基于西门子PLC的智能干油润滑控制系统

2021-03-16黄高峰

中国应急管理科学 2021年9期

黄高峰

摘要：本文主要介绍了基于PLC控制、单片机技术、RS-485总线通讯、传感器技术、物联网技术的智能干油润滑控制系统。重点介绍了西门子S7-200 SMART PLC的应用，STC15系列单片机的应用。该系统主要分为主控装置单元、现场执行和信号采集单元三个部分。其中主控制单元控制器采用的是西门子S7-200 SMART PLC，现场执行和信号采集单元主控制器采用STC15系列单片机。

关键字：西门子PLC、STC15单片机、RS-485通信、霍尔传感器、物联网

分类号：U468.2;TP273

随着自动化工业控制及电子技术的发展，自动化控制技术应用范围更加广泛。工厂智能化自动化控制是目前发展的趋势，如何尽可能的提高自动化程序，减少人工的参与，是工厂亟待解决的问题。本文主要针对工厂，如钢厂、水泥厂、化工厂等大型、中型、小型设备的干油润滑，设计了一套智能化、自动化的控制方案。

目前设备润滑方式有人工、双线、单线等润滑方式。人工润滑很难保证定时定量去完成，人的因素不可控，且某些润滑部位环境恶劣，有高温，高空，高压等危险环境。双线润滑系统各个润滑点的油量调整相对麻烦，会造成某些点润滑不足，某些点润滑过度，且是否出油不可检测。单线润滑系统控制点数较少，一个点不出油会导致整个系统所有点都不出油，且这一个不出油的点比较难找到，检修困难。

针对以上润滑方式的缺点，结合现有设备润滑的缺点，设计了一套智能润滑控制系统，该系统克服了人工、双线及单线的缺点，适应各种恶劣环境，单点油量可控可检测，单点故障不影响其他点工作，检修时其他点可正常工作，为设备润滑提供了较好的解决方案。

系统工作原理

设备采用SIEMENS S7-200 SMART系列PLC作为主要控制元件，为设备润滑的智能化控制提供了最恰当的解决办法，可网络挂接与上位机计算机和手机APP进行连接以实时监控，使得润滑状态一目了然;现场给油分配直接受PLC串口RS85的自由口协议控制，每点给油次数、给油循环时间均能调整，流量传感器实时检测每个润滑点的运行状态，如有故障及时报警，且能准确判断出故障点所在，便于操作人员的维护与维修。操作員可根据设备各点的润滑要求，通过触摸屏、上位机和手机APP远程调整供油参数，以适应润滑点的不同润滑要求。系统运行稳定、可靠，给油（脂）量调整方便，故障点容易查找，维护量小，大大减少人工劳动强度，避免环境污染和油脂浪费，延长设备使用寿命，减少维护量，提高综合效益。

系统由主控制单元、终端控制单元、传感器单元和执行机构功能。主控制单元用于实时检测主管道的压力，控制润滑泵的启停，自动运行时，管道压力下限启动润滑泵升压，上限停泵。通过称重的方式检测润滑泵内的油位，油位下限时启动补油泵对润滑泵补油，上限时停止补油。通过RS-485总线控制对现场的终端进行控制。终端控制单元接收PLC的信号，控制电磁阀得电，并收集传感器信号，上传给主控制单元的PLC。传感器单元主要是采集主管道压力和润滑泵称重，PLC通过采集压力和重力信号，并显示到触摸屏上。同时，终端控制单元的采集传感器，检测是否出油，通过总线通讯的方式将信号传输到主控单元的PLC上，通过触摸屏显示此信号。执行机构功能是指泵站执行单元主要包括电动高压润滑泵和电动补油泵，通过交流接触器控制泵电机的启停。现场执行单元是电磁阀，电磁阀线圈得电后阀开启供油一次。

系统工作原理

主控制单元工作原理

1）系统通过西门子S7-200 SMART PLC模拟量扩展模块采集主管道压力传感器输出的4-20mA的模拟量电流信号，根据0-50MPa的量程换算出对应的压力值，显示到HMI触摸屏画面上，并根据系统的运行状态对润滑泵进行控制，从而达到对主管道油压的控制。2）通过称重系统称重传感器输出0-20mV的电压信号至主控制单元，主控单元将变送器将0-20mV的电压信号变送为标准的4-20mA的电流信号，并送至PLC模拟量扩展模块，根据称重传感器换算出对应的重量值，显示到触摸屏上，根据上下限值显示的油位的提示信号，自动补油。3）根据润滑的需要，PLC设置的润滑点工作次数、间隔时间、设备号等参数信息，通过自由口的RS-485信号经光电隔离器发送至现场终端控制器，同时接受现场反馈的出油信号，显示在触摸屏上并记录在PLC内。最后，通过终端控制单元接受到主控单元PLC的控制信息，由继电器对电磁阀线圈进行控制，得一次电出3mL润滑脂，定量给油，同时将检测到的出油信号上传给PLC。

控制系统硬件设计：控制系统硬件由主控制单元、终端控制单元和执行机构组成。其中主控制单元包括：1） PLC可编程控制器采用S7-200 SMART PLC，其中CPU模块选用的是CPU ST20，模拟量输入扩展模块采用的是EM AE04。2）人机交互，人机交互采用的MCGS7吋触摸屏，可组态模拟系统工作的画面，在触摸屏上可以看到运行信息，包括润滑泵、补油泵的启停状态，主管道的油压值、润滑泵的重量、管道压力上/下限值标志、润滑泵重量上/下限值标志、当前运行的润滑点信息等。同时又系统手/自动、停止/启动旋钮，润滑泵、补油泵启停旋钮，手动打点旋钮等操作旋钮。3）电源模块，系统中包含DC24V/DC12V两种开关电源，选用的是台湾明纬35mm导轨安装电源，DC24V选用的是60W电源，对PLC、触摸屏、压力器传感器、变送器、光电隔离器、云盒子、交换机、控制继电器等电气元件进行供电，DC12V选用的是10W电源，对称重传感器进行供电。4）光电隔离器，西门子PLC串口RS485并没有设计有效的保护电路，所以在系统中增加了光电隔离模块，使PLC的串口RS485电路与去现场终端控制单元的RS485总线进行全隔离，有效保护了PLC的串口485，同时起到了信号放大的作用，光电隔离器上有发送和接收指示灯，为后期通讯故障的查询提供便利。5）云盒子，该系统可接入互联网，可通过有线/无线4G网的方式接入，系统接入物联网后，可将触摸屏显示以及操作按钮，显示到任何一台能接入到互联网的电脑上，也可通过手机APP客户端显示和操作。6）工业交换机，交换机采用的35mm导轨式安装的工业交换机，共有5个百兆以太网口，PLC、触摸屏、云盒子通过交换机进行数据交换，个人电脑通过交换机与这三者通讯，可在线调试和下载程序。7）变送器，变送器将称重传感器输出的0-20mV的电压信号变送为PLC可接受的标准的4-20mA的电流信号，同时也起到到了信号隔离的作用。终端控制单元包括：1）STC15系列单片机，选用的是STC15F2K60S2单片机，该单片机具有大容量高速宽电压低功耗同时，掉电模式不需要外部晶振复位电路，在系统编程，无需编程器等优点。2）继电器驱动芯片，继电器驱动芯片采用ULN2003，内部自带续流二极管，最大输出500mA大电流，稳定可靠。3）隔离输入，流量信号传感器采用DC12V霍尔传感器，出油时，油压将带有磁铁的活塞推至霍尔探头感应范围内，霍尔传感器输出信号经三极管放大后输出DC12V电压信号，经光耦后将信号送到单片机的输入口。4）电源电路，采用集成电源模块，输入AC220V电源，输出的DC5V和DC12V电源，5V为单片机和继电器电路供电，12V为流量信号传感器供电。5）通讯电路，设计带有抗静电、雷击的RS485电路，发生故障时单个节点断开，不影响总线通讯。执行机构硬件设计主要有主控单元执行机构（主要包含交流接触器、中间继电器等，最终控制润滑泵、补油泵电机的启停。）和终端单元执行机构（通过小继电器驱动电磁阀线圈得的开闭，最终达到通过控制电磁阀进行供油的目的）。

系统软件工作原理：

系统自动供油过程：开机后，包扣两个工作形式，手动和自动，手动按步骤进行就可以。在自动状态下，首先是根据检测系统参数，满足要求后，看联锁控制是否有，有就返回到上一层，没有就可以进行下一步，打开1号出油口，看是否出油，出油后，看是否满足出油次数，满足出油次数进行下一步，没有满足出油条件，则返回到1号出油口，从新进行检测。下面是按照一号出油口的操作步骤，依次打开2号、3号、直至最后一个，完成一次的润滑供油过程。

润滑泵供油过程：开机有两个工作过程，手动和自动，手动是为了调试用。打开自动，根据压力大小进行润滑油的供给，当传感器处于压力下限时，开始泵油，没有则不开启润滑泵。当润滑油压力达到上限时，停止泵油。

本设计主要针对智能干油控制系统进行设计，也可扩展到其他工业控制自动化应用项目中去，亦可进行智能家居系统的应用。实用性较强，较容易扩展功能，依托了覆盖最广泛性能最可靠的4G网，可将控制信息通过手机APP显示到智能手机或其他智能终端上，并可推送微型报警。

参考文献

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