王興政，韓震宇

（四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

機(jī)械工業(yè)作為國民工業(yè)中的基礎(chǔ)行業(yè)，綠色機(jī)械加工作為節(jié)能減排的出發(fā)點(diǎn)，其對(duì)于提高資源利用率具有特殊效果。綠色機(jī)械加工的主要代表是綠色制造，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)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(duì)環(huán)境的破壞程度，傳統(tǒng)技術(shù)的切削工藝對(duì)于三態(tài)環(huán)境造成巨大破壞，綠色加工減少的環(huán)境污染，有助于對(duì)原有環(huán)境的保護(hù)；此外，綠色加工也最大程度減少了機(jī)械加工過程中化學(xué)成分的排放，也減輕了對(duì)人體的危害。為此，在刀具切削行業(yè)設(shè)計(jì)了一種集機(jī)電氣為一體的多工位潤滑系統(tǒng)來提高潤滑油的利用率，減少環(huán)境污染，通過改變PLC（Programmable Logic Controller）高速脈沖口脈沖輸出頻率調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的速度以控制油路流速；同時(shí)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(dá)到霧化潤滑油的效果。系統(tǒng)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(duì)中低端應(yīng)用設(shè)計(jì)的可編程邏輯控制器，具備高性能、低成本、方便運(yùn)用等特點(diǎn)；精彩系列HMI 用以對(duì)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理調(diào)試、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控等，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)自動(dòng)化程度以及人機(jī)交互友好性。

1 多工位潤滑控制系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)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(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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(jī)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(wěn)壓比例閥、控制流量比例閥、開關(guān)閥、氣體流量傳感器以及控制總線，負(fù)責(zé)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(jì)、蠕動(dòng)泵組成，蠕動(dòng)泵為主要執(zhí)行部件，其內(nèi)部由步進(jìn)電機(jī)、滾輪、軟管等組成。蠕動(dòng)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(dòng)管內(nèi)流體向前移動(dòng)，蠕動(dòng)泵也是這個(gè)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(jìn)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(dòng)，管內(nèi)形成負(fù)壓，液體隨之流動(dòng)[2]。

1.2 工作原理

系統(tǒng)上電后，HMI 觸摸屏進(jìn)入登錄密碼輸入界面，密碼輸入正確后電氣系統(tǒng)主控制器PLC 根據(jù)原始設(shè)定參數(shù)（上一次設(shè)定參數(shù)），發(fā)送模擬信號(hào)到調(diào)壓比例閥，比例閥通過給定的不同大小的的電流，可以產(chǎn)生不同大小的電磁吸力，從而達(dá)到不同的開口大小，如圖2所示。此調(diào)壓比例閥帶有測壓傳感器和PID（Packet Identifier）控制回路，會(huì)自動(dòng)根據(jù)傳感器的測量值和氣壓設(shè)定值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完成后系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備階段。人機(jī)交互界面參數(shù)設(shè)定完全后，點(diǎn)擊開始按鈕（或外部按鈕開關(guān)），HMI 傳輸數(shù)據(jù)到主控制器PLC，PLC根據(jù)設(shè)定參數(shù)值輸出電壓/電流信號(hào)來控制外部設(shè)備。

圖2 比例閥工作原理

氣路部分是在設(shè)定的氣壓條件下，逐漸打開流量比例閥的閥口，同時(shí)測流傳感器檢測到氣體流量，傳輸?shù)街骺刂破?，?jīng)過參數(shù)整定、PID 調(diào)節(jié)和設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)今的閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)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(gè)部分，即測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)鍵的是被控變量的實(shí)際值，與期望值相比較，用這個(gè)偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又稱PID 調(diào)節(jié)，如圖3所示。油路部分，PLC 根據(jù)設(shè)定的參數(shù)來控制高速脈沖輸出頻率來控制蠕動(dòng)泵里的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)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(dá)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(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)多工位微量潤滑的要求對(duì)系統(tǒng)控制電路的核心、傳感器、比例閥以及外圍電路進(jìn)行選擇。微量潤滑控制系統(tǒng)選用西門子公司的s7-200 Smart 系列PLC，該系列PLC 結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉且具有強(qiáng)大的指令集，其中CPU（Central Processing Unit Processor）模塊ST20提供12 kB 的程序存儲(chǔ)空間和8 kB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，帶有2 路輸出頻率高達(dá)100 kHz 的脈沖輸出口、12 點(diǎn)數(shù)字輸入、8 點(diǎn)數(shù)字輸出，最高支持6個(gè)拓展模塊。為保證操作安全、方便、可靠，系統(tǒng)各個(gè)支路都裝有安全閥作為支路開關(guān)，各個(gè)支路需要控制比例閥，需要數(shù)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(gè)CPU 模塊ST20 配合2個(gè)模擬量輸出模塊EM AQ02、EM AQ04 和1個(gè)模擬量輸入模塊EM AQ08，2個(gè)CPU 模塊采用Modbus 通信。與Smart系列PLC 配合使用的人機(jī)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(jì)、流量計(jì)和帶反饋功能的氣體壓力控制比例閥，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)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(hào)和輸出信號(hào)（壓力）差值，在內(nèi)部控制回路作用下不斷調(diào)節(jié)供給壓力，從而使輸出壓力基本等于設(shè)定值，并通過Modbus 協(xié)議傳輸?shù)絇LC。氣體流量控制采用SMC 公司的VEA250 系列比例閥控制器，因?yàn)镻LC 模擬量輸出電壓不足以帶動(dòng)負(fù)載，所以需要采用電壓放大器作為驅(qū)動(dòng)回路，本項(xiàng)目采用自制的以STM32 為核心的電路板來達(dá)到驅(qū)動(dòng)比例閥的目的。油路采用蠕動(dòng)泵作為執(zhí)行元件，為申辰的OEM130/YZ1515X-6（PPS）系列蠕動(dòng)泵。硬件系統(tǒng)總體控制方案如圖4所示，HMI通過以太網(wǎng)通信與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，2個(gè)CPU 之間通過RS-485 總線交換數(shù)據(jù)，開關(guān)閥以及控制開關(guān)與PLC 數(shù)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(tǒng)總體控制方案

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括PLC 控制程序、HMI 組態(tài)程序，主要完成系統(tǒng)各個(gè)部件控制、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)保存以及故障報(bào)警等工作。其中副CPU 主要為第3、4 工位的蠕動(dòng)泵提供高速脈沖輸出，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

PLC 控制程序主要包括設(shè)備上電自檢程序、參數(shù)設(shè)置程序、報(bào)警程序、手動(dòng)控制程序、自動(dòng)控制程序和通信程序。其中上電自檢程序主要完成系統(tǒng)各處閥門安全以及氣壓自檢，防止氣壓不足和相關(guān)閥門沒有閉合，造成后續(xù)安全和控制問題。參數(shù)設(shè)置程序?yàn)榇_認(rèn)設(shè)備當(dāng)前參數(shù)值是否是即將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的期望值，并可以方便修改和更正。報(bào)警程序負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和油箱油液高度，一方面相關(guān)傳感器會(huì)檢測氣壓變化幅度和電機(jī)運(yùn)行情況，一旦氣壓過高或波動(dòng)明顯及不足，電機(jī)發(fā)熱或者運(yùn)行卡死，會(huì)在HMI 界面顯示相關(guān)報(bào)警信息。手動(dòng)控制程序是在參數(shù)確認(rèn)無誤的情況下，可以人為手動(dòng)分步進(jìn)行系統(tǒng)各個(gè)油、氣支路的控制，在這個(gè)過程中油路部分是通過改變脈沖輸出頻率來控制步進(jìn)電機(jī)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(shù)字量來控制開關(guān)閥的開合，從而在噴嘴輸出端達(dá)到理想的油氣混合噴霧效果。自動(dòng)控制程序是在原先已經(jīng)存儲(chǔ)的相關(guān)噴霧設(shè)定的基礎(chǔ)上，按照原來設(shè)定的噴霧時(shí)間、噴霧量、噴嘴位置來配合機(jī)床加工不同零件時(shí)自動(dòng)噴霧，可以根據(jù)不同零件修改、增加自動(dòng)噴霧程序[3]。系統(tǒng)控制流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制流程圖

3.2 HMI 組態(tài)程序

HMI 作為自動(dòng)化控制中操作性強(qiáng)、顯示直觀、性價(jià)比高的一款人機(jī)交互接口，可以靈活運(yùn)用圖文界面代替代替?zhèn)鹘y(tǒng)工控設(shè)備實(shí)體按鈕和旋轉(zhuǎn)按鈕等，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控以及參數(shù)設(shè)置工作。多工位潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面采用Winccflexible 進(jìn)行組態(tài)[4]，主要包括密碼登錄界面、監(jiān)控界面、零件選擇界面、系統(tǒng)設(shè)置界面、統(tǒng)計(jì)界面以及信息界面，如圖6所示。

圖6 多工位潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面

其中，密碼登錄界面是開機(jī)第一顯示的界面，只有密碼輸入正確才可以進(jìn)入后續(xù)的設(shè)置、監(jiān)控等界面；監(jiān)控界面負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前氣壓、氣體流量、油流量和油罐液位，方便在系統(tǒng)運(yùn)行階段顯示當(dāng)前各個(gè)支路的油氣輸出量情況，同時(shí)還有各個(gè)支路的開關(guān)按鈕，方便對(duì)支路進(jìn)行操控；零件選擇界面是自動(dòng)操作下需要第一設(shè)定的，在此可以選擇現(xiàn)有工藝路線下對(duì)應(yīng)的噴霧程序，也可以自行增加；系統(tǒng)設(shè)置界面負(fù)責(zé)對(duì)當(dāng)前參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行修改，方便針對(duì)不同種工況，包括氣壓、油壓、氣體流量和油流量；統(tǒng)計(jì)界面對(duì)運(yùn)行過程中氣體和液體的使用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4 總結(jié)

設(shè)備運(yùn)行過程中由于氣路采用了穩(wěn)壓元件，比例閥和氣體流量計(jì)組成了閉環(huán)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(dòng)配合軟管，運(yùn)用虹吸原理來達(dá)到微量油液排出效果，在噴嘴末端可以達(dá)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(dòng)控制程序可以很好地配合機(jī)床加工不同零件，整個(gè)過程自動(dòng)開合相應(yīng)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(shí)驗(yàn)和操作工的勞動(dòng)程度。

多工位微量潤滑控制系統(tǒng)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(jì)搭配使用，形成了對(duì)氣體的閉環(huán)控制，比普通的開環(huán)控制流量控制更精準(zhǔn)，提高了系統(tǒng)整體性能。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用過程中穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便，長時(shí)間運(yùn)行也可保證對(duì)氣體和油液的精確控制。