基于PLC的光纤喷胶装置空气压力控制系统设计.pdf

doi10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2016. 02. 061 基于 PLC 的光纤喷胶装置空气压力控制系统设计 ∗ 马保吉,刘 坤 西安工业大学 机电工程学院,陕西 西安 710021 摘 要提高制导光纤线包喷胶精度的有效办法之一就是稳定空气压力供给,实现不同工况下空气压力稳定。 使用 西门子 S7-200PLC 中 PID 控制模块的 PI 调节具有空气压力控制系统响应速度快,操作简便,喷胶效果良好等优点, 对有效解决胶液雾化抖动、雾化颗粒不均匀等问题有重要作用。 关键词光纤; 喷胶; 空气压力; PLC; PI 调节 中图分类号TG69 文献标志码A 文章编号1007-4414201602-0177-03 Air Pressure Control System Design about Optical Fiber Glue Spray Device Based on PLC MA Bao-ji,LIU Kun School of Mechatronic Engineering, Xi′an Technology University, Xi′an Shaanxi 710021, China Abstract Stable air pressure is one of the effective ways to improve the accuracy of winding optical fiber glue spray device, and achieving air pressure stability under different conditions. Using the advantages of Siemens S7-200PLC PID control mod- ule of PI regulator can realize air pressure control system fast response speed, simple operation and good spraying effect. It plays an important role in the effective solution of the problems such as the vibration of the liquid atomization and the uneven particles. Key words optical fiber; air pressure; PLC; PI. 0 引 言 光纤制导是近年来发展起来的高命中率新型导 弹制导系统[1]。 光纤缠绕施胶装置是保证在高速、 长距离光纤制导导弹的制造过程中,缠绕光纤时不至 于出现光纤跨越、陷入、松弛、跳线、回跌和坍塌等缺 陷而研制一种新型装置[2]。 目前我国光纤缠绕施胶 系统广泛使用的是一个简单的机械机构,其工作原理 是让高速运动的光纤通过三个滑轮导向轮穿过胶池, 中间的大导轮把从胶池中粘带的粘结剂,通过接触摩 擦,粘附于光纤的下表面,之后光纤投入缠绕,而对于 光纤线包喷胶装置的研究比较缺乏[3]。 为了保证光 纤线包喷胶装置雾化效果达到规定要求,除了对施胶 量有严格的控制外还需要把雾化空气的供给压力误 差控制在0. 02 MPa 以内。 1 空气压力控制系统组成 西门子小型可编程控制器 S7-200 CPU224XP 具 有 PID 控制功能,模拟量模块集成有2 路输入1 路输 出,输入为10V 电压信号,输出为0 10 V 电压信号 或 4 20 mA 电流信号[4]。 SMC 公司生产的电气比例压力阀广泛用于气体 压力控制系统,型号 ITV-205 供给压力范围0. 1 MPa 1 MPa;设定压力范围 0. 005 0. 9 MPa;电源电压 DC24 V10或 DC12 15 V;输入信号为电流或者 电压,电流信号 4 20 mA 或 0 20 mA,电压信号 DC0 5 V 或 DC0 10 V;此型号电气比例压力阀控 制过程线性度好,精度高,具有较宽的控制范围,动态 响应较快,同时具有很好的稳定性和可靠性[5]。 压力传感器为定制型号,供电电源 DC24 V;使用 压力范围 0 1 MPa;信号输出电压 0 10 V;精度 1F. S;直线度0. 7F. S 以下。 PLC 空气压力闭环控制系统如图 1 所示,空气压 力 ct被压力传感器转换为0 10 V标准的电压 信号 PVt,PLC 模拟量模块 AIW0 端口接受来自压 力传感器的电压信号进行 A/ D 转换得到与空气压力 成比例的数字量 PVn。 CPU 将其与压力设定值 SPn 比较,误差值为 en,进行 PID 控制运算。 将数字量运 算结果 Mn送给模拟量输出模块,经 D/ A 转换后变为 4 20 mA 的电流信号 Mt,模拟量端口 AQW0 输出 标准的电流信号控制电气比例压力阀的开度,从而控 制空气输出压力。 图 1 PLC 空气压力闭环控制系统 771 机械研究与应用2016 年第 2 期 第 29 卷,总第 142 期 检测与控制 ∗收稿日期2016-01-25 基金项目总装备部先进制造技术预先研究项目 作者简介马保吉1964-,男,河南安阳人,教授,博士,研究方向机电系统设计与控制。 2 电气控制原理 2. 1 PLC 控制过程中工程量与数字量的转换关系 模拟量转换为工程量分为单极和双极两种。 单 极型对应的工程量为 0 32 000;双极型对应的工程 量则为 32 000 32 000。 对于光纤线包喷胶装置空 气压力控制系统而言,压力传感器的输出电压值0 10 V与管路中的气体压力0 1 MPa成正比关 系,其反馈的电压对应 PLC 输入的工程量应为单极 型,其关系如图 2;PLC 输出的工程量对应的电气比 例压力阀的电流信号4 20 mA为20偏移量的单 极型,其关系如图 3。 图 2 单极型输入与工程量 图 3 单极型输出与工程 的对应关系量的对应关系 2. 2 PID 控制器的数字化 光纤线包喷胶装置的空气压力 PID 模拟量控制 系统中,压力 ct为连续变化的模拟量,SPt为设 定值,PVt为过程变量,PID 控制器的输入/ 输出满 足关系式 Mt KCet 1 TI∫ t 0 etdt TD det dt Minitial1 式中误差信号 et SPt-PVt;Mt是 PID 控 制器输出;Kc是控制器的增益;TI和 TD分别是积分 时间和微分时间;Minitial是 Mt的初始值。 式1中 等号右边前三项分别是输出量中的比例P部分、积 分I部分和微分D部分,他们分别与误差 et、误 差的积分和误差的导数 det / dt成正比。 设采样周期为 TS,将式1离散化,第 n 次采样 时控制器的输出为 Mn K C en TS TI∑ n j 1 ej TD TS en - e n-1 M initial 2 式2也可以改为式3 Mn K Cen K I∑ n j 1 ej K Den - e n-1 Minitial 3 式3中 KC、KI和 KD分别是 PID 回路的增益、 积分项的系数和微分项系数[6-8]。 3 软件设计 3. 1 使用 PID 指令向导 编程软件 STEP7-Micro/ WIN SMART 中①点击 菜单栏“工具”-指令向导-PID-设置 PID 回路 0-设 置 PID 回路参数;②由于系统参数的不确定这里先 设比例增益比例系数KC为 10,积分时间 TI为 INF 无穷大,微分时间 TD为 0 min,由于空气压力随负 载变化不是非常频繁,所以采样时间 TS预设为 1S; ③设置 PID 回路输入输出参数,标定为单极性输入, 过程变量缺省值为 0 32 000 对应的回路给定值为 0. 0 1. 0输出气压的压力范围。 输出类型为模拟 量,标定为单极性输出,由于电气比例压力阀输入电 压为 4 20 mA 所以选取 20偏移量;④设定回路报 警低限为 0. 1,高限为 0. 9;⑤指定 PID 运算存储区, 根据本程序需要预留一定存储空间,此处设置为 VB100 至 VB219;⑥指定向导所生成 PID 子程序名和 中断程序名;⑦生成 PID 子程序、中断程序及符号表 等。 完成向导配置后在程序中调用向导生成的 PID_ INIT 如图 4,其中 Q0. 1 为高限报警输出,Q0. 2 为低 限报警输出。 图 4 PID 调用程序 3. 2 PID 参数整定方法 PID 控制器有 4 个主要参数 KC、TI、TD和 TS,参 数若整定不好,系统动静态性能就达不到要求,甚至 会使系统不稳定运行,引起压力输出振荡[9]。 PID 控制器输出中的比例部分与误差成正比,具 有调节及时的特点。 如果比例系数 KC太小,调节力 度不够,使得空气压力变化缓慢,调节时间过长。 如 果增益 KC过大,调节力度过强造成调节过头,使得 空气压力忽高忽低来回震荡,降低系统的稳定性。 积分部分的作用是消除稳态误差,提高控制精 度,积分虽然能消除稳态误差,但是如果参数整定的 不好,也会有负面作用。 积分时间 TI常数减小时,积 分作用增强,其与增益过大相同,会使系统动态性能 变差,超调量增大,甚至使系统不稳定;积分时间 TI 常数增大时,积分作用减弱,系统稳定性可能有所改 善,但消除误差速度变慢。 微分部分与误差的变化速率成正比,微分控制的 超前作用可以抵消滞后因素的影响。 微分时间常数 TD增大时,微分作用越强,可能会减小超调量,动态 性能得到改善,但抑制高频干扰能力降低,TD过大, 将会使响应曲线变化迟缓,超调量增大,系统输出量 可能出现频率较高的振荡。 TS是采样周期,TS越小,采样值越能反映模拟量 871 检测与控制 2016 年第 2 期 第 29 卷,总第 142 期机械研究与应用 的变化情况。 但 TS越小会增加 CPU 的运算量,相邻 两次采样值几乎没有变化,所以也不宜将 TS取得过 小,根据经验空气压力采样周期取 1 s。 S7-200 SMART 具有 PID 参数自整定功能,编程 软件有 PID 整定控制面板。 通过自整定算法可以获 得最优的增益、积分时间和微分时间。 参数自整定实 验中,只有当各参数与最优参数相近时系统整定才能 成功,否则系统将会整定失败,所以自整定先选择手 动调节。 调节步骤如图 5。 图 5 PID 参数手动调节流程图 通过手动调节,可得到的基本参数为 KC1. 2,TI 0. 007 min,TD0. 000 1 min,此时手动调节的响应 曲线,如图 6。 过程量与输出值少有震动,但都趋于 稳定。 图 6 基本参数手动调节过程的曲线 通过自整定功能调节,建议参数为 KC 0. 764 963 4,TI0. 006 645 557 mim,TD0. 0,此时得到的 参数对应的曲线可知,系统响应速度快,稳定性好。 此时微分时间为 0,即空气压力控制系统采用的为 PI 调节。 图 7 基本参数自整定调节过程的曲线 4 结 语 使用西门子 S7-200 PLC 中 PID 控制模块,调节 KC、TI、TD和 TS主要参数可以实现空气压力控制系 统灵敏,响应速度快,操作简便。 但是在光纤喷胶空 气压力控制系统中,通过 PID 参数整定实验发现,增 加微分控制环节系统输出量会出现强烈振荡,说明此 装置中空气压力变化并非频繁,不需要微分控制得到 超前作用抵消滞后因素的影响,PI 控制同样可以满 足压力稳定要求,使得压力变化浮动范围控制 0. 02 MPa 以内。 实验得到 PLC 中 PID 参数 KC 0. 764 963 4,TI0. 006 645 557 mim,TD 0. 0 可以实现喷 胶效果良好,有效防止胶液雾化抖动、雾化颗粒不均 匀等问题。 这为实现光纤线包喷胶效果的优化提供 了前提,为新型光纤缠绕喷胶系统空气压力控制提供 一种稳定有效的方案。 参考文献 [1] 刘永昌. 战术导弹精确制导技术发展分析[J]. 弹箭技术,1995 41-14. 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