０引言
润滑脂主要用于降低机械摩擦，防止机械磨损，同时还起到保护金属、防止氧化腐蚀的作用。润滑脂的生产原料包括石蜡油(也称矿物油或者白油)、稠化剂和添加剂等。石蜡油是从原油中分馏出来的无色无味的混合物，其中又可以分为轻质石蜡油和一般石蜡油两种，而轻质石蜡油的比重和粘稠度较低[1]。
在润滑脂的生产过程中，石蜡油的灌装还需要工人操作，没有实现自动化。石蜡油灌装生产过程中，需要定时定量添加石蜡油到混料机，定量的控制精度要求在±３０g之内，定时则是需要等待混料机下达定量信息，然后人工称重，再等待混料机下达添加石蜡油的指令。整个过程需要一位工人实时等候，从下达定量信息至称重完成大约需要２min的时间。这种石蜡油灌装工艺费时费力、人工成本高，且精度和实时性很难保证。目前液体灌装设备在市面上种类较多，由上海恒刚研发的半自动活塞式称重式灌装机灌装量需要手动调节；由南京世伦研发的液体自动称重配料设备，称重精度高、速度快，但其结构复杂、占地面积大。
为解决上述问题，本研究将设计一套石蜡油自动灌装装置，以实现润滑脂生产的自动化。
１总体结构设计
１.１技术要求
对石蜡油自动灌装装置的研发，本文提出以下要求:
(1)工作介质为石蜡油，粘度２０Pa·s~２５Pa·s(跟水的粘度近似)，主要是完成石蜡油的灌装来实现润滑脂生产的自动化；
(２)每次灌装最大质量５kg，灌装量由混料机PLC通过MODBUS通讯给定，灌装精度控制在±３０g之内；(３)管路采用对接式接口方便维修，设备结构简
单，运行稳定安全可靠，满足使用要求；
(４)控制方便，外加手自动切换按钮、急停及指示灯等，并可以通过触摸屏设定系统运行过程的各参数。
１.２工艺流程分析
石蜡油自动灌装装置工艺流程主要分３部分:补料、称重和灌装，如图1所示。

(1)补料。由２号泵向储料容器进行补料，储量容器内有液位传感器，并通过该装置的PLC进行信息处理，当液位低于设定最低液面时，启动２号泵进行补料，当液面高于设定最高液面时，关闭２号泵结束补料。若在补料过程中原料桶空了，２号泵就会一直工作，所以在程序编写时，会对２号泵的启动进行计时，若启动时间大于正常工作时由启动到停止的时间，说明原料桶空了，系统则会报警并发出蜂鸣声，提醒工作人员更换原料桶；
(２)称重。首先是要接收混料机的目标重量A，并通过PLC触发称重控制器开始称重，由称重控制器控制开启气动快、慢阀，待接近目标重量时，关闭气动快阀，称重完成后关闭气动慢阀，称重结束后，会把当前的实际值B与目标值A进行比对，若比对的误差在设定的误差范围内(一般是±３０g)，则判断此次称重合格，并把称重完成信息即数据B通知到混料机PLC，并把合格的石蜡油排放到暂存容器，之后处于等待状态；若比对的误差不在设定的误差范围内，则判断此次称重失败，打开气动排空阀和1号泵，把称重失败的石蜡油回放到储料容器后，开始下一轮的称重，直至称重合格；
(３)灌装。混料机PLC接收到数据B后，经过一段时间会发出信号1给称重PLC；称重PLC启动1号泵，把暂存容器中的介质注入混料机，完成后关闭1号泵，这样，合格的介质注入到混料机中。
通过对石蜡油自动灌装装置工艺流程的分析，本设备设计重点为称重部分，即保证灌装精度。为了保障灌装精度，采取以下措施:
(1)在机械结构方面，设计平衡稳定的称重平台，
尽量减少外部因素影响称重过程；
(２)选择精度高，速度快的称重模块；
(３)在电气控制方面，每次开机需要对称重模块进行标定；称重完成后进行数据A和B比对，若连续３次比对失败，程序报警需要再次对称重模块标定；称重合格，排放到暂存容器，设定残余量在许可范围时关闭放料阀。
１.３机械结构设计
机械结构根据工艺流程采取自上而下的设计，利用介质本身的重力，实现石蜡油的自动称重，减少水泵的使用(水泵只有在补料和灌装时使用)。
总体设计方案及现场布局如图２所示。
整个机械结构分为３部分:储料部分、称重部分和暂存部分。

(1)储料部分。该装置的最上端为储料容器，容量为３６L，其上端有两个进料口，左侧为称重不合格石蜡油的进料口，右侧为自动补料进料口，容器内安装有液位传感器，实时通过模拟量采集模块传输至PLC，实现石蜡油的自动补料；其下端连接有快装三通手阀，手阀一端连接皮管通至原料桶，用于手动排空储料容器，另一端连接快装Y型弯头，用于连接控制称重的快阀和慢阀；
(２)称重部分。为了保证称重的精确性，尽量避免干扰因素，机械方面:上端两个进料口与快慢阀之间是无接触的，下端放料口与暂存部分是无接触的，称重容器为圆桶型，所以称重传感器采用悬梁式高精度桶秤传感器，桶秤传感器的特点是在受力后可以自动调整中心点，为保证称重过程的平稳精确，采用３对桶秤传感器呈Y型分布安装；控制方面:在称重控制器结束称重，快阀和慢阀在关闭后可能会有石蜡油滴落，此时需要等待数秒后再进行实际值B和目标值A的比对，使得测量结果更准确；
(３)暂存部分。主要是用来暂时存放来自称重容器的石蜡油，所以底部形状设计为漏斗状，便于1号泵快速抽干容器内的石蜡油。
与钢铁等其他材料的轧制成形相比，铝型材具有方便拼接、机加工少、份量轻、强度高、耐腐蚀、成本低等优点，故该装置的基础结构框架选用铝型材。

２控制机构设计
２.１硬件选型
通过对工艺流程和机械结构的分析，该装置需要对液位传感器的模拟量和各种输入输出点的逻辑进行判断，故本研究采用由西门子Step７-２００smartPLC作为系统的控制器。而针对液位传感器的模拟信号，需要扩展EMAM０３(２AI/1AQ)模拟量模块进行模数转换，再由PLC进行处理[５-６]。自动称重控制器选用欧路达AD２０1６D1型称重控制器，控制器的内部参数可通过标准MODBUS—RTU通讯方式实现与PLC的实时通讯[７]。针对人机界面HMI，本文采用同系列的Smart７００IEV３触摸屏。
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

根据技术要求和工艺流程，绘制控制流程图，如图3所示。

液位传感器的量程为０~０.６m，传感器将压强信号转换成４mA~２０mA的电流信号，PLC模拟量模块采集信号，转换成数字量信号[８]。在用Step７-Micro/WINSMART软件编程之前需要对模拟量模块进行组态，设置模拟量输入类型为电流，范围为０~２０mA。

由PLC读取模拟量模块的AIW1６存储单元的数字量信息，并通过液位变化量与所读取的数字量之间的变换关系，将当前液位数据保存在VW1０存储单元内。
自动补料程序如图４所示。

该程序通过人机交互界面设定上限和下限液位。当液位低于下限，程序会启动２号泵；当液位高于上限，程序会停止２号泵，并对２号泵导通计时。若在VW11８所设定的时间内，２号泵还处在导通状态，则说明原料桶已空，会引发红灯和蜂鸣器报警，强制关闭２号泵。在更换原料桶后，通过复位按钮重新恢复自动补料控制。
AD２０1６D1称重控制器支持主从形式的标准MODBUS—RTU网络通讯协议中的寄存器读写功能。PLC与称重控制器的数据交换程序如图５所示。

第一段程序中的MBUSCTRL用于单个Mod-busRTU主站，Mode输入值为1时，将CPU端口分配给Modbus协议并启用该协议；Parity(奇偶校验)设置为与Modbus从站设备的奇偶校验相匹配；Port(端口)设置物理通信端口(０为CPU中集成的RS-４８５)；Timeout(超时)为等待从站做出响应的毫秒数(可以设置为1ms~３２７６７ms之间的任何值)。
第二、三段程序是PLC读写控制器内部地址的参数，寄存器地址与数据对照表如表２所示。

其中，实时重量、目标值、快速提前量和慢速提前量均为４字节长整型。根据程序地址定义，其所对应的地址分别为VD1３０、VD1５８、VD1６２和VD1６４，并通过人机界面进行读写。
２.４人机界面的设计
人机界面与PLC属于同一系列的产品，两者采用以太网(TCP/IP)通讯。根据工艺流程，人机界面基本包括主界面、手自动界面和参数设定界面。
人机界面如图６所示。

３实验及结果
经过安装、调试和与现场混料机的通讯，证明该设备已经可以正常平稳地运行。本文分别对不同质量的石蜡油进行多次称重灌装，灌装结果再次测量，误差范

围均在±２０g之内，符合精度要求。
在效率方面，最大量５kg称重灌装过程用时６０s，较之前人工灌装，不仅在精度、速度，还是实时性方面表现突出，节省人工成本，提高了生产效率。
４结束语
本研究针对润滑脂生产过程石蜡油灌装工序中存在的精度低、费时费力等问题，通过设计合理的机械结构，运用性能稳定功能强大的可编程逻辑控制器(PLC)控制，开发了集石蜡油自动补料、称重和灌装的石蜡油自动灌装装置，该装置具有以下特点:
(1)机械结构以铝型材为框架采用上下式分布，方便灌装和设备维修；
(２)采用液位传感器和称重控制器，使得装置工作运行平稳可靠，精度更高；
(３)PLC、人机界面和称重控制器之间的实时通讯进行数据的交换和处理，大大提高工作效率。
实际生产证明:该石蜡油自动灌装装置在灌装的实时性和精准度均满足生产需要。
 

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