新型ATF定量加油机改造及问题分析Word下载.docx
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立式抽油缸的往复速度与压缩空气的压力、立式抽油缸直径、加油管路出口直径和ATF油的粘度都有关系。
由于多方面条件因素的限制,这种加注机工作速度不能太快,不能适应3分钟以内节拍的生产线。
5.加注量不准确,重复精度低。
●由于加注头处没有控制阀,设备管路在非加注状态下没有完全密封,在管路中的这部分加注介质无法控制,造成了加注量不准。
●立式抽油缸内部密封不好,在加油时抽油缸内部蹿油的现象较为明显。
●因压缩空气压力的变化、ATF温度变换导致的ATF油粘度的变化,对抽油缸下压速度有明显的影响,而经试验证明抽油缸下压速度的变化对加注量的影响非常明显。
二、新型ATF定量加油机的改进方案
因为旧设备在设计和使用方面存在着较为明显的缺陷,根据新生产线的工艺、节拍等要求,老式定量加油机明显不能满足生产需要。
因此,我们根据存在的问题,提出了改进的要求和具体方案。
1.机床结构重新规划,设计更合理的加油控制油路,改变加油方式,变活塞式吸油加注为加油泵通过管路对变速箱直接加注。
2.用流量泵进行流量计数,进行加油量的控制。
3.为能合理控制储液罐液位,实现自动从油桶向储液罐补液,设置液位传感器及XST系列液位控制仪表。
4.由于油温对加注量有比较明显的影响,为解决该问题,在储液罐内增加加热器,并设置Pt100热电阻温度传感器及CH402过程仪表进行温度控制。
5.考虑设备的混流生产需要,增加多车型的柔性加注量选择,利用条码扫描,或手工选择加注量的方法,快速变更加注量。
实施中,鉴于我们没有自行制造能力,我们提出具体方案要求后,协调厂家(北京东昆科技公司)进行了机床本体设计和制造工作。
我们则承担了全部电气系统的控制柜配制、现场安装配线、部分油路安装、最终现场调试及后期程序改进等工作。
成为我单位和厂家联合解决重要设备问题的典型实例之一。
三.新型ATF加油机原理简介
(一)加注过程描述
新型ATF加油机的工作过程是:
ATF油存储在加油机内的储液罐内,加油机通过补液泵从两个55加仑油桶向加油机内的储液罐补充油液。
当定量加油机的加注头与变速箱总成连接好后,按加注头上的加注按钮,储液罐中的ATF油液经主液泵、设备管路、减压阀、流量传感器、控制阀和加油枪加注到生产线上的变速箱中。
整个设备由PLC来进行控制,加注量由计量泵来控制。
(二)加注系统的机械结构及改进
机械部分在原系统基础上有如下改进:
●新型加油机采用Ingersoll-Rand高速气动泵作为加液主泵,这样大大缩短了加注时间。
●由于采用了小直径、短行程、高速往复气动泵和进口密封件,漏油现象基本解决。
●在加注头处安装了结构紧凑的控制阀密封加油管路,使加液设备内部管路无控制盲点。
图3是新设备的液压原理图。
它分加注系统、补液系统、气动系统三个部分。
加注系统完成向车辆变速箱的加注,补液系统负责对储液罐的补液,气动系统实现对气动泵、阀、加注枪等驱动控制。
原理非常明了,不再赘述。
(三)电气控制原理
新型ATF加油机在电气设计方面也都有很大的改进:
在新型ATF定量加油机中安装了西门子S7-226PLC,按照“二”预定的方案进行了新设备的电气设计。
控制上,本设备除逻辑控制由PLC完成外,还使用了OP07进行工作方式选择及参数设置,用CH402过程仪表及加热装置进行油温控制,用XST仪表及液位传感器进行储液罐的液位控制,用ARO计量泵及PLC高速计数单元进行加注量控制等。
功能方面,改造后的设备集自动循环定量加注、ATF油恒温控制、加油量显示、生产线车型自动选择和设备储油箱自动补液等功能为一体。
另外还预留了条码枪接口和工业以太网接口,为今后的全生产线联网奠定基础。
下面是全系统的电气控制结构框图,详细图纸可参见本文后附录资料。
图4:
系统电气原理框图
很明显,新系统比老设备功能完善得多,能够适应MAZDA6生产发展及产品混流的需要。
四.改造中主要技术难点的实现及探讨
在改造中,有几个问题有别于常规的PLC可编程逻辑控制器的设计,有一定的技术难度。
这里分别予以探讨:
(一)加注量的精确控制
因为设备采用了高精度计量泵(最小单位0.186ml)将所记录的加油量以高速脉冲的形式实时传递给PLC的高速记数器HSC0,PLC采用4倍速A/B相正交高速记数的方式工作,保证了在高速记数的过程中不丢记数脉冲,从而使加油量得到的准确控制。
如图5,表述了PLC高速计数器的数据转换过程。
1.系统通过OP07设置加注系数SLOW-K和加注量SFLOW,分别储存于数据寄存器VD110、VD24。
2.这两个数据进行乘积后,转换成加注控制当量,通过PLC内部进行数据整数转换等,用于加注控制的设定值。
3.加注量由计量泵进行测量,以高速脉冲的形式送高速计数端口HSC0。
4.HSC0的计数值送数据寄存器VD8,并通过除加注系数SLOW-K的方法,得到实际加注量,存VD16。
5.VD16的加注量和设定加注量SFLOW比较,如果大于设定值,则停止加注。
6.实际加注量VD16通过VD44(标签CFOW)送OP07进行实际加注量显示。
图5:
高速计数器用于加注量控制的软件计算流程图
这个基于高速计数器端口的控制过程,基本满足了目前生产准确加注的定量控制需要。
(二)油箱温度控制
之所以要控制温度,主要原因是为防止不同季节中,厂房温度发生较大变化时,保证相对恒定的油温,以避免变速箱油的黏度变化对加注量产生影响。
1.控制方法:
我们采用的方法是典型的温度过程控制方法——用Pt100热电阻、温度过程仪表CH402、加热器构成温度检测控制系统。
系统框图见图6所示。
图6:
温度过程控制系统框图
为了解决单点温度控制的频繁切换,而导致继电器触点烧蚀问题,我们使用了固态继电器。
2.外部接线:
CH402是典型的温度过程仪表。
该仪表有12个接线点,其外部接线方法为:
1:
220VAC火线L,2:
220VAC零线N。
3:
闲置。
4:
控制输出公共线。
5:
控制常开点输出(4、5)。
6:
控制常闭点输出(4、6)。
7:
8、9:
报警输出AL1(触点)。
10、11、12:
传感器。
当用热电阻(RTD):
11、12短接,热电阻接到10-11、12。
当用热电偶(TC):
11接TC+,12接TC-,10闲置。
3.参数设置:
该仪表参数说明如下:
1).SV:
设定值。
温度控制目标值。
出厂值:
0度。
我们实际控制油温为26度。
2).AL1:
报警偏差。
范围:
-1999-+9999℃或者-199.9-+999.9℃。
超过该偏差AL1报警输出。
50。
3).LBA:
控制环中断报警。
0.1-200min(分)。
超过该值时,系统给出报警。
该值一般设置为积分时间的2倍。
当ATU作用激活时,LBA失效。
另外,PID调节必须结束后,延迟LBA时间,保护起作用。
4).LBD:
LBA死区设置。
范围0-9999℃。
0。
5).ATU:
自动调节(AT)。
0:
在结束点或悬挂点,即无调节过程。
在起点。
该功能可以在调节过程中自动计算PID和LBA参数,实现系统自动调节作用。
此时,LCK不能锁定。
6).STU:
自调节(ST)。
在悬挂点。
此时,人为设置的PID起作用。
但当AT激活时,ST不起作用。
注意,ST激活时,无法修改PID、ARW数据。
如果系统出现波纹,建议关断ST作用。
7).P:
比例区间。
1-9999℃或者0.1-999.9℃。
设为0无比例作用。
30。
8).I:
积分时间。
1-3600秒。
设置为0时为PD控制。
240。
9).D:
微分时间。
设置为0时为PI控制。
60。
10).Ar:
防静差(Arw)。
比例区间的1-100%,设置为0时,积分取消。
100。
11).T:
比例循环。
1-100秒。
设定控制输出循环。
20。
12).Pb:
PV补偿。
-1999到9999℃或-199.9到999.9℃。
传感器误差校正值。
13).LCK:
设定数据锁存。
可以设置参数修改允许/禁止。
0000——SV和参数可以修改。
0001——仅仅可以修改SV、AL1。
0010——仅可以修改AL1以外的数据。
0011——仅可以修改SV。
0100——仅可以修改SV以外的数据。
0101——仅可以修改AL1。
0110——仅可以修改AL1、SV以外的数据。
0111——全部不能修改。
(三)液位控制
液位控制系统设计的目的,是为了实现从油桶到储油罐的自动补液操作。
我们使用了两个油桶,也分别设置了液位控制,一个油桶抽完后,自动切换到另一个油桶。
这里主要说明储油罐的液位控制。
该罐由于有油温控制,为安全起见,液位控制同样需要安全可靠。
同时,也是为了及时补油,以免对生产产生影响。
下面是液位控制系统的框图:
图7:
液位控制系统控制框图
液位传感器使用的是SAILOR公司的HTQ01,这是一个模拟传感器,直接接到XST仪表的13、14脚。
XST过程仪表功能相对比较强,可以进行温度、液位及其它基于标准变送器的过程控制。
其特点是:
1.输入控制信号可以是热电阻、热电偶、0-10mA、0-20mA、4-20mA电流、0-5V、1-5V电压、电位器等类型,适用面比较广泛,可以用于一般常规过程控制。
2.可以设定八个控制点,并分别有对应输出,控制相对灵活,可以控制比较复杂的过程。
3.具有外部RS232、RS485接口,便于实现外部通讯,提供数据采集通道。
我们实际使用了四个控制点,分别是超下、下、上、超上,设定值为:
80、100、320、340。
该器件原理上与CH402是基本相同的,只是功能更强大,限于篇幅,加上我们仅仅用来做液位控制,这里不介绍其接线及参数设置。
五、设备常见故障及处理方法
为便于维修,我们归纳了新设备常见故障、原因及其处理方法,如下表:
故障
原因
解决办法
加注量不准确
流量传感器变动
标定流量传感器
储液罐内油液液位低
补充油液,检查液位控制器上下限并设定值
压缩空气停
气源过滤器堵塞
清洗/更换虑芯
气源开关未打开
修理/更换开关
供液故障排除:
储液罐空或液位低
补液过滤器堵塞
更换虑芯
补液泵故障
维修/更换补液泵
55加仑ATF油桶中没油
换桶
储液罐内用于控制液位的传感器失效
维修/更换液位传感器
加注量不准或根本不加注
供液泵故障
维修/更换供液泵
供液泵入口过滤器堵塞
清洗过滤器
加注枪故障
维修/清理加注枪
截止阀故障
修理/更换截止阀
流量传感器故障
清洗/修理/更换
加注按钮/条码开关故障
联机检修线路/开关
OP07操作面板故障
检查通讯线路/更换操作面板
加注头滴油
压缩空气气压故障
检查气源和管路
加注枪内密封件老化
更换密封件
六、运行期间发现问题及继续改善
(一)软件问题
原软件设计是由北京公司做的,使用中发现流程结构过于复杂,明显地象在做复杂的数学逻辑,很多编程习惯受高级语言结构化编程的影响。
当然,也许这是一个好的编程习惯,但对于一个不是很庞大,很复杂的过程来说,这种编程方法,直接影响了程序的可读性。
这给对要求快速反应的生产维修来说,带来了许多的不便。
为此,我重新考虑和自行修改了设备控制程序。
修改后的程序,有如下特点:
1.结构更简单,可读性明显加强。
2.指令代码大量减少,思路变得更清晰易懂。
目前,修改设计后的程序已经下载到设备,运行情况良好。
论文后面附录中,给出了修改后的部分程序。
(二)固态继电器设计引发的事故及其处理
原来的温度控制系统中,我们直接使用了固态继电器控制加热器进行加热。
电路结构如图:
图8:
加热器控制图
即:
当温度仪表通知PLC,应该进行加热时,PLC通过Q0.0驱动继电器KA1,KA1的触点给加热器送电。
这个电路的问题是:
固态继电器的“触点”J1,实际上是可控硅的AK极。
如果可控硅击穿,加热器将连续加热而失去控制,温度过程仪表即使控制关断,对固态继电器也将不再起作用。
我们实际使用中,就发生一起这样的事故,整箱油被蒸发,部分器件造成损坏。
为此我们采取了如下改善措施:
1.在系统中增加了一个接触器KM2,把KM2常开触点串联到J1前。
KM2也由温度仪表通过PLC控制。
2.为了消除控制点附近的抖动,我们设计了3秒的滤波程序,使得KM2不发生抖动而达到稳定控制。
这样做以后,由于KM2不存在所谓触点“击穿”问题,加上两个器件同时故障的可能性大大降低,杜绝了同样隐患的再发生。
(三)高速计数设计缺陷分析
1.高速计数器的常规设计方法及设计存在问题
由于西门子S7-200系列PLC属于低端小型产品,没有单独的智能高速记数模块。
在使用高速记数功能时是用PLC的CPU模块内部集成的高速记数器HSC0~HSC5。
本设备用的高速计数器HSC0所使用的高速输入口是I0.1和I0.1。
常规做法是:
先给高速计数器预置一个设定值PV,当其当前值CV等于设定值PV时就触发一个中断事件,并转而调用相关中断服务程序完成所需任务。
之后再利用中断程序装入一个新预设值,为下一次中断响应做准备。
因为中断事件的响应是即时的,其响应速率远远高于程序扫描方法的响应速率,因而高速计数器可以实现精确的高速控制。
利用此种方法时高速计数器的工作频率可达到10~30KHZ。
但该设备在使用高速计数器时没有编制相关的中断程序。
原来的做法是:
先将HSC0设定成4倍速A/B相正交输入的高速记数方式,并把其当前值用MOV指令不断的传送到PLC的数据字VD8中,经一系列转换和相关算法后把得到的数据放入VD16中去,然后去比较VD16(当前值)和数据字VD24(预设值),当VD16>
VD24时停止加油。
图9:
原设计程序高速计数器处理过程流程图
具体转换过程如图9所示。
该过程是在每个扫描周期访问到对应数据字时,才去查询高速计数的结果,这样就失去了高速计数器即时响应的意义。
2.原设计对加注精度影响的估算
经本人粗略对其过程估算,得出结果如下:
S7-226PLC常规循环扫描时间约在1~100ms之间。
本设备使用的S7-226PLC的时钟频率是33MHZ,执行一条布尔指令的时间是0.37us。
因本设备约有400条左右的PLC指令,并考虑到使用了大量MOV等多周期指令的因素,估算循环扫描时间应大于3ms。
而现在设备加注1.8L油时需要记数17460次(1.8升×
加注系数9700),经现场记时,在标准加注压力下加注1.8升ATF油用时12秒,反算出高速计数器的输入周期在0.69ms左右。
虽然高速计数器的允许频率远高于0.69ms的对应速度,但原程序是将高速计数器的当前值用一系列普通“低速指令”(MOV、COMPARE、DI—R)进行运算处理,这种做法在理论上有2.3ms以上的失控区间(按当前加油记数速度来算会在高速记数到位的最后时刻多加注3个脉冲量)。
一旦今后对此设备其它相关功能的程序进行补充时,如条码枪扫描输入、车型自动选择和加油数据网络采集等(因工艺原因暂未落实),PLC的程序会更大、循环扫描时间会更长,高速记数的失控脉冲也会相应增多。
另外如高速计数器相关程序不用中断来做,PLC在运行程序时会首先响应其他中断事件(如PLC通讯端口接受条码引发的中断事件)。
而ATF定量加油机的首要任务是保证高速计数器工作的即时性,应给它以高级别的中断优先权,这在程序编制上是十分重要的。
用高速计数器触发中断事件来控制相关程序是正确的方法,可以保证控制的即时性,进而保证加注精度。
3.改进的方法
我针对以上问题,编制了一小段程序(用高速记数器的中断事件号调用中断程序),如图10所示。
这个程序解决了上述问题。
七.改进的效果及意义
以上的改造过程及后期改善,使得变速箱高效精确加油的生产需要得到良好的解决,并为今后的多品种混流生产创造了条件。
改造前,变速箱加油效率及加注量不稳定的问题,一直成为总装生产一个长期存在设备问题。
项目实施后,设备使用效果一直稳定良好,加注精度完全满足工艺需要。
图10:
改进后的高速计数器处理程序
由于时间和本人技术水平等原因,所阐述的问题一定存在不妥之处,敬请各位评审老师批评指正。
此致
工友(GuQ)2005/11/03
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