智能模块化润滑脂寿命试验机设计与实现

2022-12-31

润滑脂寿命试验机是石油化工行业广泛使用的测量仪器。它是把润滑脂样品置入专用轴承, 由电动机拖动, 在特定的温度、轴向压力和转速条件下, 按照一定的时间周期循环运行和停止, 当电动机扭矩 (电流) 的达到一定数值时, 表示润滑脂品质变差, 根据累计运行时间即可测得润滑脂的寿命。参考轴承润滑脂试验国家标准, 本设计以可编程控制器为核心, 实现数据采集以及运行控制, 触摸屏为人机交互界面, 方便数据设置和系统工作状态的显示, 微型打印机自动打印测量结果, 实现了润滑脂样品加入和参数设置之后, 系统全自动运行, 无需人员值守。

1 试验机系统结构

试验机总体结构如图1所示。润滑脂样品加入试验轴承, 与试验轴承一起放置在轴承总成当中, 位于加热腔内, 由轴承加载装置对轴承施加一定的轴向压力。直流电动机拖动轴承总成旋转, 模拟润滑脂的实际工况。控制器实时的监控系统运行, 采集加热腔温度、轴承温度、电动机工作电流、转速等参数, 在运行周期内自动控制加热腔温度恒定, 按照用户设定的运行-停止周期自动控制系统的运行, 试验结果显示在触摸屏, 并自动完成打印输出。

2 电气控制系统方案

控制系统基于组态灵活、性能可靠的Modbus协议, 结构如图2所示。选用昆仑通态TPC1062KS触摸屏, 连接PLC和热敏微型打印机。选用台达DVP16ES200R可编程控制器, 集成3个通信口, 方便连接编程设备、触摸屏以及RS485控制模块。3个通信口均支持Modbus协议, 提供Modbus操作功能指令, 编程简单。使用台达模拟量输入模块和直流电流变送器测量直流电动机工作电流, 由于直流电机 (功率230W, 220V, 1.4A) 为永磁电机, 测量电动机工作电流相当于测量扭矩。本系统温度参数有轴温和腔温两个, 其中轴温用于监视, 加热室内腔温度需要控制为恒定值, 选用K型热电偶、台达4通道温控模块DTE10T和电压脉冲输出模块DTE20V (固体继电器控制专用) 控制石英管加热器实现加热腔温度恒定。温控模块DTE10T具有R485接口, 支持Modbus协议, 具备智能温度PID控制功能, 与PLC接口简单, 并且简化控制器编程。选用支持Modbus协议和RS485接口的D/A模块, 模拟量控制可控硅直流电机调速电源实现电动机转速调整。电动机转速测量选用支持Modbus协议和RS485接口的一体化智能转速变送器。

3 硬件组态

3.1 触摸屏与PLC、打印机

触摸屏与台达DVP16ES200R的通信, 使用触摸屏的RS485接口与PLC的COM2接口进行连接。由于台达COM2通信口采用默认设置:9600, 7, E (奇校验) , 1, ASCII, 因此, 触摸屏通用串口父设备1 (对应触摸屏RS485口) 的设置必须与PLC的COM2口的默认设置一致。触摸屏通讯口设置使用昆仑通态组态软件MCGS嵌入版。PLC通讯口设置需要使用指令。

触摸屏使用集成的RS232接口连接炜煌热敏打印机, 微型打印机挂在触摸屏串口父设备0下, 用户需要安装由昆仑通态提供的打印机驱动程序。由于微型打印机通信接口采用默认设置:9600, 8, N (无校验) , 1, 因此, 通用串口父设备0 (对应触摸屏的RS232口) 的设置必须与打印机串口的通信格式保持一致。

3.2 PLC与功能模块

台达ES2可编程控制器扩展4通道A/D转换器测量来自直流电流变送器4-20m A电动机电流信号 (扭矩) , 测量结果保存在系统指定的数据寄存器, 无需专门指令, 仅使用MOVE指令即可得到测量结果, 有利于简化编程。

使用RS485通信电缆, PLC使用COM3接口连接温度控制、D/A、转速测量模块, 遵守相同的通讯格式, 设定为:9600, 8, N (无校验) , 1, RTU。各功能模块的通信格式设置使用标配设置软件或使用模块本身的功能。如台达4通道温控模块DTE10T的相关设置使用其标配的DTE-CHS软件。

3.3 电动机与传感器

电动机自带光电码盘, 输出信号连接到转速测量模块。温度传感器使用K型针式热电偶, 也可使用Pt100, 使用温控模块设置软件即可设置。

4 软件组态

4.1 触摸屏组态

触摸屏主要完成加热室温度、电动机电流/转速、系统运行周期和打印机打印内容的设置和显示。主画面和电动机参数设置画面如图2、图3所示。系统报警组态主要有通信状态、腔温/轴温异常、PLC及功能模块故障等。各画面均有帮助功能, 指导用户操作。

图3中, 电动机动作电流根据空载电流和负载电流计算得到, 电动机与试验轴承总成断开连接时测量空载电流。连接电动机与试验轴承总成, 使用轴承加载装置对轴承施加一定的轴向压力, 此时测量的电流即为负载电流。动作电流的计算依据润滑脂样品的要求。

4.2 PLC组态

PLC编程调试使用台达WPLSoft软件。系统运行的主要参数如加热腔温度、动作电流、转速、运行_停止周期时间等设定值保存在PLC掉电保持寄存器区域, 试验机停机再运行时, 不需要重新设置所有的运行参数。

主控程序完成参数设置和试验机按照用户设定的运行、停止周期循环运行。在运行周期, 电动机按照设定的转速旋转, 温控模块控制加热腔温度保持恒定, PLC实时测量电动机工作电流, 当工作电流超过动作电流时, 系统停止运行, 显示和打印累计的运行时间。在停止周期, 功能模块停止运行, PLC监视系统时间, 直到停止周期结束, 自动进入运行周期, 以此不断循环, 直到发生动作为止。系统运行、停止周期循环的程序流程图如图5所示。