ02、EM AQ04 和1個模擬量輸入模塊EM AQ08，2個CPU 模塊采用Modbus 通信。與Smart系列PLC 配合使用的人機交互界面（HMI）為西門子精彩系列觸摸屏，確定HMI 為西門子700 IE V3。傳感器部分主要包括液位計、流量計和帶反饋功能的氣體壓力控制比例閥，為提高系統的穩定性和可靠性，氣體壓力控制比例閥選用SMC 公司的ITV2050-013L系列比例閥，此比例閥通過比較輸入信號和輸出信號（壓力）差值，在內部控制回路作用下不斷調節供給壓力，從而使輸出壓力基本等于設定值，并通過Modbus 協議傳輸到PLC。氣體流量控制采用SMC 公司的VEA250 系列比例閥控制器，因為PLC 模擬量輸出電壓不足以帶動負載，所以需要采用電壓放大器作為驅動回路，本項目采用自制的以STM32 為核心的電路板來達到驅動比例閥的目的。油路采用蠕動泵作為執行元件，為申辰的OEM130/YZ1515X-6（PPS）系列蠕動泵。硬件系統總體控制方案如圖4所示，HMI通過以太網通信與PLC 進行數據交換，2個CPU 之間通過RS-485 總線交換數據，開關閥以及控制開關與PLC 數字量I/O 口直連，傳感器以及比例閥與PLC 模擬量輸入模塊相連。

圖4 硬件系統總體控制方案

3 系統軟件設計

控制系統軟件包括PLC 控制程序、HMI 組態程序，主要完成系統各個部件控制、設備運行狀態監控、設備參數設置、數據測量、數據保存以及故障報警等工作。其中副CPU 主要為第3、4 工位的蠕動泵提供高速脈沖輸出，并存儲數據。

3.1 PLC 程序設計

PLC 控制程序主要包括設備上電自檢程序、參數設置程序、報警程序、手動控制程序、自動控制程序和通信程序。其中上電自檢程序主要完成系統各處閥門安全以及氣壓自檢，防止氣壓不足和相關閥門沒有閉合，造成后續安全和控制問題。參數設置程序為確認設備當前參數值是否是即將進行實驗的期望值，并可以方便修改和更正。報警程序負責監控系統運行狀態和油箱油液高度，一方面相關傳感器會檢測氣壓變化幅度和電機運行情況，一旦氣壓過高或波動明顯及不足，電機發熱或者運行卡死，會在HMI 界面顯示相關報警信息。手動控制程序是在參數確認無誤的情況下，可以人為手動分步進行系統各個油、氣支路的控制，在這個過程中油路部分是通過改變脈沖輸出頻率來控制步進電機速度以完成潤滑油輸送的目的；氣路部分是通過控制模擬量的大小來控制比例閥閥門開閉的大小，通過數字量來控制開關閥的開合，從而在噴嘴輸出端達到理想的油氣混合噴霧效果。自動控制程序是在原先已經存儲的相關噴霧設定的基礎上，按照原來設定的噴霧時間、噴霧量、噴嘴位置來配合機床加工不同零件時自動噴霧，可以根據不同零件修改、增加自動噴霧程序[3]。系統控制流程如圖5所示。

圖5 系統控制流程圖

3.2 HMI 組態程序

HMI 作為自動化控制中操作性強、顯示直觀、性價比高的一款人機交互接口，可以靈活運用圖文界面代替代替傳統工控設備實體按鈕和旋轉按鈕等，主要負責系統運行監控以及參數設置工作。多工位潤滑系統設計界面采用Winccflexible 進行組態[4]，主要包括密碼登錄界面、監控界面、零件選擇界面、系統設置界面、統計界面以及信息界面，如圖6所示。

圖6 多工位潤滑系統設計界面

其中，密碼登錄界面是開機第一顯示的界面，只有密碼輸入正確才可以進入后續的設置、監控等界面；監控界面負責顯示當前氣壓、氣體流量、油流量和油罐液位，方便在系統運行階段顯示當前各個支路的油氣輸出量情況，同時還有各個支路的開關按鈕，方便對支路進行操控；零件選擇界面是自動操作下需要第一設定的，在此可以選擇現有工藝路線下對應的噴霧程序，也可以自行增加；系統設置界面負責對當前參數的數值進行修改，方便針對不同種工況，包括氣壓、油壓、氣體流量和油流量；統計界面對運行過程中氣體和液體的使用量進行統計。

4 總結

設備運行過程中由于氣路采用了穩壓元件，比例閥和氣體流量計組成了閉環的氣體流量控制，可以很好地控制氣體；油路部分采用6 輪蠕動配合軟管，運用虹吸原理來達到微量油液排出效果，在噴嘴末端可以達到較好的霧化效果。氣體流量誤差不超過5 L/min，油液誤差不超過2 mL/min。自動控制程序可以很好地配合機床加工不同零件，整個過程自動開合相應工位的噴霧，能在不影響潤滑效果的情況下減少潤滑液的實驗和操作工的勞動程度。

多工位微量潤滑控制系統采用西門子PLC 和HMI為控制核心，利用精密傳感器測量氣壓、氣體流量，能夠較為精確地控制氣體壓力、流量輸出和油液輸出，保證了噴嘴端霧化的效果。氣路選擇比例閥和流量計搭配使用，形成了對氣體的閉環控制，比普通的開環控制流量控制更精準，提高了系統整體性能。系統實際運用過程中穩定可靠、維護方便，長時間運行也可保證對氣體和油液的精確控制。