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０引言
潤滑脂主要用于降低機械摩擦，防止機械磨損，同時還起到保護金屬、防止氧化腐蝕的作用。潤滑脂的生產(chǎn)原料包括石蠟油(也稱礦物油或者白油)、稠化劑和添加劑等。石蠟油是從原油中分餾出來的無色無味的混合物，其中又可以分為輕質(zhì)石蠟油和一般石蠟油兩種，而輕質(zhì)石蠟油的比重和粘稠度較低[1]。
在潤滑脂的生產(chǎn)過程中，石蠟油的灌裝還需要工人操作，沒有實現(xiàn)自動化。石蠟油灌裝生產(chǎn)過程中，需要定時定量添加石蠟油到混料機，定量的控制精度要求在±３０g之內(nèi)，定時則是需要等待混料機下達定量信息，然后人工稱重，再等待混料機下達添加石蠟油的指令。整個過程需要一位工人實時等候，從下達定量信息至稱重完成大約需要２min的時間。這種石蠟油灌裝工藝費時費力、人工成本高，且精度和實時性很難保證。目前液體灌裝設(shè)備在市面上種類較多，由上海恒剛研發(fā)的半自動活塞式稱重式灌裝機灌裝量需要手動調(diào)節(jié)；由南京世倫研發(fā)的液體自動稱重配料設(shè)備，稱重精度高、速度快，但其結(jié)構(gòu)復雜、占地面積大。
為解決上述問題，本研究將設(shè)計一套石蠟油自動灌裝裝置，以實現(xiàn)潤滑脂生產(chǎn)的自動化。
１總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
１.１技術(shù)要求
對石蠟油自動灌裝裝置的研發(fā)，本文提出以下要求:
(1)工作介質(zhì)為石蠟油，粘度２０Pa·s~２５Pa·s(跟水的粘度近似)，主要是完成石蠟油的灌裝來實現(xiàn)潤滑脂生產(chǎn)的自動化；
(２)每次灌裝最大質(zhì)量５kg，灌裝量由混料機PLC通過MODBUS通訊給定，灌裝精度控制在±３０g之內(nèi)；(３)管路采用對接式接口方便維修，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡
單，運行穩(wěn)定安全可靠，滿足使用要求；
(４)控制方便，外加手自動切換按鈕、急停及指示燈等，并可以通過觸摸屏設(shè)定系統(tǒng)運行過程的各參數(shù)。
１.２工藝流程分析
石蠟油自動灌裝裝置工藝流程主要分３部分:補料、稱重和灌裝，如圖1所示。

(1)補料。由２號泵向儲料容器進行補料，儲量容器內(nèi)有液位傳感器，并通過該裝置的PLC進行信息處理，當液位低于設(shè)定最低液面時，啟動２號泵進行補料，當液面高于設(shè)定最高液面時，關(guān)閉２號泵結(jié)束補料。若在補料過程中原料桶空了，２號泵就會一直工作，所以在程序編寫時，會對２號泵的啟動進行計時，若啟動時間大于正常工作時由啟動到停止的時間，說明原料桶空了，系統(tǒng)則會報警并發(fā)出蜂鳴聲，提醒工作人員更換原料桶；
(２)稱重。首先是要接收混料機的目標重量A，并通過PLC觸發(fā)稱重控制器開始稱重，由稱重控制器控制開啟氣動快、慢閥，待接近目標重量時，關(guān)閉氣動快閥，稱重完成后關(guān)閉氣動慢閥，稱重結(jié)束后，會把當前的實際值B與目標值A(chǔ)進行比對，若比對的誤差在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)(一般是±３０g)，則判斷此次稱重合格，并把稱重完成信息即數(shù)據(jù)B通知到混料機PLC，并把合格的石蠟油排放到暫存容器，之后處于等待狀態(tài)；若比對的誤差不在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，則判斷此次稱重失敗，打開氣動排空閥和1號泵，把稱重失敗的石蠟油回放到儲料容器后，開始下一輪的稱重，直至稱重合格；
(３)灌裝。混料機PLC接收到數(shù)據(jù)B后，經(jīng)過一段時間會發(fā)出信號1給稱重PLC；稱重PLC啟動1號泵，把暫存容器中的介質(zhì)注入混料機，完成后關(guān)閉1號泵，這樣，合格的介質(zhì)注入到混料機中。
通過對石蠟油自動灌裝裝置工藝流程的分析，本設(shè)備設(shè)計重點為稱重部分，即保證灌裝精度。為了保障灌裝精度，采取以下措施:
(1)在機械結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計平衡穩(wěn)定的稱重平臺，
盡量減少外部因素影響稱重過程；
(２)選擇精度高，速度快的稱重模塊；
(３)在電氣控制方面，每次開機需要對稱重模塊進行標定；稱重完成后進行數(shù)據(jù)A和B比對，若連續(xù)３次比對失敗，程序報警需要再次對稱重模塊標定；稱重合格，排放到暫存容器，設(shè)定殘余量在許可范圍時關(guān)閉放料閥。
１.３機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
機械結(jié)構(gòu)根據(jù)工藝流程采取自上而下的設(shè)計，利用介質(zhì)本身的重力，實現(xiàn)石蠟油的自動稱重，減少水泵的使用(水泵只有在補料和灌裝時使用)。
總體設(shè)計方案及現(xiàn)場布局如圖２所示。
整個機械結(jié)構(gòu)分為３部分:儲料部分、稱重部分和暫存部分。

(1)儲料部分。該裝置的最上端為儲料容器，容量為３６L，其上端有兩個進料口，左側(cè)為稱重不合格石蠟油的進料口，右側(cè)為自動補料進料口，容器內(nèi)安裝有液位傳感器，實時通過模擬量采集模塊傳輸至PLC，實現(xiàn)石蠟油的自動補料；其下端連接有快裝三通手閥，手閥一端連接皮管通至原料桶，用于手動排空儲料容器，另一端連接快裝Y型彎頭，用于連接控制稱重的快閥和慢閥；
(２)稱重部分。為了保證稱重的精確性，盡量避免干擾因素，機械方面:上端兩個進料口與快慢閥之間是無接觸的，下端放料口與暫存部分是無接觸的，稱重容器為圓桶型，所以稱重傳感器采用懸梁式高精度桶秤傳感器，桶秤傳感器的特點是在受力后可以自動調(diào)整中心點，為保證稱重過程的平穩(wěn)精確，采用３對桶秤傳感器呈Y型分布安裝；控制方面:在稱重控制器結(jié)束稱重，快閥和慢閥在關(guān)閉后可能會有石蠟油滴落，此時需要等待數(shù)秒后再進行實際值B和目標值A(chǔ)的比對，使得測量結(jié)果更準確；
(３)暫存部分。主要是用來暫時存放來自稱重容器的石蠟油，所以底部形狀設(shè)計為漏斗狀，便于1號泵快速抽干容器內(nèi)的石蠟油。
與鋼鐵等其他材料的軋制成形相比，鋁型材具有方便拼接、機加工少、份量輕、強度高、耐腐蝕、成本低等優(yōu)點，故該裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框架選用鋁型材。

２控制機構(gòu)設(shè)計
２.１硬件選型
通過對工藝流程和機械結(jié)構(gòu)的分析，該裝置需要對液位傳感器的模擬量和各種輸入輸出點的邏輯進行判斷，故本研究采用由西門子Step７-２００smartPLC作為系統(tǒng)的控制器。而針對液位傳感器的模擬信號，需要擴展EMAM０３(２AI/1AQ)模擬量模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由PLC進行處理[５-６]。自動稱重控制器選用歐路達AD２０1６D1型稱重控制器，控制器的內(nèi)部參數(shù)可通過標準MODBUS—RTU通訊方式實現(xiàn)與PLC的實時通訊[７]。針對人機界面HMI，本文采用同系列的Smart７００IEV３觸摸屏。
２.２I/O分配
PLC的I/O分配如表1所示。

２.３主要PLC控制程序

根據(jù)技術(shù)要求和工藝流程，繪制控制流程圖，如圖3所示。

液位傳感器的量程為０~０.６m，傳感器將壓強信號轉(zhuǎn)換成４mA~２０mA的電流信號，PLC模擬量模塊采集信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號[８]。在用Step７-Micro/WINSMART軟件編程之前需要對模擬量模塊進行組態(tài)，設(shè)置模擬量輸入類型為電流，范圍為０~２０mA。

由PLC讀取模擬量模塊的AIW1６存儲單元的數(shù)字量信息，并通過液位變化量與所讀取的數(shù)字量之間的變換關(guān)系，將當前液位數(shù)據(jù)保存在VW1０存儲單元內(nèi)。
自動補料程序如圖４所示。

該程序通過人機交互界面設(shè)定上限和下限液位。當液位低于下限，程序會啟動２號泵；當液位高于上限，程序會停止２號泵，并對２號泵導通計時。若在VW11８所設(shè)定的時間內(nèi)，２號泵還處在導通狀態(tài)，則說明原料桶已空，會引發(fā)紅燈和蜂鳴器報警，強制關(guān)閉２號泵。在更換原料桶后，通過復位按鈕重新恢復自動補料控制。
AD２０1６D1稱重控制器支持主從形式的標準MODBUS—RTU網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議中的寄存器讀寫功能。PLC與稱重控制器的數(shù)據(jù)交換程序如圖５所示。

第一段程序中的MBUSCTRL用于單個Mod-busRTU主站，Mode輸入值為1時，將CPU端口分配給Modbus協(xié)議并啟用該協(xié)議；Parity(奇偶校驗)設(shè)置為與Modbus從站設(shè)備的奇偶校驗相匹配；Port(端口)設(shè)置物理通信端口(０為CPU中集成的RS-４８５)；Timeout(超時)為等待從站做出響應(yīng)的毫秒數(shù)(可以設(shè)置為1ms~３２７６７ms之間的任何值)。
第二、三段程序是PLC讀寫控制器內(nèi)部地址的參數(shù)，寄存器地址與數(shù)據(jù)對照表如表２所示。

其中，實時重量、目標值、快速提前量和慢速提前量均為４字節(jié)長整型。根據(jù)程序地址定義，其所對應(yīng)的地址分別為VD1３０、VD1５８、VD1６２和VD1６４，并通過人機界面進行讀寫。
２.４人機界面的設(shè)計
人機界面與PLC屬于同一系列的產(chǎn)品，兩者采用以太網(wǎng)(TCP/IP)通訊。根據(jù)工藝流程，人機界面基本包括主界面、手自動界面和參數(shù)設(shè)定界面。
人機界面如圖６所示。

３實驗及結(jié)果
經(jīng)過安裝、調(diào)試和與現(xiàn)場混料機的通訊，證明該設(shè)備已經(jīng)可以正常平穩(wěn)地運行。本文分別對不同質(zhì)量的石蠟油進行多次稱重灌裝，灌裝結(jié)果再次測量，誤差范

圍均在±２０g之內(nèi)，符合精度要求。
在效率方面，最大量５kg稱重灌裝過程用時６０s，較之前人工灌裝，不僅在精度、速度，還是實時性方面表現(xiàn)突出，節(jié)省人工成本，提高了生產(chǎn)效率。
４結(jié)束語
本研究針對潤滑脂生產(chǎn)過程石蠟油灌裝工序中存在的精度低、費時費力等問題，通過設(shè)計合理的機械結(jié)構(gòu)，運用性能穩(wěn)定功能強大的可編程邏輯控制器(PLC)控制，開發(fā)了集石蠟油自動補料、稱重和灌裝的石蠟油自動灌裝裝置，該裝置具有以下特點:
(1)機械結(jié)構(gòu)以鋁型材為框架采用上下式分布，方便灌裝和設(shè)備維修；
(２)采用液位傳感器和稱重控制器，使得裝置工作運行平穩(wěn)可靠，精度更高；
(３)PLC、人機界面和稱重控制器之間的實時通訊進行數(shù)據(jù)的交換和處理，大大提高工作效率。
實際生產(chǎn)證明:該石蠟油自動灌裝裝置在灌裝的實時性和精準度均滿足生產(chǎn)需要。
 

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