基于PLC的数控卷板机自动控制系统研究.pdf

第 1 期 总第 1 6 4期 2 0 1 t年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG AUTOMAT1 0N NO．1 Fe b． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 1 0 1 0 1 3 3 0 2 基于 P L C的数控卷板机 自动控制 系统研究 于海龙 ，石 东东，赵 秀美 海洋石油工程股份有 限公 司，天 津 3 0 0 4 5 2 摘要 阐述 了一种 由西门子 S 7 3 0 0 P L C、I ／ 0 模块、计数器模块 、力控 HMI 软件、位置传感器 以及其他 电气 控制元件组成的卷板机控制系统。该系统 自动化程度高、稳定性好、操作维护方便。 关键词 卷板 机； 自动控制；P L C 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引 言 可编 程逻辑 控制 器 P I C 是一 种通 用 的工 业 自动 控制 装置 。它 以顺序 控制 为 主 ，回路调 节为辅 ，能完 成逻辑判断、定时、计数 、记忆和运算等功能 ，既能 控制开关量 ，也能控制模拟量 ，还能够与计算机进行 通信 ，构成 由计 算机 集 中管理 、用 可编 程控制 器进行 分散控 制 的分布式 控 制管 理系统 。 由于 P L C具 有控 制 灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等优点，现 在 的机 械设 备 、生产 流水 线和 生产过 程 的 自动控 制多 采用 P I C来 实现 _ 1 j 。 卷 板机 钢结构 生 产行业 的重 要基础 装备 多采 用强 电控制、手动操作的方式进行生产，这种控制方式效 率低 ，难 以保 证加 工精 度 。近年来 ，随着数 控技 术 的 飞速发 展 ，国 内外 已有 基 于工控机 加板 卡形式 的数控 卷 板机投 入使 用 。卷板 作业 现场环 境恶 劣 ，往 往存 在 着 冲击 、振 动 、粉 尘等 不利 因素 。数控 系统对 环境 要 求 高 ，在 恶劣 环境 下经 常 出现 各种 各样 的 问题 ，系统 不 稳定 ，使用 效果 不好 。为 了解决上 述 问题 ，我们 开 发 了一套 基 于 P I C的数 控卷 板机 自动控 制系 统 。 1 控制 系统工 作原 理 该三辊 卷板 机机 械 系统主要 由上 辊 、左下 辊 、右 下 辊和其他 辅助 部件 组成 ，如 图 1 所 示 。 图 1中上辊 为 主驱动 辊 ，上 辊垂 直方 向的运 动及 水平 方 向的运动 分别 由两个 液压 缸带 动 ，液压缸 由电 磁 阀控制 。 上辊 的垂 直 、 水 平方 向装有 精密 的磁栅 尺 ， 用来 采集上 辊 的位移 量并反 馈给 控制 系统 。下辊尾 部 装有旋 转编 码器 可准 确测量 出下辊 旋转 的弧 长并反 馈 给控 制系统 ，以便 对板 料准 确定位 。上 辊及下 辊 的旋 转运 动 由电机带 动 。 控 制系统 主要 由 P I c控制器 、 触摸屏 、 控制柜 、 旋 收稿 日期 2 O l o - 0 6 0 7 ；修 回 日期 2 O l o - l 0 一 l 1 作者简介 于海龙 1 9 7 6 一 ， 男 ， 天津人 ， 工程师， 本科 。 转 编码 器 、磁栅 编码器 及其 他辅 助元 件组成 。 此 控 制系 统选 用 的是 一种 特 殊 的开 环 控制 方 式 ， 如 图 2 所 示 。这种 控制 系统 中最后 输 出的位 置 由编码 器 或线 型磁 尺反馈 回控 制器 P I C，但这 种反 馈量 只是 控 制输入 信号 的通 断 ，而不 是参 与控制 。从 外部形 式 上看 ， 是闭环控制， 但从其原理上看又是开环控制 。 这 种结构线路简单 ，成本低 ，便于维修，并且能够达到 卷板 精度 的要求 J 。 上辊 钢板 左下辊 图 1 三辊卷板机组成 图 图 2控 制 系 统原 理 图 2控 制 系统 硬件 设计 基 于 P I C 的数 控卷 板 机 自动控 制 系 统 的核 心 是 S 7 3 0 0 P I C，通过 P R OF I B US D P总 线实 现从站 和 工控机的数据通信 ，完成对整个系统的自动控制，实 现数控卷板机的控制过程，其系统框图如图 3所示 。 数控卷 板机 自动 控制 系统 以 P I C为核 心 ， 以工控 机为 平 台 ，构成 上 、下位 机分层 递 阶控制 框架 。工控 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 4 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 1年第 1期 机 为上位机 ，负 责各种 资源管理 、对下 位机 的程序调 度与控制、与下位机实时通信 ，上位机运行力控 HMI 软件 ，实现人机 交互功 能 。P L C为下 位机 ，完成 对卷 板机运动部件的位置控制和各种辅助操作 的动作控 制 。 上位 机与下 位机通过 OP C协议 进行数 据的通 信共 享 。这 种设计 采用工 业通用 的控制 方式 ，结构简 单 明 了，方 便维 护和升级 ，系统稳 定性 高E 。 l P L C 摄 模拟 像 量输 监 入模 块 控 互 通 信 模 块 电源 P R O F I B U S 工 控 C P U 机 通信 一 模块 Il 计 O 1 I L ， ∞ r 抖 ／-IIil 口 乙 lⅢ l 一 沌， J ＼ l L 1 y 瞄1 J 删，＼ 一 数 I F -娟 隐 转僦栅口 显 器 0 2 _ l lJ 砒7 I 1 册八 不 模 l L 柑 工 L F 殳l -h -． 坤t 口 器 块 0 3 上砒／ f 阿 1 伸 侣 ／ 0 4 下辊旋转编码器 开关 上辊油缸 量输 伺 I 下辊油缸 出模 服 块 阀 _ ． J 下辊油缸 液压 设备 l 控 开关 一 l - r tL - ff I 7 制 量输 面 入输 - 限流器 出模 板 块 _ 摄像控制 ． 1 r h ， L 々 图 3系统 框 图 3控制 系统 软件设计 3 ． 1 程序 设计 数控卷 板机 自动控制 系统属 于数控 系统 ，和 一般 的 P L C开关控 制 系统 不 同 ，数控 系统 的全 P I C实 现 更 为复杂 。一般 P L C控制 系统程 序 主要在下 位机 内 ， 上 位机 只起 到辅 助作用 ，而数控卷 板机 的上位机 程序 反 而更加重 要 。 控制 软件结构 图如 图 4所示 。首先根据 提示输 入 的板材参数和卷纸成品参数，上位机程序根据输入参 数及计算模型进行几何参数和工艺参数的计算 ，并进 行进 给次数的验算，之后把计算的结果送给下位机 P I C； 下位 机根据上位 机 的控 制参数控 制 电机 、 液 压缸 运动， 从而实现上、 下辊的卷板动作 。 磁栅传感器、 编 码 器 通 过 计 数 模 块 把 位 置 参 数 送 给 P I C 的 C P U， P L C根据 位置参数 及控制程 序对液 压缸 、电磁 阀、电 机 以及 其他 电气元 件进行 必要的逻 辑动作控 制 4 ] 。 3 ． 2 人 机界 面设计 人机界面是人机交互的联系纽带，根据卷板机监 控及操作需求， 参考国内外数控系统界面的设计风格 ， 主要设计 了 以下 几个主要 界面 系统的启 动界面 、卷 板参 数输 入界面 、卷板参 数调用 界面 、计算界 面 、验 算界面、中间参数修改界面、手动卷制界面、自动卷 制界 面及 主监 控界 面 。图 5为 主监 控界 面 。 4结束语 基 于 P L C 的数控 卷 板机 自动控 制 系统 经 过精 心 的设计 、严格 的选 型、合理 的硬件 配置及最 优化 的程 序设计 ，简化了现场操作 ，提高了控制程序和人工界 面的灵活性 ，并提供了完善的实时监控功能，使系统 更加稳 定可靠 。该 系统 采用 西门子 的计数模 块代替 了 传统 的控制方 式 ，使 系统更 加简单 ，易 于维 护 。该 系 统投 入使用 至今 ，运转 良好 ，得 到了使用 者的肯定 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一 图 4 控 制 软 件 结构 图 图 5 主 监 控界 面 参考文献 [ 1 ] 马哲 ， 闰样安 ， 肖聚亮． 卷板 机数控系统 的硬件和软件设 计 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 2 ， 2 4 1 2 3 3 3 5 ． [ 2 ] 吴麟． 自动控制原理[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 3 ] 廖常初． S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术 [ M] ． 北京 天津大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 程周． 电气控制与 P L C原理及应用E M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 英 文摘要转 第 1 3 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年 第 1期 机 械 工 程 与 自 动 化 1 3 7 { i n t S e t P o i n t ；／ ／设定 目标 De s i r e d v a l u e l n t P r o p o r t i o n ；／ ／比例常数 P r o p o r t i o n a l C o n s t l’ n t I n t e g r a l ； ／ ／积分常数 I n t e g r a l C o n s t m’t De r i v a t i v e ；／ ／微分常数 De r i v a t i v e C o n s t m’t L a s t E r r o r ；／ ／E r r o r [ 一1 ] l’n t P r e v E r r o r ；／ ／E r r o r [ 一2 ] m t S u mE r r o r ；／ ／累计误差 l n t E1 ；／ ／e l e 2 i’n t E 2 ；／ ／ l o n g in t P ma x ； ／ ／ 上 限 l o n g i n t P mi n ； ／ ／ 下 限 PI D； 3实验 数据与 结 果分析 为 了验证本 文 提 出的同 步控制 方式 的有 效性 ，设 左、 右两驱动轴承受的负载相差2 0 0 N， 实验数据通过 采集光栅尺的信号进行数据转换后保存于数据库 中。 实验分为两种情况进行，第一种情况是系统在开环控 制 下 ，第 二 种情 况 是 系 统 在 数 字 P I D 控 制 器 的作 用 下 。 P I D控 制 器的参 数 ， 可 以通 过 串 口通 信在 线调 节 。 开环 控制下 ， 电机 转速 为8 0 0 r ／ mi n 时两 轴 同步 驱 动的位置拟合曲线如 6 所示。P I D控制下两轴同步驱 动的位置 拟合 曲线 如图 7所示 。 经过 多 次 的实 验 ，两 轴 负 载在 相 差 2 0 0 N的情况 下 ，P I D 控制 下两轴 位置 量相 差为 一1 O ～ 7 6 个 脉 冲 弯机、数控压力机以及其他类似多轴同步驱动系统 中 都有一定的借鉴价值 。 是 蕾 蛊 删 删 -口 窿 是 蕾 g 咖 口 * 蹩 量 ， 转化 为长度单 位 最大 偏差 为0 ． 3 8 I T l m， 最 小偏差 图 7 P I D控制下两轴同步驱动的位置拟合曲线 为O ． 0 1 i n m。 从实 验获取 的数 据分 析可 以看 出 ， 系统在 参考文献 开环 控制 下 ，由于 负载 的不对 称 ，两轴 的同步 驱动性 E 1 ] 扈宏杰 ． 控制 系统 的设计 与实 现[ M] 北京 机 械工 嬖 挈 差 ， ． 嬖 推 移 墨 误 兰 苎 [ ] 兰n ． 毳,h tt D S P 动机的 D s P控制～T 公司D s P 应用 越 大 。而在积分分离式 P I D控制器的作用下，两轴同 [ ] ．北 京 E 航 天 大 ≤ 出 社 ， 2 0 0 4 ．一 步驱 动取得 了较 好 的效 果 。 [ 3 ] 何平， 李岳， 徐小军 ．基 于 DS P的步进 电机高精度变速 控 本文研 究 的同步 驱动 结构 和控制 方法 ，在 数控折 制研究[ J ] ． 兵工自动化， 2 0 0 7 ， 2 6 1 1 8 6 8 9 ． Po s i t i o n S v n c hr 0 n 0 u s Co nt r o l wi t h TM 3 2 0 LF2 4 0 7 i n Co nd i t i o n o f As y m me t r i c a l Lo a d s LI Xi a o j u ，HUANG J i a n q i u ，Z HUANG Yu a n x i a n g 。 ，YI N S u f e n g 1 ． Ci t y Co l l e g e o f Do n g gu a n Univ e r s i t y o f Te c hn o l o g y， Do n g g u a n 5 2 3 1 0 6，Ch i n a ； 2 ． Do n g g ua n Ce nt e r F l u i d M a c h i n e r y Co． ， Lt d ．， Do n g g u a n 5 2 3 8 5 0。 Ch i n a ． Ab s t r ac t Thi s p a pe r i s ab out t h e r e s e a r c h o n t h e s y nc hr on ous e o nt r ol wi t h c on t r ol l e r DSP TM S32 0 LF2 40 7 i n c on di t i o n of a s y mme t r i c a l l oa d s． The p a r a l l e l c o nt r o l of t wo dr i v i n g s ha f t s whi c h we r e r i g i d l y c on ne c t e d wa s a c hi e v e d on t e s t pl a t f o r m． The c ol l e c t e d d a t a we r e a na l yz e d． Th e r e s ul t s s ho w t h a t t he pa r a l l e I c on t r oI mod e i S f e a s i bl e i n s yn c hr ono us c on t r oI o f mul t i mo t or dr i v i ng s ys t e m ， a nd t hi s ma nn e r c a n a c hi ev e a go o d c ont r o l ef f ec t wi t h t h e he l p of i nt e g r a l s ep a r a t i on PI D． Ke y wo r dss y nc hr on ou s c on t r ol ； PI D；as y mme t r i c a I1 o a ds； DSP 上接 第 1 3 4页 Au t o m a t i c Co n t r o l S y s t e m f o r CNC Be nd i ng M a c h i n e Ba s e d o n PLC YU Ha i l o ng， S HI Do ng d on g， ZHAO Xi u me i C h i n a O f f s h o r e Oi l E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． ，Ti a n j i n 3 0 0 4 5 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r p r e s e n t s a n a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f b e n d i n g ma c h i n e s ，wh i c h c o n s i s t s o f a S i e me n s S 7 3 0 0 P LC，I ／ O mo d u l e s，c o u n t e r mo d u l e s ，HM I o f Fo r c e Co n t r o l ，p o s i t i o n s e n s o r s a n d o t h e r e l e c t r i c a l c o n t r o l c o mp o n e n t s ． Th i s s y s t e m i s h i g h i n a u t oma t i on a nd e as y t o op er a t e． Ke y wor dsbe nd i n g ma c h i n e；a ut oma t i c c o nt r o l ； PLC 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m