一种4000T锻压机润滑油流量监控系统设计

吴敬兵，赵 森

（武汉理工大学 机电工程学院，武汉430070）

润滑系统是锻压机的重要组成部分，摩擦副是否可以得到充足的供油影响了锻压机的性能和工件的质量， 严重时可能造成设备相关机构的损坏，带来重大的安全事故。 润滑系统的配备和元件的选用，对机器润滑效果、机器寿命至关重要[1]。 因此，润滑系统的正常工作是整个锻压机设备正常运转的安全保障。 现代锻压机器对润滑系统的要求是在最大限度满足摩擦副对润滑油脂的需要前提条件下，实现对机器稳定、经济的供油，同时要对润滑油情况进行监控[2]。 针对本文中TFPR-4000L 型号锻压机润滑系统的特点，对该润滑系统的各个进油口和出油口进行流量监控，保证润滑油的流量正常，使摩擦副得到充分的润滑。 本文采用CCLINK 现场总线的通讯方式，设计了一种适用于4000T 锻压机的润滑油流量监控系统。 该系统已于2018 年10 月在广州东风日产发动机分公司正式投入使用。

1 系统总体设计

该系统是通过CCLINK 现场总线连接系统的主站、本地站以及远程设备站，实现数据的实时共享，通过以太网将数据传输至触摸屏。 本地站主要由可编程控制器，CCLINK 通讯模块，本地输出模块，触摸屏构成，远程设备站主要由模拟量转换模块构成。 传感器将流量的监控数据传送给A/D 转换模块，再由本地站通过通讯电缆传送到主站并进行数据的显示。 整个系统的结构组成如图1 所示。

图1 系统的控制结构示意Fig.1 Control structure diagram of the system

2 系统硬件设计

系统的控制器为三菱的Q03UDE，该CPU 具有高速处理功能，小型化可以节省空间，标准ROM 自动写入，搭配CCLINK 总线配置主站，远程设备站等构成一个完整的网络系统，实现了高性能低成本的要求。 CCLINK 通讯模块选择QJ61BT11N 作为系统的主站和本地站，该通讯模块可以和本地站、智能设备站和远程设备站进行数据通讯，这也是系统功能实现的核心。 该模块具有从站切断功能，在断电的状态自动切断主站与从站的数据链接，提高了系统的可靠性。 通过设置网络参数，防止把系统配置中可能会断电的模块当作数据链接错误站处理。 远程设备站采用AJ65SBT-64AD，该模拟量转换模块有4 个通道，支持多种输入范围，主要有0～5 V，4～20 mA 等。 还可以根据需要自定义输出特性以满足用户需求。 具有高精度的特点以及1±4000 的高分辨率，可以进行抽样处理/移动平均处理两种采样模式，A/D 转换单位相比更小型化， 最大可连接到42个模块。 传感器采用德国KEWILL 涡轮式流量计，具有优秀的低流速测量性能和快速响应性能，结构紧凑便于安装。

3 系统软件设计

3.1 通讯网络链接

通讯网络是以CCLINK 现场总线连接各个站组合构成，其中主站为系统的数据发送站，远程设备站作为数据接收站，本地站可以与其他站进行数据共享。 因此，在系统进行远程监控的过程中，主站与本地站需要进行通讯，主站与远程设备站也要进行通讯，而远程设备站的数据可以通过本地站进行读取。 首先是主站与本地站的通讯，一共分为模块设置、参数设置、编程、通讯检测几个部分，本文只说明模块设置和参数设置两个部分。

3.2 模块设置

设置模块的站号和数据通讯速率（波特率），主站为0 号站，本地站为1 号站，主站占一个站，本地站可以设置为1～4 站，波特率设置为156 kbps。系统通讯速率只有达到同步状态，数据才可以在模块之间正常发送和接收。 主站是数据发送端和接收端的核心。

3.3 参数设置

主站的起始IO 地址为00， 数据通讯模式为远程网络模式， 自动刷新参数地址为远程输入RX 为X200， 远程输出RY 为Y200， 远程寄存器RWr 为D1000，远程寄存器RWw 为D1200，特殊继电器为SB0，特殊寄存器为SW0。本地站网络参数与主站类似，由于主站的数据传输的寄存器与本地站是系统默认的一一对应的关系，为了使后续编程方便在设置参数时， 将本地站的寄存器地址与主站对应起来，可以使编程的寄存器地址分配更为清楚。

通过设置的寄存器地址可以编程通讯程序来搭建数据链接进行通讯检测，可以通过模块外部的指示灯来判断模块是否正常运行以及数据链接能否正常接通。通过程序测试数据传输是否正常，为后面的编程保证了正常的通讯。 如果第一个远程设备站作为1 号站，那么后续8 个远程设备站的站号依次根据远程设备站所占站数递增。 错误的站号会造成模块报错，数据链接出错从而影响模块的正常通讯。

3.4 远程监控的实现

系统的远程监控主要由AJ65SBT-64AD 模数转换模块完成，通过对流量计的模拟量进行A/D 转换然后将数据进行标定，最后在触摸屏上进行显示从而可以达到系统设计的要求，触摸屏主要实现数据的显示和采集、参数的设置、现场设备的工作状态手自动的切换及向PLC 发送控制命令等功能[3]。AJ65SBT-64AD 模数转换模块具有以下几个特点：①数据转换的精度高可以在±0.4%的精度范围内；②可以根据需要设定每个通道的输入范围；③采样方法可以是采样处理或移动平均处理；④最多可以将42个模块连接到一个主站。 针对设备的润滑要求高对流量监控精度准确以及监控通道数多等特点， 本文选用AJ65SBT-64AD 模数转换模块更便于系统的设计和数据的监控。A/D 转换的程序流程如图2 所示。

图2 A/D 转换程序流程Fig.2 Conversion process flow chart

在进行A/D 转换之前需要对模块进行初始化操作，主要内容：①指定A/D 转换的允许或禁止；②设置输入范围；③选择合适的采样方式；④设定数据转换完成或请求标志； ⑤设定数据转换动作条件。 AJ65SBT-64AD 模数转换模块一共4 个通道，每个通道都可以设定不同的输入范围，由于流量计数据为4～20 mA 的模拟量，因此输入范围选择4～20 mA。监控的点数为35 个，一共占用9 个模块，每个模块的4 个通道均设定为该类型输入范围[4]。 采样方式选择移动平均处理，这种方式为在一段时间内对数据进行多次采集然后取平均值可以提高数据的可靠性。 AD 转换模块在进行数据转换操作之前需要确认动作条件，每个通道的动作条件是通过远程输入RX 远程，输出RY 执行的。 具体为RX18 是初始化数据处理请求标志，RX19 是初始化数据设置完成标志，RY18 是初始化数据处理完成标志，RY19是初始化数据设置请求标志。 当这些远程输入输出按照一定顺序进行置位就可以满足数据转换的动作条件进行AD 转换。 流量计的模拟量标定范围为4～20 mA 对应的是0～4000，加上单位换算后数据过大不能存储在16 位数据寄存器中， 因此本文采用把数据分开存储， 将每个数据存入两个16 位数据寄存器中来进行标定。

3.5 监控报警的设计

由于锻压机摩擦副的润滑条件要求较高，因此管道中的润滑油的流量必须达到指定的要求，否则将造成摩擦副失去润滑而烧毁工件[5]。 系统不仅要对润滑油的流量进行实时监控，还需要在一些特殊情况下，比如润滑油流量不足，进行报警从而及时补充润滑油防止摩擦副烧毁。 系统在进行设计时需要考虑流量的临界值，该值就是作为报警的触发条件，润滑油的流量一般在超过下限时需要报警。 因此， 本文将监控的流量值与给定的下限值作比较，当超过下限值系统进行报警。 这个下限值需要结合实际工况条件进行设定。 因此，需要特别设计一个流量下限值测定程序，用来确定这个下限值的具体参数[6]。本文把每个流量计的数据每隔1 min 进行采集1 次，并对时间进行记录，每一个数据通过表格和图表的形式进行数据反馈， 可以通过对2 h 内数据的分析得出流量的下限值，从而作为系统监控报警的动作条件。 考虑流量的数值变化较慢所以报警输出设置一个5 s 延时配合流量计响应的快速性可以提高系统整体的快速性。 报警的输出元件为蜂鸣器和信号灯， 当报警触发时蜂鸣器响信号灯闪烁，可以通过报警复位按钮进行报警复位，并通过触摸屏上的报警履历查看具体的报警信息。

4 系统调试

在系统设计完成之后现场调试的触摸屏界面如图3 所示。

图3 流量监控人机界面图Fig.3 Flow control man-machine interface diagram

通过触摸屏的流量监控界面显示的各个流量计的实时流量，并结合已知数据参数和流量计的测量范围可以看出流量计的流量数据正常，由于管道的直径不同和监控位置不同， 所以存在一些偏差，如润滑油分配阀的进出口流量稍大于其他管道内流量。 但是这些数据误差均在可控范围内，因此数据是可靠的。 在调试过程中由于管道接头位于锻压机移动滑块上，软管接头会跟随滑块移动，将造成接头处漏油的情况。 并且移动的管道数量过多，也造成了每个管道之间不同程度的磨损[7]。 为了解决该类问题本文将在两路支路的交汇处添加监控点，将两路合并为一路，监控值翻倍并乘上一个转换系数，使得两路的润滑油流量值依然满足设备正常运转的润滑要求。 这个系数需要通过长时间测算和采集数据并且结合工艺要求进行计算。

5 结语

该设计解决了高吨位锻压机在工作中由于润滑不足造成工件烧毁的问题，将润滑油的流量进行实时的监控报警， 可以有效避免上述情况的发生。设计的润滑油流量监控系统严格按照PLC 工业设计标准保证整个系统的安全可靠，并且可以将此系统应用于其他重型锻压机器的润滑系统中去，可以更好地保护机器的正常运转， 延长机器的使用寿命，便于机器的后期维护保养。