新型ATF定量加油機改造及問題分析

1、新型ATF定量加油機改造及問題分析 設(shè)備維修檔案系列技術(shù)資料*更多相關(guān)資料請訪問：“這方熱土”專欄。*一、原ATF加油機原理和在使用中存在的問題隨著我公司MAZDA6產(chǎn)量的提升，對設(shè)備生產(chǎn)效率及質(zhì)量控制穩(wěn)定性的要求也越來越高。我廠原來的變速箱加油也要求由人工加注改變?yōu)樵O(shè)備自動加注，為此，我們訂購了一臺ATF油加注機。（一）原ATF加油機原理簡介該設(shè)備是為汽車變速箱定量加注變速箱油的專用加油設(shè)備。它采用的是特制氣動立式抽油缸作為加油泵，其工作原理是：先由汽缸動作帶動立式抽油缸的活塞上提，將設(shè)備儲油箱內(nèi)的ATF油吸入立式抽油缸的下腔。當(dāng)需要加油時，先將加油管路與變速箱總成加油口連接好后，再由汽缸帶

2、動立式油缸活塞下壓，將立式油缸內(nèi)的ATF油經(jīng)加油管路壓入變速箱總成中。當(dāng)立式抽油缸下壓到活塞桿上方的調(diào)整螺母所在位置時本次加油過程結(jié)束，汽缸帶動立式抽油缸回升，再次將設(shè)備儲油箱內(nèi)的ATF油吸入立式抽油缸的下腔，為下次加油做準備。加液量的多少由立式油缸活塞的行程決定。圖1為原設(shè)備外觀簡圖。從這里可以看出，該設(shè)備是一個比較簡陋的設(shè)備。由油箱、吸油電機、吸油氣缸、吸油槍、油缸、控制盒等組成。圖2為原設(shè)備液壓油路圖，原理如上所述。該設(shè)備工作模式簡單,所以電氣控制設(shè)計也比較簡單,是由繼電器、定時器和一個電磁換向閥組成的自動換向電路,這里不再贅述。（二）原ATF加油機存在的問題原設(shè)備主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，造

3、價低廉，但也存在以下缺點：1智能化程度低，不滿足混流生產(chǎn)需求。只能設(shè)定一種加油量,加油量的多少由立式抽油缸活塞的行程決定。如要改變加油量就必須調(diào)整立式抽油缸活塞桿上的調(diào)整螺母位置,用改變抽油缸活塞行程的方法改變加油量。這樣的設(shè)備無法適應(yīng)多品種混流生產(chǎn)，而混流生產(chǎn)是我們今后必須面對的問題。2老式加油機無加液量顯示功能。每次加注結(jié)束不知道加油量到底是多少,本次加注是否合格。只能在每次完成加注后用油尺檢測油位,操作起來既不直觀又很麻煩。3漏油嚴重。因為原設(shè)計的立式抽油缸直徑和長度都比較大，所以密封圈的密封面積也較大，且這種頻繁往復(fù)工作的抽油缸對密封圈的密封性要求很高,國產(chǎn)密封圈在材料和加工工藝方面比

4、較落后,抽油缸漏油的問題始終不能很好的解決。另外原設(shè)備在加注槍頭處沒有設(shè)計控制閥,只是在加油完成后簡單的將加注頭向上懸掛,從加注頭處漏油的情況就很嚴重,導(dǎo)致工作現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣。4工作節(jié)拍長。立式抽油缸的往復(fù)速度與壓縮空氣的壓力、立式抽油缸直徑、加油管路出口直徑和ATF油的粘度都有關(guān)系。由于多方面條件因素的限制,這種加注機工作速度不能太快，不能適應(yīng)3分鐘以內(nèi)節(jié)拍的生產(chǎn)線。5. 加注量不準確,重復(fù)精度低。l 由于加注頭處沒有控制閥,設(shè)備管路在非加注狀態(tài)下沒有完全密封,在管路中的這部分加注介質(zhì)無法控制，造成了加注量不準。l 立式抽油缸內(nèi)部密封不好,在加油時抽油缸內(nèi)部躥油的現(xiàn)象較為明顯。l 因壓縮

5、空氣壓力的變化、ATF溫度變換導(dǎo)致的ATF油粘度的變化，對抽油缸下壓速度有明顯的影響，而經(jīng)試驗證明抽油缸下壓速度的變化對加注量的影響非常明顯。二、 新型ATF定量加油機的改進方案因為舊設(shè)備在設(shè)計和使用方面存在著較為明顯的缺陷,根據(jù)新生產(chǎn)線的工藝、節(jié)拍等要求,老式定量加油機明顯不能滿足生產(chǎn)需要。因此，我們根據(jù)存在的問題，提出了改進的要求和具體方案。1機床結(jié)構(gòu)重新規(guī)劃，設(shè)計更合理的加油控制油路，改變加油方式，變活塞式吸油加注為加油泵通過管路對變速箱直接加注。2用流量泵進行流量計數(shù)，進行加油量的控制。3為能合理控制儲液罐液位，實現(xiàn)自動從油桶向儲液罐補液，設(shè)置液位傳感器及XST系列液位控制儀表。4由于

6、油溫對加注量有比較明顯的影響，為解決該問題，在儲液罐內(nèi)增加加熱器，并設(shè)置Pt100熱電阻溫度傳感器及CH402過程儀表進行溫度控制。5考慮設(shè)備的混流生產(chǎn)需要，增加多車型的柔性加注量選擇，利用條碼掃描，或手工選擇加注量的方法，快速變更加注量。實施中，鑒于我們沒有自行制造能力，我們提出具體方案要求后，協(xié)調(diào)廠家（北京東昆科技公司）進行了機床本體設(shè)計和制造工作。我們則承擔(dān)了全部電氣系統(tǒng)的控制柜配制、現(xiàn)場安裝配線、部分油路安裝、最終現(xiàn)場調(diào)試及后期程序改進等工作。成為我單位和廠家聯(lián)合解決重要設(shè)備問題的典型實例之一。三新型ATF加油機原理簡介（一）加注過程描述新型ATF加油機的工作過程是：ATF油存儲在加油

7、機內(nèi)的儲液罐內(nèi)，加油機通過補液泵從兩個55加侖油桶向加油機內(nèi)的儲液罐補充油液。當(dāng)定量加油機的加注頭與變速箱總成連接好后，按加注頭上的加注按鈕，儲液罐中的ATF油液經(jīng)主液泵、設(shè)備管路、減壓閥、流量傳感器、控制閥和加油槍加注到生產(chǎn)線上的變速箱中。整個設(shè)備由PLC來進行控制，加注量由計量泵來控制。（二）加注系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)及改進 機械部分在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上有如下改進：l 新型加油機采用 Ingersoll-Rand高速氣動泵作為加液主泵，這樣大大縮短了加注時間。l 由于采用了小直徑、短行程、高速往復(fù)氣動泵和進口密封件,漏油現(xiàn)象基本解決。l 在加注頭處安裝了結(jié)構(gòu)緊湊的控制閥密封加油管路,使加液設(shè)備內(nèi)部管路無

8、控制盲點。 圖3是新設(shè)備的液壓原理圖。它分加注系統(tǒng)、補液系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)三個部分。加注系統(tǒng)完成向車輛變速箱的加注，補液系統(tǒng)負責(zé)對儲液罐的補液，氣動系統(tǒng)實現(xiàn)對氣動泵、閥、加注槍等驅(qū)動控制。原理非常明了，不再贅述。（三）電氣控制原理新型ATF加油機在電氣設(shè)計方面也都有很大的改進：在新型ATF定量加油機中安裝了西門子S7-226 PLC，按照“二”預(yù)定的方案進行了新設(shè)備的電氣設(shè)計。控制上，本設(shè)備除邏輯控制由PLC完成外，還使用了OP07進行工作方式選擇及參數(shù)設(shè)置，用CH402過程儀表及加熱裝置進行油溫控制，用XST儀表及液位傳感器進行儲液罐的液位控制，用ARO計量泵及PLC高速計數(shù)單元進行加注量控制等

9、。功能方面，改造后的設(shè)備集自動循環(huán)定量加注、ATF油恒溫控制、加油量顯示、生產(chǎn)線車型自動選擇和設(shè)備儲油箱自動補液等功能為一體。另外還預(yù)留了條碼槍接口和工業(yè)以太網(wǎng)接口，為今后的全生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。下面是全系統(tǒng)的電氣控制結(jié)構(gòu)框圖，詳細圖紙可參見本文后附錄資料。Pt100溫度傳感器溫度過程儀表CH402液位傳感器液位過程儀表XSTS7-226 PLC高速計數(shù)輸入計量泵控制閥管路加注槍儲液罐操作及現(xiàn)場I/O條碼槍端口0端口1OP07調(diào)壓閥油桶主液泵補液泵圖4：系統(tǒng)電氣原理框圖 很明顯，新系統(tǒng)比老設(shè)備功能完善得多，能夠適應(yīng)MAZDA6生產(chǎn)發(fā)展及產(chǎn)品混流的需要。四改造中主要技術(shù)難點的實現(xiàn)及探討在改造中，

10、有幾個問題有別于常規(guī)的PLC可編程邏輯控制器的設(shè)計，有一定的技術(shù)難度。這里分別予以探討：（一）加注量的精確控制因為設(shè)備采用了高精度計量泵（最小單位0.186ml）將所記錄的加油量以高速脈沖的形式實時傳遞給PLC的高速記數(shù)器HSC0，PLC采用4倍速A/B相正交高速記數(shù)的方式工作，保證了在高速記數(shù)的過程中不丟記數(shù)脈沖，從而使加油量得到的準確控制。如圖5，表述了PLC高速計數(shù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。1系統(tǒng)通過OP07設(shè)置加注系數(shù)SLOW-K和加注量SFLOW，分別儲存于數(shù)據(jù)寄存器VD110、VD24。2這兩個數(shù)據(jù)進行乘積后，轉(zhuǎn)換成加注控制當(dāng)量，通過PLC內(nèi)部進行數(shù)據(jù)整數(shù)轉(zhuǎn)換等，用于加注控制的設(shè)定值。3加

11、注量由計量泵進行測量，以高速脈沖的形式送高速計數(shù)端口HSC0。4HSC0的計數(shù)值送數(shù)據(jù)寄存器VD8，并通過除加注系數(shù)SLOW-K的方法，得到實際加注量，存VD16。5VD16的加注量和設(shè)定加注量SFLOW比較，如果大于設(shè)定值，則停止加注。6實際加注量VD16通過VD44（標簽CFOW）送OP07進行實際加注量顯示。圖5：高速計數(shù)器用于加注量控制的軟件計算流程圖這個基于高速計數(shù)器端口的控制過程，基本滿足了目前生產(chǎn)準確加注的定量控制需要。（二）油箱溫度控制之所以要控制溫度，主要原因是為防止不同季節(jié)中，廠房溫度發(fā)生較大變化時，保證相對恒定的油溫，以避免變速箱油的黏度變化對加注量產(chǎn)生影響。 1控制方法

12、：我們采用的方法是典型的溫度過程控制方法用Pt100熱電阻、溫度過程儀表CH402、加熱器構(gòu)成溫度檢測控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖見圖6所示。溫度傳感器Pt100溫度過程儀表CH402PLCS7-226加熱器儲油罐固態(tài)繼電器給定值圖6：溫度過程控制系統(tǒng)框圖 為了解決單點溫度控制的頻繁切換，而導(dǎo)致繼電器觸點燒蝕問題，我們使用了固態(tài)繼電器。 2外部接線：CH402是典型的溫度過程儀表。該儀表有12個接線點，其外部接線方法為：1：220VAC火線L， 2：220VAC零線N。3：閑置。 4：控制輸出公共線。5：控制常開點輸出（4、5）。 6：控制常閉點輸出（4、6）。7：閑置。 8、9：報警輸出AL1（觸點）

13、。10、11、12：傳感器。當(dāng)用熱電阻（RTD）：11、12短接，熱電阻接到10-11、12。當(dāng)用熱電偶（TC）：11接TC+，12接TC-，10閑置。3參數(shù)設(shè)置：該儀表參數(shù)說明如下：1） SV：設(shè)定值。溫度控制目標值。出廠值：0度。我們實際控制油溫為26度。2）AL1：報警偏差。范圍：-1999-+9999或者-199.9-+999.9。超過該偏差A(yù)L1報警輸出。出廠值：50。3）LBA：控制環(huán)中斷報警。范圍：0.1-200min（分）。超過該值時，系統(tǒng)給出報警。該值一般設(shè)置為積分時間的2倍。當(dāng)ATU作用激活時，LBA失效。另外，PID調(diào)節(jié)必須結(jié)束后，延遲LBA時間，保護起作用。4）LBD：

14、LBA死區(qū)設(shè)置。范圍0-9999。出廠值：0。5）ATU：自動調(diào)節(jié)（AT）。0：在結(jié)束點或懸掛點，即無調(diào)節(jié)過程。1：在起點。出廠值：0。該功能可以在調(diào)節(jié)過程中自動計算PID和LBA參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)作用。此時，LCK不能鎖定。6）STU：自調(diào)節(jié)（ST）。0：在懸掛點。1：在起點。出廠值：0。此時，人為設(shè)置的PID起作用。但當(dāng)AT激活時，ST不起作用。注意，ST激活時，無法修改PID、ARW數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)波紋，建議關(guān)斷ST作用。7）P：比例區(qū)間。1-9999或者0.1-999.9。設(shè)為0無比例作用。出廠值：30。8）I：積分時間。1-3600秒。設(shè)置為0時為PD控制。出廠值：240。9）

15、D：微分時間。1-3600秒。設(shè)置為0時為PI控制。出廠值：60。10）Ar：防靜差（Arw）。比例區(qū)間的1-100%，設(shè)置為0時，積分取消。出廠值：100。11）T：比例循環(huán)。1-100秒。設(shè)定控制輸出循環(huán)。出廠值：20。12）Pb：PV補償。-1999到9999或-199.9到999.9。傳感器誤差校正值。13）.LCK:設(shè)定數(shù)據(jù)鎖存?？梢栽O(shè)置參數(shù)修改允許/禁止。0000SV和參數(shù)可以修改。0001僅僅可以修改SV、AL1。0010僅可以修改AL1以外的數(shù)據(jù)。0011僅可以修改SV。0100僅可以修改SV以外的數(shù)據(jù)。0101僅可以修改AL1。0110僅可以修改AL1、SV以外的數(shù)據(jù)。011

16、1全部不能修改。（三）液位控制液位控制系統(tǒng)設(shè)計的目的，是為了實現(xiàn)從油桶到儲油罐的自動補液操作。我們使用了兩個油桶，也分別設(shè)置了液位控制，一個油桶抽完后，自動切換到另一個油桶。 這里主要說明儲油罐的液位控制。該罐由于有油溫控制，為安全起見，液位控制同樣需要安全可靠。同時，也是為了及時補油，以免對生產(chǎn)產(chǎn)生影響。下面是液位控制系統(tǒng)的框圖：液位傳感器液位過程儀表XSTPLCS7-226儲油罐補液泵給定值氣閥圖7：液位控制系統(tǒng)控制框圖液位傳感器使用的是SAILOR公司的HTQ01，這是一個模擬傳感器，直接接到XST儀表的13、14腳。XST過程儀表功能相對比較強，可以進行溫度、液位及其它基于標準變送器的

17、過程控制。其特點是：1輸入控制信號可以是熱電阻、熱電偶、0-10mA、0-20mA、4-20mA電流、0-5V、1-5V電壓、電位器等類型，適用面比較廣泛，可以用于一般常規(guī)過程控制。2可以設(shè)定八個控制點，并分別有對應(yīng)輸出，控制相對靈活，可以控制比較復(fù)雜的過程。3具有外部RS232、RS485接口，便于實現(xiàn)外部通訊，提供數(shù)據(jù)采集通道。我們實際使用了四個控制點，分別是超下、下、上、超上，設(shè)定值為：80、100、320、340。該器件原理上與CH402是基本相同的，只是功能更強大，限于篇幅，加上我們僅僅用來做液位控制，這里不介紹其接線及參數(shù)設(shè)置。 五、設(shè)備常見故障及處理方法為便于維修，我們歸納了新設(shè)

18、備常見故障、原因及其處理方法，如下表：故障原因解決辦法加注量不準確流量傳感器變動標定流量傳感器儲液罐內(nèi)油液液位低補充油液,檢查液位控制器上下限并設(shè)定值壓縮空氣停氣源過濾器堵塞清洗/更換慮芯氣源開關(guān)未打開修理/更換開關(guān)供液故障排除：故障原因解決辦法儲液罐空或液位低補液過濾器堵塞更換慮芯補液泵故障維修/更換補液泵55加侖ATF油桶中沒油換桶儲液罐內(nèi)用于控制液位的傳感器失效維修/更換液位傳感器加注量不準或根本不加注供液泵故障維修/更換供液泵供液泵入口過濾器堵塞清洗過濾器加注槍故障維修/清理加注槍截止閥故障修理/更換截止閥流量傳感器故障清洗/修理/更換加注按鈕/條碼開關(guān)故障聯(lián)機檢修線路/開關(guān)OP07操

19、作面板故障檢查通訊線路/更換操作面板加注頭滴油壓縮空氣氣壓故障檢查氣源和管路加注槍內(nèi)密封件老化更換密封件六、運行期間發(fā)現(xiàn)問題及繼續(xù)改善（一）軟件問題原軟件設(shè)計是由北京公司做的，使用中發(fā)現(xiàn)流程結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，明顯地象在做復(fù)雜的數(shù)學(xué)邏輯，很多編程習(xí)慣受高級語言結(jié)構(gòu)化編程的影響。當(dāng)然，也許這是一個好的編程習(xí)慣，但對于一個不是很龐大，很復(fù)雜的過程來說，這種編程方法，直接影響了程序的可讀性。這給對要求快速反應(yīng)的生產(chǎn)維修來說，帶來了許多的不便。為此，我重新考慮和自行修改了設(shè)備控制程序。修改后的程序，有如下特點：1結(jié)構(gòu)更簡單，可讀性明顯加強。2指令代碼大量減少，思路變得更清晰易懂。目前，修改設(shè)計后的程序已經(jīng)下

20、載到設(shè)備，運行情況良好。論文后面附錄中，給出了修改后的部分程序。（二）固態(tài)繼電器設(shè)計引發(fā)的事故及其處理原來的溫度控制系統(tǒng)中，我們直接使用了固態(tài)繼電器控制加熱器進行加熱。電路結(jié)構(gòu)如圖：PLCQ0.0KA124V+0VJ124V+溫度表輸出T5加熱器 NJ1 L220VAC圖8：加熱器控制圖即：當(dāng)溫度儀表通知PLC，應(yīng)該進行加熱時，PLC通過Q0.0驅(qū)動繼電器KA1，KA1的觸點給加熱器送電。這個電路的問題是：固態(tài)繼電器的“觸點”J1，實際上是可控硅的AK極。如果可控硅擊穿，加熱器將連續(xù)加熱而失去控制，溫度過程儀表即使控制關(guān)斷，對固態(tài)繼電器也將不再起作用。我們實際使用中，就發(fā)生一起這樣的事故，整箱

21、油被蒸發(fā)，部分器件造成損壞。為此我們采取了如下改善措施：1在系統(tǒng)中增加了一個接觸器KM2，把KM2常開觸點串聯(lián)到J1前。KM2也由溫度儀表通過PLC控制。2為了消除控制點附近的抖動，我們設(shè)計了3秒的濾波程序，使得KM2不發(fā)生抖動而達到穩(wěn)定控制。這樣做以后，由于KM2不存在所謂觸點“擊穿”問題，加上兩個器件同時故障的可能性大大降低，杜絕了同樣隱患的再發(fā)生。（三）高速計數(shù)設(shè)計缺陷分析 1高速計數(shù)器的常規(guī)設(shè)計方法及設(shè)計存在問題由于西門子S7-200系列PLC屬于低端小型產(chǎn)品，沒有單獨的智能高速記數(shù)模塊。在使用高速記數(shù)功能時是用PLC的CPU模塊內(nèi)部集成的高速記數(shù)器HSC0HSC5。本設(shè)備用的高速計數(shù)

22、器HSC0所使用的高速輸入口是I0.1和I0.1。常規(guī)做法是：先給高速計數(shù)器預(yù)置一個設(shè)定值PV，當(dāng)其當(dāng)前值CV等于設(shè)定值PV時就觸發(fā)一個中斷事件，并轉(zhuǎn)而調(diào)用相關(guān)中斷服務(wù)程序完成所需任務(wù)。之后再利用中斷程序裝入一個新預(yù)設(shè)值，為下一次中斷響應(yīng)做準備。因為中斷事件的響應(yīng)是即時的，其響應(yīng)速率遠遠高于程序掃描方法的響應(yīng)速率，因而高速計數(shù)器可以實現(xiàn)精確的高速控制。利用此種方法時高速計數(shù)器的工作頻率可達到1030KHZ。但該設(shè)備在使用高速計數(shù)器時沒有編制相關(guān)的中斷程序。原來的做法是：先將HSC0設(shè)定成4倍速A/B相正交輸入的高速記數(shù)方式，并把其當(dāng)前值用MOV指令不斷的傳送到PLC的數(shù)據(jù)字VD8中，經(jīng)一系列轉(zhuǎn)

23、換和相關(guān)算法后把得到的數(shù)據(jù)放入VD16中去，然后去比較VD16（當(dāng)前值）和數(shù)據(jù)字VD24（預(yù)設(shè)值），當(dāng)VD16>VD24時停止加油。圖9：原設(shè)計程序高速計數(shù)器處理過程流程圖具體轉(zhuǎn)換過程如圖9所示。該過程是在每個掃描周期訪問到對應(yīng)數(shù)據(jù)字時，才去查詢高速計數(shù)的結(jié)果，這樣就失去了高速計數(shù)器即時響應(yīng)的意義。2原設(shè)計對加注精度影響的估算經(jīng)本人粗略對其過程估算，得出結(jié)果如下：S7-226PLC常規(guī)循環(huán)掃描時間約在1100ms之間。本設(shè)備使用的S7-226PLC的時鐘頻率是33MHZ，執(zhí)行一條布爾指令的時間是0.37us。因本設(shè)備約有400條左右的PLC指令，并考慮到使用了大量MOV等多周期指令的因素，估算循環(huán)掃描時間應(yīng)大于3ms。而現(xiàn)在設(shè)備加注1.