油气润滑系统供油单元的控制∗

刘雨辰，孙启国，吕洪波

（北方工业大学机电工程学院，北京 100144）

油气润滑系统供油单元的控制∗

刘雨辰，孙启国，吕洪波

（北方工业大学机电工程学院，北京 100144）

油气润滑是一种应用气液两相流进行润滑的新兴润滑技术，具有节能、环保、耗油量少、运行成本低、维护简便易行等优点。供油单元是油气润滑系统的重要组成部分，对润滑效果有很大影响。设计了供油单元的控制电路和控制程序并采用Multisim10对温度信号采集电路进行了模拟仿真，实现了供油单元自动检测温度、液位，并能够加热、自动补油和报警等功能，降低了供油单元的制造成本与运行功耗，提高了系统集成度。

油气润滑；供油单元；单片机控制

1 引 言

油气润滑是一种应用气液两相流进行润滑的新兴润滑技术，具有节能、环保、耗油量少、运行成本低、维护简便易行等优点［1］。供油单元是油气润滑系统的重要组成部分，对润滑效果有很大影响。传统的供油单元结构简单，采用由分立器件构成的电路进行控制，技术落后、能耗高。笔者对油气润滑系统及其供油单元的工作原理进行了分析，根据油气润滑系统的工作特点，设计了以单片机作为控制器的油气润滑系统供油单元的控制电路与控制程序。

2 油气润滑系统供油单元概述

笔者设计油气润滑系统供油单元采用双油箱结构。下层油箱为主油箱，容积较小，加热润滑油并向油气润滑系统供油。上层油箱为副油箱，容积较大，主要作用为大量储存润滑油。上下油箱之间有电磁阀和管路相连接，当主油箱内液位低于设定值时，电磁阀打开，副油箱给主油箱补充润滑油，补充完毕之后电磁阀关闭，主油箱开始加热润滑油并准备向设备供油。供油单元的原理图如图1所示。

3 油气润滑系统控制电路的设计

笔者设计的供油单元的硬件主要由、加热器、电磁阀、报警器、STM32F103ZET6单片机温度传感器和液位传感器等组成，其原理如图2所示。

图1 供油单元原理图

PT100温度传感器安装于主油箱顶部，导热的金属杆深入到油箱的中心部位检测温度。投入式液位计置于油箱底部，其信号线通过顶部的孔伸出与单片机相连接。传感器的模拟信号经信号调理电路和放大电路处理，再通过单片机自身的A／D转换器转换成数字信号输入STM32F103ZET6单片机，单片机通过驱动电路控制加热器、电磁阀和报警灯的启停。

图2 油气润滑系统供油单元原理图

在0℃时，铂热电阻PT100的阻值为100 Ω。在0～100℃区间内，PT100热敏电阻的阻值RPT100与温度呈线性关系［2］：

式中：RPT100（t）为t℃时RPT100的阻值，Ω；t为温度，℃；A为常数，其值为3.908×10－3。供油单元的温度传感器所测的温度范围设为0～100℃，因此采用PT100温度传感器便于数据的采集与处理。

温度信号采集电路如图3所示，由R1、R2、R3与RPT100构成直流电桥，使用3个LM324构成放大电路，将电桥的输出电压进行放大。直流电桥的电桥电压为12 V，其输出的电压VD与RPT100的关系为：

供油单元温度传感器信号采集电路的电压放大倍数的选取，主要遵循两个原则。首先，当温度从0℃上升1℃时，电压的改变量最小，必须保证此改变量能被STM32F103ZET6数模转换器识别。其次，应尽量保证在100℃时，电路输出电压等于单片机的数模转换器的最大输入电压，以提高转换的精确度。

将R1＝100 Ω、R3＝R4＝1 000 Ω带入式（2）得：

由式（1），当Δt＝1℃时，ΔR＝0.390 8 Ω，将ΔR带入式（3），得VD＝0.003 8 V。STM32F103ZET6数模转换器的分辨率为12位，A／D转换器的量程为0～3.3 V。A／D计算出转换器能够识别的最小电压的变动量为0.000 8 V。当温度上升1℃时，A／D转换器能够识别。

当所测油温为100℃时，ΔR即为39 Ω，计算出0.373 5 V。STM32F103ZET6数模转换器引脚的输入电压的最大值为3 V，计算出放大倍数为8.032倍，取8倍。

采用LM324运算放大器对VD进行放大，放大后的模拟信号输入STM32F103ZET6的PC4／ADC12＿IN14引脚，由数模转换器转换为模拟量。

为了模拟实际中电路工作的情况，使用Multi⁃sim10对温度采集电路进行模拟仿真。分别将RPT100的阻值设置为100 Ω、100.3 Ω、110 Ω、119.5 Ω、129.3 Ω和139 Ω，以模拟PT100温敏电阻随温度的变化情况，使用Oscilloscope元件XSC1显示电路的输出结果，如表3所示。

图3 温度信号采集电路

表3 电压输出结果

结果表明，随着RPT100阻值的上升，直流电桥的输出电压增大，集成运放LM324的输出电压也增大。当RPT100为100 Ω时，由于电桥桥臂的电阻相等，电桥的输出电压为0 V，放大电路的输出电压也为0 V；当温度从0℃上升1℃时，放大电路的输出电压上升约0.029 V，大于STM32F103ZET6能够识别的最小电压变动量；当温度接近100℃时，电路的输出电压接近3 V。放大电路的输出电压与RPT100阻值的阻值关系与式（3）基本相符，且当RPT100阻值保持不变时，放大电路的电压较为稳定，证明了温度信号采集电路的设计的合理性。

所选用的投入式液位计为不锈钢全密封封装，测量范围0～1 m，能够在0～85℃的区间内正常工作，具有安装方便、耐腐蚀、测量精度高、不易损坏、稳定性好等优点［3］。其电气连接电缆为防腐导气电缆，输出电压为0～5 V，超出了STM32F103ZET6单片机ADC引脚的输入电压范围，因此须将投入式液位计输出的电压经两个 1 MΩ电阻分压后，再接入STM32F103ZET6单片机的PC5／ADC12＿IN15引脚，由单片机的A／D转换器转换为数字信号。投入式液位计的输出电压与液位之间的关系为：

式中：h为液位高度，m；VOUT为投入式液位计的输出电压，V。

电加热器、电磁阀和声光报警器的驱动电路如图4所示。STM32F103ZET6单片机引脚 PF6、PF7和PF8分别通过电阻10 K的电阻与光耦MOC3011相连，通过接通或是断开220V电源来控制电加热器、电磁阀和声光报警器的启停。

驱动电路采用光耦进行光电隔离。光耦用光作为媒介来传送电信号，所以使用其进行电气绝缘和电平转换，可较好地实现输入、输出电信号的隔离、抗干扰能力较强、性能较为稳定、传输效率很高，且相较于继电器，光耦无触点，避免了闭合、断开时产生的烧蚀现象，增加了使用寿命。

图4 控制系统的驱动电路

4 油气润滑系统供油单元的软件设计

供油单元的软件的主要包括初始化、ADC数据采集、温度控制子程序和液位控制子程序等4个环节，STM32F103ZET6单片机开始工作后，将依次执行这4个环节，如图5所示。

初始化环节配置相应寄存器、对ADC、GPIO等模块的功能进行设定。ADC数据采集环节开启ADC并接收传感器电压、将其转换为数字量。温度控制子程序为 STM32F103ZET6单片机的 ADC中读出PT100温度传感器的输出电压，由式（1）与式（3）联立解出其温度值，并根据温度判断是否开启加热器，并通过GPIO引脚控制加热器的通断。液位控制子程序从ADC中读出投入式液位计的读数，由式（4）计算出液位高度，并判断是否需要开启电磁阀向主油箱补充润滑油，若液位低于1.5×10－1（m）时，电磁阀开启，反映电磁阀工作状态的变量置1，同时定时器TIM3开始工作。当液位达到3.5×10－1（m）时，关闭电磁阀，将定时器TIM3重新初始化。若器经过一定时间之后液位还未补足，表明副油箱润滑油耗尽，打开声光报警器。

图5 主程序流程图

实验通过设定STM32F103ZET6单片机引脚的输入电压，以输出参数值及电加热器和电磁阀状态变量的方式检验程序的运行结果。为方便观察实验结果，采用SSD1963液晶显示屏驱动模块，通过3.5寸液晶显示屏输出变量及当前加热器和电磁阀的启停状态。验证结果图6（a）所示中当温度与液位的变量值达到设定值，控制加热器和电磁阀的输出引脚均清“0”，其状态显示为OFF。图6（b）、（c）、（d）中，当温度值的参数为10℃时，加热器引脚置1，其状态显示为ON，当液位参数为0.1×10－1（m）时，电磁阀状态变为ON。结果显示，程序能够正常运行。

图6 程序原理验证结果

5 结 论

笔者设计了供油单元的控制电路和控制程序，主要工作及结论如下。

（1）设计了信号采集电路、驱动电路、单片机的配置程序、STM32F103ZET6A／D转换程序、温度和液位的控制程序等。实现了供油单元自动检测温度、液位，并能够加热、自动补油和报警等功能，降低了供油单元的制造成本与运行功耗，提高了系统集成度。

（2）采用Multisim10对温度信号采集电路进行了模拟仿真，验证了控制电路设计与元器件参数的正确性。

［1］ 从恒斌，吴建荣.油气润滑系统在热轧平整机中的应用［J］.液压与气动，2005（12）：32－35.

［2］ Gert N.Helles.PT100铂电阻温度变送器［J］.世界电子元器件，2003（8）：64－65.

［3］ 张利平.液压站设计与使用［M］.北京：海洋出版社，2004.

Control of the Oil Supply Unit of Oil－Air Lubrication System

LIU Yu－chen，SUN Qi－guo，LV Hong－bo

（College of Electromechanical engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Oil－air lubrication is a kind of emerging lubrication technology with advantages，such as energy conservation，envi⁃ronmental protection and lower oil consumption and operation cost.Oil supply unit has a great effect on the property of the oil－air lubrication and becomes an important composition of the oil－air lubrication system.The circuit and program are designed to control the oil supply unit and the control circuit and parameters of the component are verified by the simulation using Multi⁃sim10 in this thesis.Automatic monitoring of the temperature and liquid level and the fault alarm are realized in this unit with a lower cost and the energy consumption，and a higher integration.

oil－air lubrication system；oil supply unit；MCU control system

TH12

A

1007－4414（2013）04－0170－03

2013－06－06

北京市属高等学校人才强教计划资助项目（PHR 201107109）

刘雨辰（1988－），男，北京人，硕士研究生，研究方向：油气润滑系统的设计与研究。