基于S7-300PLC的内高压成形机位置同步控制试验研究.pdf

2015年 12月 机 床 与 液 压 Dec. 2015 第 43 卷 第 23 期 MACHINETOOL 1 HYDRAULICS Vol. 43 No. 23 D O I 10.3969/ j. issn. 1001-3881. 2015. 23. 023 基于S7-300 PLC的内高压成形机位置同步控制试验研究 高娟娟\刘丽贞2王立新\刘福才1 1. 燕山 大学工业计算机控制工程河北省重点实验室，河北秦皇岛066004 2 .沧州师范学院机械与电气工程学院，河北沧州061001 摘要内高压成形过程中两侧缸位置同步控制问题，是内高压成形控制系统的关键技术之一。应用自主研制的多变量 协调控制模拟试验平台进行仿真与试验研究，对侧缸位置控制系统建立数学模型，采 用 “ 同等主从”控制方式，利用 Srniulmk搭建该系统的PID控制仿真模型进行仿真， 仿真结果证明了采用PID控制进行试验的可行性在此基础上采用S7- 300 PLC作为主控制器， 基于WmCC组态软件，进行单侧缸位置PID控制及两侧缸位置同步PID控制试验研究，试验结果 表明 基于S7-300 PLC的两侧缸位置同步PID控制系统，同步控制精度高、抗干扰能力强，能够满足内高压成形机位置同 步系统控制要求，为S7-300 PLC在内高压成形机控制系统上的实际应用提供了参考。 关键词内高压成形；位置同步控制PID; S7-300 PLC 中图分类号TP273 文献标志码A 文章编号1001-3881 2015 23-086-6 Experimental Study on Synchronous System of High Accuracy Position of the Internal High-pressure ing Equipment Based on S7-300 PLC GAO Juanjuan1， LIU Lizhen2，W A N G Lixin1，LIU Fucai1 1. Key Lab of Industrial Computer Control of Hebei Province， Yanshan University， Qinhuangdao Hebei 066004， China； 2. College of Mechanical and Electrical Engineerng ， Cangzhiou Normal University， Cangzhou Hebei 061001，China Abstract Internal high-pressure ing process on both sides of the hydraulic cylinder position synchronization control problem is one of the key technologies of internal high pressure ing control system. The simulation and experimental study was conducted in accordance with the multivariate coordinated control simulation test platorm which was independently developed. The mathematical model was established on the side of cylinder position control system. By using the comprehensive control mode of “ synchronous master-slave“， the PID controller simulation model of thiis system was built in the Simulink. The simulation results show the feasibility of thie PID controller experiment. On this basis， the single cylinder PID position control experiment and bothi sides of cylinder position synchronous PIDcontrol experiment were conducted with S7-300 PLCas the main controller and WinCC as the configuration software. The experimental results show that on both sides of the cylinder position synchronization control system based on S7-300 PLC and PID controller， has a high accuracy of the synchronization control and strong anti-interference ability，which can meet thie control require ments of thie system and provide reference for thie practical application of internal high-pressure ing control system in this way. Keywords Internal high-pressure ing； Position synchronization control； PID; S7-300 PLC 〇 前言 随着科技的发展，人们不断地对工业制造技术提 出更高的要求，节能环保、减轻重量、降低成本是现 代先进制造技术发展趋势之一。内高压正是在这样的 背景下开发出来的-种利用液体压力使工件成形的塑 性加工新工艺[1]。它以管件为坯料，使用专用设备向 管件腔内注人超高压液体，同时轴向进给补料，把管 坯压人模具型腔使其成形为所需工件[ 2 _3]。内高压成 形能有效地降低零件重量、减少模具数量、提高生产 效率，因此受到工程技术人员和科研工作者的广泛 重视[ 4 _6]。 内高压成形控制系统是内高压成形技术的核心， 控制系统是否可靠，直接关系到整个系统的成败。如 果加工的工件是对称的，则需要轴向两侧缸位置同 步。内高压成形过程中的两侧缸位置同步控制的效 果 ，直接关系到产品质量的好坏，因此，对于这个问 题的研究，具有重要的意义。目前，国内对内高压成 形两侧缸位置同步控制方面的研究比较少，其中上海 交通大学基于LabVIEW界面仿真工具包进行了内高 压成形两侧缸位置同步控制的实时仿真研究及现场实 收稿日期 2014-09-26 作者简介 高娟娟（ 1987，女，硕士，讲师，研究方向为多变量协调控制、空间机器人建模与控制的研究。E-mail gaojuanjuan_2008。 第 23期高 娟 娟 等 基 于S7-300 PLC的内高压成形机位置同步控制试验研究 87 * 验[ ”];哈尔滨工业大学对内高压成形液压设备控制 系统进行了试验研究[9]，以及基于气液增压模拟试验 平台进行了单侧缸位置控制的试验研究[10]。 文中基于多变量协调控制系统，专门开发了两侧 缸位置同步控制试验平台进行试验研究。就内高压成 形控制系统的主控制器而言，国内主要采用工控机或 者普通P LC如三菱PLC，对于工控机而言，由于没 有集成的算法模块，编程工作特别繁琐；而普通PLC 可靠性相对差些，编程方式单一，指令复杂，且兼容 性差。文中研究的试验平台采用德国西门子S7-300 PLC作为主控制器，该P LC具有强大的功能支持， 速度快、稳定性高、运算能力强，采用模块化编程， 具有传统P LC系统无法比拟的强大功能。此外，将 S7-300 PLC与W inCC组态软件相结合，能实现对整 个控制系统的在线监控。由于S7-300 P LC编程软件 中集成了 P ID模块，因此在进行P ID试验之前，首 先对两侧缸位置控制系统进行P ID仿真研究，包括 建立该系统的数学模型，选择同步控制策略，搭建仿 真模型进行仿真，仿真结果表明了采用P ID控制器 及同步控制策略的可行性，进而进行了单侧缸位置闭 环P ID控制及两侧缸位置同步P ID控制试验，为基 于S7-300 P LC的内高压成形控制系统的实际应用提 供了试验依据。 多变星协调控制系统试验平台组成及建模 1. 1多变量协调控制系统试验平台组成 多变量协调控制系统试验平台主要由液压泵站、 水 平 缸 （ 两侧缸） 、检测与反馈元件、计算机控制系 统这几部分组成，如 图 1所示。 图1多变量协调控制系统试验平台 在文中研究的多变量协调控制系统的试验平台 中，液压控制元件采用比例方向换向阀，它造价较 低、抗污染能力高、性能良好，广泛应用于需要较高 同步精度的主机上[11]。液压执行元件是左右两侧液 压缸，分别都装有位移传感器和力传感器，通过计算 机控制系统进行精确位移控制，图2 所示为多变量协 调控制系统试验平台的液压原理图。 1 一吸 油 口 过 滤 器 2柱 塞 栗 3髙 压 板 式 过 滤 器 4 一单向阀 5二 位 二 通 换 向 阀 6 电 磁 溢 流 阀 7压力表 8压力表开关 9 一 电 磁 比 例 换 向 阀 10压 力 传 感 器 11 一液 压 缸 12蓄能器 13 电 磁 比 例 溢 流 阀 14 一 力 传 感 器 15位移传感器 16可_ 节流量运希j阀17 黾接点压力表 18流 量 计 19 一回油过滤器 图2多变量协调控制试验平台液压原理图 1. 2多变量协调控制系统的数学建模 图2 所示的多变量协调控制液压系统由两路相同 的阀控缸液压回路组成，故在对系统建模分析时以其 中一个回路作为研究对象[12-4]。 比例方向换向阀开环数学模型为 8 8 W 011v」 1 v WV I 8 8vs -P 式中V为阀固有频率 ⑴ 5 为阀阻尼比 , ; 2 V 〇8V S e 8se为等效弹簧刚度 8se8fe8vs。 对阀芯位移实现闭环控制，反馈增益为8 , 其 传递函数方框图如图3 所示。 图3比例换向阀控制传递函数框图 当W为输入时上述回路的开环传递函数为 9 88 W _ / 2 5 0 r 1 2 88 * 机床与液压 第 4 3 卷 定信号分别与左右位移传感器反馈位移值的差值作为 左右侧缸P ID控制器的输入； “ 主从” 即以一侧为 主，输出信号去影响另一侧的输出，文中仿真以右侧 缸位置控制为主，右侧输出位置信号J与左侧输出 位置信号J作比较，差 值 经P ID控制器进行运算， 其输出信号与左侧缸位置控制系统的P ID控制器的 输出信号相加去控制左侧比例换向阀。 2 . 2 控制系统仿真模型 文中采用P ID控制器以及“ 同等主从”的同步 控制策略，基于得到的内高压成形单侧缸位置控制系 统的数学模型，查阅相关系统参数的手册并进行计 算 ，在M atlab中 的Sim ulink中搭建出两侧缸位置同 步控制系统仿真模型，如图6 所示。 图 两侧缸位置同步控制系统仿真图 2. 3仿真结果及分析 基于P ID的内高压成形两侧缸位置同步控制系 统，仿真结果分别如图7、8 所示。 70 式中 8 8 8 “vse 其闭环传递函数为 6 8X 丄 1 4 8k 、 CC ⑶ 由上述所得单侧缸比例位置控制系统方框图如图 4 所示。 图4单侧缸位置控制系统传递函数框图 2两侧缸位置同步控制系统仿真研究 2. 1控制器及控制策略的选择 在硬件一定的情况下，影响内高压成形过程中的 两侧缸同步控制精度的因素主要是控制算法和控制策 略的选择。 就控制算法而言，内高压成形机是工程性很强的 设备，其系统应该在满足性能指标的前提下，控制方 式应当尽量简单可靠，控制策略易于实现，因此在文 中对基于S7-300 P LC的内高压成形两侧缸位置同步 控制试验平台的研究中，采用工业控制中结构简单、 调整方便、成熟可靠、应用最为广泛的P ID控制[10]。 就同步控制策略而言，“ 同等方式”和 “ 主从方 式”是两种通常采用的控制方式，如果要获得高精 度的同步输出，这两种方法都有一定的局限性。“ 同 等方式”很难达到较高的静、动态控制特性，“ 主从 方式”在响应的过渡过程中，存在较大的动态同步 误差。文中采用“ 同等主从”控制方式，以保证位 置同步控制系统获得较好的动、静态品质[15]。 文中的两侧缸位置同步控制系统结构图如图5 所 示。 图5两侧缸位置同步控制系统结构图 图中，“ 同等”即给定信号相同，相同的位移给 10 20 30 40 50 60 t/s a位移50 mm 图7阶跃给定PID控制仿真曲线 ----► 左液压缸 ill PID控制器1 ►胃 胃 胃 一 ► 右液压缸 ooooooo o r 6 5 4 3 2 1 -1 11 目/_猞赵 50505050 5 3 3 2 2 1 1 - H I日/_猞赵 定移号 给位信 第 23期高 娟 娟 等 基 于S7-300 PLC的内高压成形机位置同步控制试验研究 89 * 0 10 20 30 40 50 60 tls b斜率2 mm/s 图8斜坡给定PID控制仿真曲线 图 7 的给定位移值为阶跃信号，并在15 8及 25 s 时分别给右缸和左缸加入阶跃扰动信号；图 8 的给定 位移值为斜坡信号，并 在 25 c及 35 c时分别给右缸 和左缸加入阶跃扰动信号。 由P ID仿真图7 可以看出，给定位移信号为阶跃 信号时，开始两侧缸位移同步，并 在 8c左右稳定达 给定位移值；在 15 s时，右侧缸加入阶跃扰动信号， 左右位移值都有小幅变化，并 在 20 c左右回到给定 值 ；在 25 c时，左侧缸加入相同的阶跃扰动信号， 其位移值有较小变化，并在28c左右回到给定值，期 间右侧缸位移值不变。 由仿真图8 可以看出，给定位移信号为斜坡信号 时，开始两侧缸位置达到同步，但是跟给定值有少许 偏差，之后都跟踪上给定；在达到终值时，两侧缸都 有少许超调，并能很快达到给定终值；同样在加入阶 跃扰动之后，都能很快的回到给定终值。 通过分析仿真曲线可以看出，采 用 “ 同等 主 从”的控制策略及P ID控制器，系统能很好很快地 跟踪给定，且超调量较少，并能有效地抑制干扰，降 低干扰信号对两侧缸位置同步控制的影响，同步控制 精度高，为进行基于S7-300 P LC的两侧缸位置同步 P ID控制的试验研究提供了理论依据。 3两侧缸位置同步控制系统试验研究 根据研制的多变量协调控制模拟试验平台，进行 单缸位置P ID控制及两侧缸位置同步P ID控制试验， S7-300 P LC与U n C C结构图如图9 所示。试验平台 以S7-300 PLC作为下位机，在编程软件STEP7 中进 行模块化编程，包括主程序，电机启停控制子程序、 系统保护子程序、模拟量检测子程序、手动子程序及 自动子程序等，并在组织块OB35 中调用P ID模块对 左右缸位置进行闭环控制；以U n C C组态软件作为 上位机进行监控界面的设计，包括启动画面、手动画 面、状态画面、报警画面、曲线画面、参数设置画面 等，W inCC部分监控界面如图10所示。 图9 S7-300 PLC与WinCC结构图 图10 WinCC监控界面 在内高压成形过程中，两侧缸在推进时受到的外 界负载力是变化的，所以为得到更准确的试验结果， 在进行两侧缸位置控制系统的模拟试验时，在两侧缸 之间加入弹簧模拟变化的负载力[10]。 3. 1 单缸位置控制试验结果分析 对于两侧缸位置控制系统的模拟试验平台，两液 按钮、检测触点等 I I I S 电磁比例换向阀等 电 运 輪 出 压 力 传 感 器 4 压 力 传 感 器 5 90 * 机床与液压 第 4 3 卷 5 10 15 20 25 30 时间/s b斜率为4 mm/s 图1 2 单缸弹簧压缩量为10 mm作为初始位移 3. 2 两侧缸位置同步控制试验结果分析 为进行两侧缸位置同步控制系统的模拟试验，将 弹簧置于两侧液压缸中间，并控制两侧液压缸向前移 动使其上的力传感器分别与弹簧左右侧座贴合。此时 测得左右位移传感器读数都为 0 mm，弹簧压缩量为 0, 以此作为位移的零位进行试验。 由于弹簧压缩量控制在50 m m以内，所以将两 侧缸的位移量都设为25 mm，分 别 采 用 “ 同等方式’ ’ 及 “ 同等主从”这两种控制策略进行两侧缸位置同 步控制试验，分别得到如图13及 图 14所示的响应曲 线 ，其中实线为给定位移曲线，虚线为右侧缸位移响 应曲线，点线为左侧缸位移响应曲线。 从两侧缸位置同步P ID控制的试验结果可以看 出，采 用 “ 同等方式”和 “ 同等主从”这两种控制 策略，在不同斜率的条件下，两侧缸都能较好地跟踪 位置给定，且同步误差较小；另外，由于外界因素如 左侧采用的是手动电磁溢流阀，右侧采用的是比例溢 流阀造成两侧压力输出控制的不同，以及弹簧负载的 性能等因素的干扰，在达到最终位置时有时还有一些 扰动，两种方式都能很快的消除扰动，抗干扰能力 强。但是相比较而言，采 用 “ 同等主从”的控制策 略，同步控制精度更高，控制效果更好，抑制干扰能 力更强。 1 一给定位移曲线 2一右侧缸响应由线 压缸最大行程为200 mm，最大压力输出为14 MPa， 调节右侧电磁比例溢流阀，使右液压缸输出压力控制 在 10 M Pa以内，控制左液压缸回程到原位，将弹簧 左侧座与左液压缸上固定的力传感器贴合，然后控制 右液压缸向前移动，使其上固定的力传感器与弹簧右 侧座贴合，此时右位移传感器读数为115 mm，弹簧 压缩量为0。测得弹簧压缩量为50 m m时，力传感器 输出8.4 kN，考虑到力传感器最大量程为10 kN，所 以在试验过程中，将弹簧压缩量控制在50 m m以内。 为模拟内高压成形加载过程中，侧缸推进位移跟 踪不同斜率的斜坡响应信号，利用液压缸对不同斜率 的斜坡信号的响应来测试系统的性能。另外，为了得 到在不同范围负载力下的斜坡响应，分别选择弹簧压 缩量为0 10 m m时作为位移的零位，通过在线调整 P ID模块的3 个参数GAIN、T I和TD，最终得到右液 压缸对不同斜坡信号响应曲线，分别如图11、12 所示，其中实线为给定位移曲线，虚线为右侧缸响应 曲线。 从单缸试验结果可以看出，对于不同的斜率以及 不同的负载力的条件下，采用位置闭环P ID控制， 单缸都能很好的跟踪位置给定，定位精度保证在 0. 05mm，满足控制要求。 o o o o o 5 4 3 2 1 0 1 1 1 1 / _ 狳 o o o o 4 3 2 1 日 111/_猞赵 第 23期 高 娟 娟 等 基 于 67-300 PLC的内高压成形机位置同步控制试验研究 * 91 * 4结束语 应用自主研制的多变量协调控制系统的试验平 台，建立了内高压成形侧缸位置控制系统数学模型， 采用P ID控 制 器 及 “ 同等 主从”的控制策略进行 Simulink仿真，仿真结果表明，采 用P ID控制具有试 验的可行性；基 于 67-300 P LC进行单缸位置P ID控 制试验及两侧缸位置同步P ID控制试验，试验结果 表明，采用S7-300 PLC作为主控制器，选 择 “ 同等 主从”的控制策略，进 行P ID位置闭环控制，系统 能很好地跟踪位置给定，同步控制精度高、误差小， 并能很快地消除外界干扰，能够满足控制要求，为基 于S7-300 P LC的内高压成形控制系统的实际应用提 供了试验依据。 参考文献 [1] 苑世剑， 王仲仁内高压成形的应用进展[J].中国机械 工程， 2002,139783-786. 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