车轮压轧线全液压重载机械手自动控制系统.pdf

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2 0 1 3年第 9 期 总 第 1 6 3期 冶 金 动 力 ME T A L L U R G I C A L P l 忸R 6 3 车轮压轧线全液压重载机械手自动控制系统 张世 友 马钢股份有限公司自 动化工程公司 , 安徽马鞍山 2 4 3 0 1 1 【 摘要】 介绍了机械手控制系统的硬件结构和软件结构、 系统组成, 以及机械手功能和实现方法。操作人 员可以利用动作指令对机械手的动作顺利进行人为设定 , 使机械手在安全操作的允许范围内完成各种动作; 由 于本机械化属于重载机械手, 为了保证人身和设备的安全, 在设计的过程中考虑了多种安全保护功能。 【 关键词】 机械手; 控制器; 动作指令; 编译和下载 【 中图分类号】 Ⅱ, 2 7 【 文献标识码】B 【 文章编号 】 1 0 0 6 6 7 6 4 2 0 1 3 0 9 - 0 0 6 3 - 0 4 Th e Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m o f F u l l y - h y d r a u l i c He a v y l o a d M a ni p ul a t o r i n Tr a i n W h e e l Ro l l i ng Li n e ZHANG S h i y o u f Au t o ma t i o n E n g i n e e r i n g C o m p a n y Ma ans h an I r o n a n d S t e e z C o . ,L t d . , Ma a n s h a n , An h u i 2 4 3 0 1 1 ,C h i n a 【 A b s t r a c t ] T h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e s t r u c t u r e s a n d s y s t e m c o m p o s i t i o n o f th e c o n t r o l s y s t e m f o r ma n i p u l a t o r a n d t h e ma n i p u l a t o r ’ s f un c t i o n s a nd r e a l i z a t i o n o f t he s e f u n c t i o n s are i n t r o d u c e d .T h e o p e r a t o r s c a n u s e a c t i o n c o mma n d s t o s e t u p mo v e me n t s e q u e n c e o f t h e ma ni p u l a t o r ,e n a b l i n g i t t o c o mp l e t e a c t i o n s wi t h i n t he r a n g e o f s a f e o p e r a t i o n.As i t be l o n g s t o h e a v y l o a d ma n i p u l a t o r ,v a r i o u s s a f e t y p r o t e c t i o n f u n c t i o n s h a v e b e e n i n c o r p o r a t e d i n t h e d e - s i g n t o e n s u r e t h e s afe t y o f b o t h h u ma n a n d e q u i p me n t . 【 K e y w o r d s ] m a n i p u l a t o r ; c o n t r o l l e r ; a c t i o n c o m m a n d ; d e c o d i n g a n d d o w n l o a d 1 前言 在马钢热轧车轮系统 中, 从加热炉到除鳞机 、 压 机、 轧机 、 冷床等的传递是 由机械手来完成的。马钢 车轮公司 线 的机械手全部 由德国 G L A MA公 司 生产制造, 其电气控制系统采用西门子工控机作为 P C机 , 附加特殊功能板进行控制 , 程序编写完成后 打包成可执行文件 。在生产维护过程 中, 一旦出现 技术问题将很难得到技术支持 , 这样将直接影响生 产和效益 。全液压重载机械手在电气控制方面国内 没有成功范例, 国外在技术方面不公开, 技术支撑成 为现有机械手系统维护的瓶颈 , 定位精度高成为国 外厂商漫天要价的法码。马钢公 司为了摆脱国外厂 商 的制约 , 决定整个机械手由马钢公司 自己设计制 造 , 机械部分由马钢第二机制公司设计制造 , 电气 自 动控制由马钢自动化工程公司负责。 本着系统结构紧凑、 功能灵活、 成本低廉、 维护 简单等原则 ,这个 自动控制系统 主要采用西 门子 S 7 3 0 0 P L C 、 U MA C控制器和 H MI 人接 口计算机 配合工作完成该项 目, 实现机械手控制要求的所有 控制功能。 2 机械手功能介绍 该机械手的机械结构为四联杆机构。由液压 比 例伺服阀驱动, 实现手臂的伸缩、 手臂的升降、 机座 的旋转、 夹钳开闭、 钳头旋转等一系列动作, 完成将 重达 7 0 0 k g 的坯料在生产设备之间传递; 为了提高 产品的合格率和品质, 要求个别机械手的重复综合 精度 l m m 。 这对工件重量达 7 0 0 k g , 运动距离长达 5 m的机械手来说 , 要求极其苛刻。 机械手主要有如下三种操作模式 紧急手动摸 式、 手动摸式和自动模式, 操作模式可以通过操作台 按钮或 HMI 画面随时切换。 2 . 1 紧急手动模式 在紧急手动方式下, 机械化手的动作不受任何 限制, 各个运动轴可以在机械允许运动范围了自由 运动, 这时机械手的安全保护功能全部解除, 设备的 安全由操作人员负责, 动作速度可以通过 H M I 设定 允许输出最大电压来人为控制。这时控制信号由 S 7 3 0 0 P L C通过模拟量模板给出。 冶 金 动 力 ME T AL LU RGI CAL P O WER 2 0 1 3年第 9期 总 第 1 6 3期 2 _ 2 手动模式 在手动方式下 ,机械化的动作要受到位置参考 表中各位置的设定值的限制 , 为了保证设备的安全, 机械手只有 C轴 机座旋转轴 处于位置参考表 中 C 轴 的设定范围内才允许伸出、 升降和夹钳开闭动作 ; 在 C轴不处与位置参考表 的任何位置时 , 机械手只 能旋转 , 不允许有其它动作 ; 在机械手臂伸出时机座 不允许旋转。这时控制信号也是由 S 7 3 0 0 P L C通 过模拟量模板给出。 2 . 3自动模 式 在 自动模式下 , 将 H MI 换面上编制的机械手动 作顺序程序编译成相应 的 U MA C运动程序 , 下载到 U M AC控制器中, U MA C控制器根据相应的运动程 序, 输出相应的控制信号, 控制机械手各个轴运动的 加速度、 速度和距离 , 完成机械手整个动作 的控制。 同时机械手的安全连锁仍然有效 , U M AC控制根据 机械手当前位置和位置参考表中的位置进行 比较 , 决定机械手下一动作的条件是否满足, 如不满足 , 机 械化将停在当前位置 , 等待人工处理。 3 系统的硬件及 网络结构 本系统硬件主要由以下部分组成一套西门子 S 7 3 0 0 P L C 、两套美 国 D E L T A T A U 公 司的 U MA C运动控制器 、一 台西 门子 R a c k 5 4 7 B工业计 算机组成, 控制两 台机械手 其中两台机械手的公共 液压站、操作台操作的逻辑控制和机械手的手动功 能全部由一套 S 7 3 0 0 P L C完成 ;两台机械手的自 动运动控制 由两套 U MA C控制器分别完成 , HM I 操 作画面在一台工业计算机上运行两套 机械手控制 系统 v 1 . 0 软件 , 通过操作 台上的按钮进行切换分 别显示不同机械手的操作画面实现,系统网络结构 图如 图 1 。 图 1 系统 网络结构 图 3 . 1 西门子 S 7 3 0 0 P l_ C部分 S 7 3 0 0 P L C主要有 P S电源模板 、 C P U模板 、 C P 模板等组成主站和 E T 2 0 0从站通过 P r o fi b u s D P网 络组成 , 完成机械手手动控制和液压站 的启动停止 控制。 3 . 2 UMA C 运动控制器部分 U MA C运动控制器是美 国 D E L T A T A U 公 司 生产的多轴运动控制器 , 是世界上功能最强大、 计算 速度最快、 质量最可靠 的运动控制产品之一 。它的 处理器采用 Mo t o r o l a D S P 5 6 3 0 3系列数字信号处理 器 1 6 0 MH z 。控制器外型呈 3 U框架结构, C P U卡 可 以通过 T C P A P协议 或 U D P协议 与上位机通讯 , 也可以连接到 网络上通过网络进行控制 , 另外还支 持 U S B 、 串口以及光纤等传输方式。U MA C具有灵 活的编程语言, 最多可控制 3 2 轴同时运动 , 最多可 设置 l 6 个坐标系, 具有优秀的直线、 圆弧插补、 s曲 线加减速、 伺服 I D控制、 P L C控制能力并提供各种 控制命令、 函数。 基于 U MA C的强大功能, 它被广泛 用于机器人、 食品加工、 机床 、 印刷 、 物流输送等各类 自动化设备中。 该 U MA C控制器主要 由下几个模块组成 电 源 、 C P U卡 、 A C C 一 2 4 E 2 A轴卡 、 A C C 一 7 2 E P r o fi b u s 、A C C 一 5 3 E S S I 绝对值编码器 卡等。该系统中轴卡 采 用 的 A C C一 2 4 E 2 A轴 卡 是 一 种 输 出信 号 为 一 1 0 V~ 1 0 V的模拟量输出卡 , 最多可控制 4 轴 , 用于 驱动机械手上 的比例伺 服 阀; A C C 一 7 2 E用于通过 P r o fi b u s 和西门子 S 7 3 0 0 P L C 的 P r o fi b u s D P口完 成 U MA C控制和 S 7 3 0 0 P L C C P U的通讯 ,完成手 自动信号、机械手位置 、连锁等信号的交换; A C C 一 5 3 E用于完成机械手各个轴的 S S I 编码器位置信号 采集 , 和 U MAC控制算法形成 闭环系统 , 实现机械 手的精确定位。 3 . 3 工业计算机部分 工业计算机是这个机械手控制系统的中心 , 其 主要运行 Wi n d o w s X P 操作系统软件和自主开发的 机械手控制系统 v 1 .0 软件, 实现对控制参数的设 置和下载及运动程序的编制和编译下载。 4 软件结构及 实现 机械手这个 系统 的软件 主要有三部分组成 s 7 3 0 0 P L C逻辑 控制软件 、 U MA C运 动控制器 的 2 0 1 3年第 9 期 总 第 1 6 3 期 冶 金 动 力 ME r A L L U R G I C A L P O WE R 6 5 P L C程序和运动程序、 工业计算机上的 机械手控制 系统 v 1 . O 软件。 4 . 1 S 7 3 0 0 P L C软件结构及实现 本控制采用一套 P L C控制两台机械手,为了使 软件结构化, 同时减少调试时间, 将机械手所有功能 都按不同功能分成不同F C和 F B实现, 主要有液压 站控制 F C 、 机械手操作模式转换 F C、 机械手手动控 制 F C 、 S 7 , 3 0 0 P L C和各机械手通讯数据 发送 和接 受 F C 、 机械手和相邻设备接 口通讯 F C 、 机械手报警 F C 、 机械手和 H MI 通讯 F C、 机械手手动 限幅及位置 判断 F B、 带 S型曲线斜坡 函数发生器 F B 、 判断和相 邻设备 P r o fi b u s F D L通讯状态 F B等组成。 由于机械手和相邻设备位置较近, 为了避免机 械手误动作造成相邻设备和机械手的损坏. 在 7 3 0 0 P L C中设置的 6 4个参考位置,机械手 只能在这 6 4 个参考位置中的某些位置f 可 以根据需要在 HMI 上 设置1 具有伸缩、 升降和夹钳开闭动作做, 在其他位 置, 机械手只能在手臂缩回的情况下作旋转动作, 所 有这些功能都是由机械手手动限幅和位置判断 F B 配合机械手手动控制 F C实现。 为了使机械手的动作 比较柔和, 减小机械冲击 , 在加减速过程 中, 设计了 s形加速曲线 , 速度给定有 S 形曲线斜坡发生器 F B根据 给定速度 、 加减速时间 和 S形加速时间生成 ,通过比例阀控制机械手油缸 的给油流量 , 从而控制机械手的运动速度。 4 . 2 O MA C软件结构及实现 U M A C运动控制器重主要有三种类型的程序 P L c C程序 、 P L C程序 和 P r o g r a m运 动程序 ,其 中 P L C C程序是将编程软件 P E Wi n P r o 3 2软件 中编制 的程序经过编译生成机器码 然后下装 到 U MA C运 动控制器中执行 , 因执行 的是机器码 , P L C C程序 占 用内存小, 有较高的执行效率和较快的执行速度, 但 不能上装到 P E WI N P R o 3 2中 , P L C C 0 P L C C 3 1 共 3 2 个程序 ; P L C程序是将 P E Wi n P r o 3 2 软件中编制的 程序直接以文本 的形式下装 到 U MAC运动控制器 中, 由 u MA C控制器解释执行 , 其能上装到 P E WI N P R o 3 2中; P L C C程序和 P L C程序是循环扫描执行 , 主要完成逻辑运算和数学计算。 P r o g r a m运动控制程序主要完成机械运动的控 制 , 其中每一个机械手运动和 U MA C运动控制器中 的一个轴对应, 几个相关的轴可以组成一个坐标系 , 通过设置相应的 I 参数 ,可对每个坐标系的特性进 行控制;每个轴和 U M A C运动控制器中的电机对 应 ,通过设置相关 的 I 参数可对每个动作的特性进 行控制 。P r o g r a m运 动程序 由相关人员在 P E WI N P R o 3 2软件中编制或由其它软件根据一定规则 自动 生成 , 下装到 U MA C控制器 中, 由 U MA C鳃释执行 的 。 在机械手控制 中, 为减小 C P U的负荷 , 提高控 制精度, 所有的逻辑运算和数学计算全部采用 P L C C 程序 , 主要有三个 P L C C程序 , P L C C 0主要完成 H MI 数据 的更 新和 U MA C和 S 7 3 0 0 P L C通讯数据 的刷 新 ; P L C C 1主要根据 S 7 3 0 0 P L C发送给 U MA C的 各个轴的前后位置限定值判断下一动作是否允许执 行 ; P L C C 2实现运动模式 的切换 、 暂停功能的实现、 紧急缩回功能的实现、 P r o g r a m运动程序的启动和停 .止等。 为了消除各个轴之间的相互影响 ,将机械手的 6个轴分配在 6个坐标系统 内,每个坐标系只有一 个轴,这样各个轴就可以任意运动不受其它轴的影 响 ,可以实现几个轴在同时独立运动或某一轴运动 到一定位置其它轴开始运动等功能。 因机械手的动作较多、 动作顺序变化较大 , 通常 的固定式程序已不能满足工艺要求,为了能够适应 工艺要求 , 采用 了由 H MI 根据不同工艺由工艺操作 人员在 H MI 操作 画面中根据生产工艺和 自行开发 的动作指令编制生产动作程序, 由H M I 将动作程序 编译 生成 和 U MA c 6个 不 同坐 标 系对 应 的 6个 P r o g r a m运动程序 , 根据 U MA C的以太 网通讯协议 , 下载到 U M A C的程序缓冲区内,由 U M A C解释执 行 , 控制机械手产生相应动作 。 4 . 3 HMI 计算机软件及结构 H M I 计算机运行的是 自主开发的软件 机械手 控制系统 V 1 .0 . 该软件通过 T C P / I P协议直接与西 门子 S 7 3 0 0 P L C和 U M A C控制器实现高效通讯; 该软件主要完成系统配置的修改、 系统状态的监视 、 系统报警事件的产生和记录、 运动曲线的实时监视 、 用户权限的系统管理、 运动程序的编制和下装、 运动 参数的修改和保存等。 为了使机械手能够根据生产工艺的要求灵活改 变机械手 的动作 , 设计 了大约 8 O条左右的机械手动 作指令, 这些指令都是生产工艺人员可读的; 工艺人 员可以根据生产工艺对应的机械手的动作要求和相 应的语法规则编制机械手动作程序,程序编制好后 可 以保存到磁盘上。 由于在 H M I上编制的机械手动作程序 U M A C 6 6 冶 金 动 力 ME TAL L UR GI C AL P OWER 2 o 1 3 年第 9 期 总 第 1 6 3期 运动控制器是不能够执行 , U MA C控制器 只能执行 按照 U MA C运动程序语法规则编制的程序 ; 为了使 HMI 所编制的机械手动作程序能够被 U MAC控制 器执行 , 在 HMI 软件中实现 了将机械手动作程序按 照 U MA C运动程序语法要求编译成 U MA C的运 动 控制程序 的编译功能 ,然后根据 u MA C的通讯协 议, 将语法检查无误的程序下载到 U M A C程序缓冲 区中, 并进行保存。因机械手动作指令较少 , 且意义 明确 ,一般电气维护或生产工艺人员都可以编制机 械手动作程序 , 然后 由 H MI 中编译模块和下载模块 将 U MA C能够运行的程序下载到 U M A C中; 这样机 械手 的动作顺序就可以根据生产要求做非常灵活的 调整 , 节省了大量的人力和物力, 同时使整个机械手 的通用型大大增强 了, 运动程序生成流程如图 2 。 图 2 运动 程序生成流程 在编程机械手控制系统 中,考虑到机械手正常 运行过程 中通常只会在几个位置之间作往复运动 , 同时随着机械摩损 , 目标位置会发生偏移 , 运行一段 时间后需要对 目标位置的编码器值进行重新校正 ; 本方案设计 了参考位置功能 , 在 U MA C运动控制器 中设计了一张参考位置数据表 , 该表和 H MI 上相应 的表对应,同时配合相应的机械手动作指令完成参 考运动的功能。 在机械手位置发生偏移时 , 只需要在 HMI 的位置参考表中改变相应的参考位置 , 就可以 使机械手的目标位置发生变化 ,不需要修改机械手 动作程序 , 使系统的维护更为简单 , 操作非常灵活。 5 结束语 自2 0 0 8 年 1 1 月投产以来,根据生产的要求对 机械手控制系统作了部分调整 ,目前各项功能全部 满足生 产需 要 ,部分性 能指 标 已经超 越 了德国 G L A MA公司产品 , 完全可以替代进 口, 为马钢公司 节约了大量外汇 ,产生了巨大的经济效益和社会效 益 ;同时为类似项 目的实施积累了宝贵经验和锻炼 了人才队伍。 【 参 考 文 献】 【 1 ] D e l t a t a u D a t a S y s t e m, I n c .T u r b o P MAC U S E R M A NU A L A p r i l 1 9 9 8 【 2 ]D e l t a t a u D a t a S y s t e m,I n c .T u r b o P MA C / P MA C 2 S O F T WA R E REF ERENCE MANUAL Ap r i l 1 9 9 8 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 2 作者简介 张世友 1 9 7 4 一 男, 大学本科学历, 工程师, 现从事冶金 自动化方面技术工作。 上接第 6 2页 检测及 自动控制等现代化信息 和控制技术 ,实现对整个海水淡化生产过程 的高度 集成自动化控制。 自 从投入使用以来, 生产运行平稳 可靠 , 自动化控制效果 良好 , 提高了生产效率 、 降低 运行成本和劳动强度 ,取得了显著的经济效益和社 会效益。 【 参 考 文 献】 f l 】 郭巧菊. 计算机分散控制系统 [ M I ,北京 中国电力出版社, 2 0 0 8, 3 3 - 3 5 . [ 2 】 陈章平.i l - J 子 S 7 3 0 0 / 4 0 0 P L C 控制系统设计与应用【 M] , 北京 清华大学出版社 2 0 0 8 , 4 6 5 8 . f 3 1 刘华波等. 组态软件 WI N C C及其应用【 M 1 , 北京 机械工业出版 社 , 2 0 0 9 , 7 7 8 1 . 收 稿 日期 2 0 1 3 -0 4 一1 0 作者简介 曲径 1 9 8 0 一 , 男, 硕士研究生学历, 毕业于东北大学控制 工程专业. 工程师, 现从事 自动化设计工作 。
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