基于PLC的自动喷砂机伺服控制系统研究.pdf

第3 8 卷第6 期 石 油工 程 建 设 6 3 基于 P L C的自动喷砂机伺服控制系统研究 王克宽1 1 2 ，吕喜军3 ，龙 斌 一 ，唐德渝 ， 2 ，相政乐3 ，刘明珠 1 2 1 ． 中国石油集团工程技术研究院，天津 3 0 0 4 5 1 ；2 ． 中国石油集团海洋工程重点实验室，天津3 0 0 4 5 1 ； 3 ． 中国海洋石油能源发展管道工程公司，天津3 0 0 4 5 2 摘要 针对 自动喷砂除锈机伺服控制 系统的设计要求，进行了机构的正逆运动学分析及非线性分析 ， 在此基础上，提出了三闭环控制方案 ，并建立了控制 系统的模型 利用MA T L A B分析软件，对控制 系 统进行了仿真分析，并根据仿真分析结果进行了控制系统的应用试验。试验结果表明， 自动喷砂除锈 机伺服控制系统具有良好的运行特性．满足设备的各项要求 关键词 自动喷砂除锈机 ；运动学；伺服控制；三闭环控制；仿真 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 2 2 0 6 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 1 6 0 引言 喷砂 除锈 是 目前管道涂装表 面预处理 的主要 方法 海底 管道的补 1 3 区域作 为整个 管道 防腐 的 瓶颈部位 ．其表 面除锈 处理的质量 直接影响海底 管道失效事故发生 的频率『 1 ] 。目前 ，干喷砂除锈技 术 由于其 环境污染严 重 ．危害人体健康而逐渐被 限制使用 湿喷砂 除锈 技术和超高压水除锈技术 虽然避免了环境污染 ．但是湿喷砂后易产生浮锈 ． 而超 高压 水除锈技术价格高 昂．还不能被广泛采 用 『2 l 。 环保 型管道 自动喷砂 除锈机 的开发为解决上 述问题 提供 了有效途径 作为一种管道补 I3自动 除锈装 置 ．可在最大范围 内减少环境污染 ，改善 工人劳动环境 ，提高作业效率 ，并保证补 13 质量。 由于 自动喷砂机通常在工况条件恶劣的环境 中使 用 ．这对控制系统提 出了更高 的要求 ，其控制 系 统的优劣决定 了设备的整体性能 ．并影 响喷砂 除 锈 的最终效果 本文在喷砂除锈机 运动学分析 的基础上 ．提 出了三闭环控制系统方案和非线性应对措施 。保 证 了系统的控制精度和响应速度 ．有效地抑制 随 机干扰 ．实现 自动喷砂除锈机的可靠运行。 1自动 喷砂 除锈 机 1 ． 1 自动喷 砂 除锈机 的组成及 结构 自动喷砂除锈机运 动系统可简化为一类 串联 式机构 运动系统结构示意见 图 1 ．图中 A为运 动 系统 本体 ．B为 运 动 系统 移 动导 轨 ．C为管 道 ．D为喷砂 补 口区 。由图 1可知 。运动系统 的 进给方式包括沿轨道运行方 向的回转进给 ．沿管 道轴 向的轴 向进给 当运动系统沿着导轨做 圆周 运动时 ．其 回转进 给运 动可以转化为绕管道轴 向 的旋转 运动 ．旋转半 径为 r r l n建 立坐标 系和 系统机构如图 2所示 ．则机器人 的运动可 以简化 为关节 l绕 轴 的旋 转运动 ．关节 2沿 轴 的平 移 运 动 图 1运 动 系 统 结构 不恿 1 ． 2 自动喷砂除锈机 的运动学分析 根据 图 2中所 示结 构 进行 系统 的运 动 学分 析 [ 3 ] ．并在此基础 上讨论其控制 系统 的研究 与应 用。由图可知 ，沿 轴和沿 轴的运动量分别为 和 Z ；绕 轴的旋转角度为 0 ，旋转半径为 r r 。 石 油工 程 建 设 P 2 图 2机 构 简 图 根据坐标旋转变换法则 ．绕 轴 的旋转矩阵为 『 1 0 0 ] 2 R ，0 l 0 C O S 0一 s i n 0 l 沿 轴的平移矩阵为 『 f] P f l 0 l 【 0 J 末端点 P 2 的矢量方程为 P2 ，RP Pl 其中．P为关节 2所在的位置点相对于该坐标 『 0 ] 系的位置矢量，P l 0 l 【 rr 1 J 『 1 0 0 ] f 0 ] 『Z ] 所以，P 2 0 C O S 0 一 s i n 0 0 1 0 } l 0 s i n 0 C O S 0 J l rr J l 0 J 整 理 后 ， [ 薹 ] [ 一 r ． 基 ] 由上式推出运动学模型为 f 2 2 { y 2 一 r r 1 s i n 0 【 z 2 r r 1 C O S 0 将上式反解 ，推出逆运动学模型为 f 0 一 a r c s 1 n L 1 0 a r c c 0 s 墨 L 1 r r 1戥 { r r 1 【 Z 2 【 f- 2 2控制 系统设 计 2 ． 1三 闭环 控制 系统 本系统控制 的核心是要进行精确的位置控制 ． 而响应的快速性 、灵活性 、准确性是位置控制的主 要指标 。为满足这些指标要求 ，本系统采用位置、 速度双闭环结构同时根据本系统对 电机输出扭矩 的要求 ．在速度环的内部嵌套了电流闭环调节 ．获 得近似最大恒流的启动过程 ．有效地控制 电机的 启动特性和电流、转矩的动态过程 。控制 系统原理 见 图 3 。 位置 图 3 三闭环伺服控制 系统原理示意 对速度环和电流环组成的闭环结构而言 ．电流 环作为内环．速度环作为外环．把转速调节器的输出 当作电流调节器的输入，其构成转速、电流双闭环调 速系统。作为内环的电流调节器 ．在外环转速的调节 过程中．它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 即 外环调节器的输出量变化．对电压的波动起及时抗 扰的作用 ．在调速动态过程中．保证获得电机允许的 最大电流 ．从而加快动态过程 对位置环和速度环组 成的闭环结构而言．速度环作为内环．位置环作为外 环，其构成位置、速度双闭环定位系统。转速、电 流双闭环调 速系统 结构 如图 4所 示 注 U为 电 压 ，为 电流 图 4 转速、电流双 闭环调速系统结构 2 ． 2非线性 分析 非线性对系统的性能有很大的破坏作用 ．甚至 可以导致系统无法正常工作嘲 按照控制系统结构 的外 围组成 ．本系统属于典型的双闭环 位置环和 速度环 控制系统 ．对于参 数变化和扰动对 系统 状态的影响 ．除了依靠系统 自身抑制外 ．还需采用 软件滤波 的方式加 以有效抑制 ．将来 自外部的干扰 信号视作无效信号予 以去除[ 6 - 7 1 在系统内部 ．非 线性包括摩擦非线性、间隙非线性 、死区非线性和 饱和非线性等 。其 中间隙非线性是系统 中一种常见 的非线性因素 。 是机构传动间隙所引起的 ．主要 发生在伺服系统的启动和换向时刻 ．对系统产生的 影响一是间隙的不确定性降低 了系统 的定位精度 二是间隙的存在给系统带来滞后效应 ．降低 了系统 第 3 8卷第 6期 土克宽 等 基 丁 P L C的自动喷砂机伺服控制系统研究 6 5 的稳定性 ，加剧系统 的自振荡『 8 ] 。利用双闭环的校 正作用和信号的软件滤波处理能有效消除这些 因素 的影 响 。 提高系统 的精度及稳定性 。系统抑 制扰 动和非线性的控制原理见图 5 。 图 5扰动和非线陛的控 制原理 示意 3 仿 真分 析 根据以上对控制方案的设计 ．分别以阶跃信号 及等占空比方波信号作为输入进行仿真分析．探索 控制参数并观察系统的稳定性、响应速度及准确性 等性能指标 搭建 的 MA T L A B仿真程序如图 6所 示 ．控制器模块分别封装了各闭环的控制元素 ．电 机模型模块内部封装了作为 内环的电流调节器和滤 波模块。因此 ，速度闭环、电机和与外 围的位置控 制环节一起构成双闭环位置控制结构 仿真结果表 明 ，该控制策略可行 。由图 7 、8 可以看出．系统在恶劣输入信号和随机干扰的作用 下能保持较好的响应特性和较好的稳定性 ．滤波模 块作用显著 ．系统对外界的干扰表现出较好的鲁棒 性 ．对预定轨迹信号跟踪效果 良好 ．能够确保系统 的控制精度 在理想状态下 ．该控制策略能够满足 系统对各项性能的要求 时间／ s 图 7 阶跃信号仿真结果 O 图 6 MATLAB仿 真程 序 单元相结合方式 ． 同时采用高精度传感器进行系 统信号 的采集 利用 P L C梯形 图编写控制程 序 ． 并进行软件滤波模块 的设计 通过运行程序 ．由 P L C计算指令脉冲数与脉 冲频率．确定脉冲方向．并输 出指令脉冲作为驱动 器的给定信号 伺服驱动器将脉冲指令转化为驱动 信号 ，并实现电流环、速度环和位置环的调节控制 功能 ．进行伺服控制的动态调整。滤波模块的设计 采用了延时消抖和数字滤波相结合的方法 ．有效消 除开关量输入抖动和各种随机干扰对系统产生的影 响 ，使该系统具有动态响应快 、定位精度高、系统 稳定性好等特点 设备试验的喷砂除锈效果见图9 时间／ s 图 8 方波信号仿真结果 4应用 试 验 在仿真分析 的基 础上 ，进行 了系统 的应用试 验 。控制系统采用可编程控制器 P L C和伺服驱动 图9 喷砂除锈 试验结果 石 油工 程 建 设 A _ _ T I G焊在碳钢焊接中的应用 靳海成，周俊红，王俊红，李广民 中国石油天然气管道科学研究院 ，河北廊坊0 6 5 0 0 0 摘 要活性剂焊接 A T I G技术的特点是焊前在母材表面涂敷一层活性剂 ，在相 同的焊接规范下， 同常规 T I G焊相比．可以大幅度地提 高焊缝熔深 最大可达 3 0 0 ％ 。文章对该高效的 A T I G焊方法在 碳钢中应用进行初步试验研究，结果表 明碳钢采用 T I G焊．可使钝边厚度为 4 ml n的焊材在无间隙 或有间隙的条件下，一次性焊透；2 0 钢管采用 A I G焊，在不降低焊接效率和焊接质量的前提下， 能够减少焊接层数一层和焊接材料的使用 关键 词 A T I G焊 ；活性 剂 ；焊缝 熔深 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 1 2 2 0 6 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 1 7 0 引 言 活性剂焊接 A c t i v a t i n g fl u x T I G．简称 A T I G 焊是 由乌克兰 巴顿焊接研究所在上世纪 6 0年代 研发 的．但此后直到 9 0年代末期 ．欧美 国家的研 究机构才对该技术开展了广泛的研究 这种技术是 焊前在母材表面涂敷一层活性剂．在相同的焊接规 范下 ．同常规 T I G焊相 比．可以大幅度地提高焊 缝熔 深 最 大可达 3 0 0 ％ 同常规 T I G焊相 比． A T I G焊能够大 幅度提高生产率 ．降低生产成本 ． 同时还可 以减小焊 接变形 ．具 有 广 泛 的 应 用 前 景 本项 目研究 了在钝边 为 4 1T i m时 ．无活性剂 T I G焊 和涂 敷 活性剂 T I G焊 的熔透情 况 ．同时也 对 ” ” “ 一 一 “ ” 一” 一 n ” 一 一 卜 一 卜 一 卜 ” 一 ”一 卜 一 十 ” 十一 “ 一 卜 “ 卜 一 卜 “ 卜 一 卜 ” 卜 一” 一 ” 一 ” 一 ” 一 ” ” 经 与标 准板 比对 ．除锈效果 可达 S a 2 ． 5级 以 上 ．满足海底管道铺设 喷砂除锈指标 的要求 5 结论 1 采用三闭环伺服控制系统 ，能够在获得较 高控制精度的同时有效控制启动力矩 ．并能充分抑 制非线性因素对系统的影响 2 在 外 部 电磁 干 扰 强烈 的工 况下 ，软 件 滤波 是对 采集 信号 处理 的必 要手 段 ．并 且软 件 滤 波器设 计 的优 劣直接 影 响信号 的准确 性及 系 统 的性 能 3 采用 P L C作为控制系统核心的 自动喷砂 除锈机运行稳定 、性 能可靠 ．具有 良好 的除锈效 果 ，目前 ，该技术已在中海油 、胜利油 田及中石油 海上项 目中得到了广泛的应用。结果表明 ，采用全 自动喷砂除锈技术 ．可有效提高管道喷砂除锈 的工 作效率 ．减轻工人的劳动强度 ．减少对周围环境的 污染 ．从而节约了海底管道铺设成本 ．缩短 了管道 铺 设周 期 参 考文献 『 1 1朱幌秋 ， 张腾超． 可编程序控制器在钢管壁 面喷砂 除锈作业线 中 的应用[ J ] ． 新技术新工艺 ， 2 0 0 5 ， 1 2 1 5 1 7 ． 【 2 】龙斌 ， 吕喜军 ， 唐德 渝， 等． 环保型全 自动管 道喷砂 除锈 机的研 制 及应用[ J J _ 石油工程建设 ， 2 0 1 l ， 3 7 6 3 6 3 8 ． 【 3 ]P a t h a k PM， Mu k h e r j e e A， D a s g u p t a A ． I mp e d a n c e c o n t r o l o f s p a c e r o b o t [ J 】 ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f Mo d e l l i n g a n d S i mu l a t i o n， 2 0 0 6 ， 2 6 4 3 1 6 3 2 2 ． [ 4 ]熊有伦． 机器人技术基础[ M] ． 武汉 华中科技 大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ]吴晨曦 ， 蒋嵘． 基于 P L C 一伺服驱动的位置控制 系统设计[ J 1 _ 制造 业 自动化 ， 2 0 0 8 ． 3 0 4 8 4 8 6 ． [ 6 ]张立勋 ， 董玉红． 机电系统仿真与设计[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大 学 出版社 ． 2 0 0 6 ． [ 7 ]黄晓玲． P L C控制 系统 的抗干扰分析及措施[ J 1 ． 机电技术 ， 2 0 1 0 ， 3 4 7 4 8 ． 【 8 】R o b e a N B a t e s o n ． I n t r o d u c t i o n t o C o n r o l S y s t e m T e c h n o l o g y[ M】 ． Ne w J e r s e y P e a r s o n Ed u c a t i o n l n c ． ， 2 0 0 2 ． 作者 简介 王克宽 1 9 8 3 一 ，男，辽 宁丹 东人 ，2 0 0 9年毕 业 于哈 尔滨． 37- 程 大学机械 电子 X -- 程专业 ．硕 士 ．主要从 事 石油装备 自动控制等方 面的研 究工作 收稿 日期 2 O l 2 0 7 0 2