变截面汽车板簧轧机的控制系统设计

摘 要 I 摘 要 本文介绍了变截面汽车板簧轧机控制系统的组成原理与控制要求，采用 了电液伺服控制技术，选用 PLC作为控制器，按照给定的控制曲线，以闭环 的形式控制轧辊的压下量，从而生产出满足工艺要求的板簧。 该轧机具有自动和手动两种工作方式。在自动方式下，由安装在拉拔一 侧的旋转编码器检测并确定板簧位置，调用 通过参数设置保存在 PLC存储器 中的对应的压下量，轧机根据该压下量对板簧进行轧制，通过 13次轧制， 轧制出符合要求的变截面板簧。轧制过程中，使用 PLC内置的PID控制器实 现对轧制厚度的闭环控制，使轧制精度进一步提高。手动方式下可对轧机进 行相应调整。 根据板簧轧机控制系统的组成，选择电液伺服阀、液压缸、位置传感器 和PLC。该控制系统集机械、液压和计算机控制技术于一体，响应速度快， 轧制精度高，信号处理灵活，自动化程度较高，具有很好的应用前景和经济 效益。 关键词关键词：板簧轧机,控制系统,PLC,PID Abstract II Abstract This paper introduced variable cross-section mill control system vehicles banhuang I the composing principle and control requirements, the electric hydraulic servo control technology, choose PLC as controller, according to the given control curve to the form of the closed-loop control roll of reduction, which produce the banhuang I meet the technological requirements. This mill possesses automatic and manual two way to work. In automatic mode, by installing in drawing side of the rotary encoder and determine leaf-spring position detection in parameter Settings mediator, invoked the corresponding existing PLC memory of reduction, according to the press-down quantity of rolling mill of rolling, through on leaf-spring 1 3 times rolling, rolling out to meet the requirements of variable cross-section leaf-spring. Rolling process, USES PLC built-in PID controller to achieve the thickness of the closed-loop control, rolling rolling precision further improve to. Manual mode can adjust on the mill. According to the composition of the mill control system banhuang I choose hydraulic servo valves, electric and hydraulic cylinder, position sensor and PLC. The control system integrating machine, hydraulic and computer control technology in an organic whole, fast response time, high precision of rolling, signal processing flexible, automation degree is higher, has the very good application prospect and economic benefits. Keywords: leaf-spring mill, control system, PLC, PID 目 录 III 目 录 摘 要I ABSTRACT. II 目 录 . III 第一章 引 言.1 1.1 课题的背景和意义1 1.2 调研情况.1 1.3 设计任务.2 第二章 变截面板簧轧机控制系统总体方案的设计.4 2.1 汽车板簧的概述.4 2.2 控制方案的确定.4 2.2.1 电机伺服控制 与液压伺服控制 的比较 .5 2.2.2 PLC 控制与继电器 -接触器控制 的比较.7 2.3 板簧轧机控制系统的组成及原理8 2.3.1 板簧轧机的主要组成部分 .8 2.3.2 板簧轧机的工艺流程及原理 .9 第三章 控制系统的硬件设计 .11 3.1 液压缸的选型 11 3.1.1 液压缸的结构 11 3.1.2 液压缸的基本参数和选用 11 3.2 电液伺服阀的选型 13 3.3 位置传感器的选型 15 3.4 轧辊的选择 16 3.5 可编程控制器的选型 16 3.5.1 PLC 的选型 .16 3.5.2 PLC 的输入输出地址分配表 .17 3.6 PLC 接线原理图 19 目 录 IV 第四章 板簧轧机 PLC 控制程序设计.21 4.1 主程序设计 21 4.2 参数设定子程序 23 4.3 轧机曲线的求取子程序 25 4.3.1 轧制量的计算 25 4.3.2 斜线的求取 25 4.3.3 抛物线的求取 28 4.4 高速计数器编程 29 4.4.1 拉拔方向的高速计数器编程 30 4.4.2 厚度检测的高速计数器编程 31 4.5 PID 运算 . 31 4.6 手动子程序设计. 32 4.7 自动子程序设计. 32 结 论34 参考文献35 致 谢36 第一章 引言 - 1 - 第一章 引言 1.1 课题的背景和意义 我国钢板弹簧的生产技术相对落后 ，在过去的一段时间内板簧的需求较 少，且制造规格单一，钢板弹簧在国内的生产标准一直是恒定的部分， 制 造工艺简单。上世纪70年代末，国外一些关键的工序设备被引入到国内的 一些工厂。这些设备具有很高的精度和生产效率，但由于施工的复杂性和高 昂的价格使得难以维持。并且适用这些设备也有一些特殊的条件，使得国 内许多企业难以接受。我们自主研发的电液伺服变截面板簧轧机具有价格低， 生产率高，结构简单，维护费用低，运行更加稳定等优点。该轧机具有广 泛的应用范围和广阔 的市场前景。 钢板弹簧是汽车悬架系统的 不可或缺的组成部分，起着传递、缓冲车架 和车轮间一切力和力矩的作用。钢板弹簧性能优劣，直接影响到汽车行驶的 平稳性，操纵的稳定性以及承载能力。变截面的钢板弹簧具有截面等应力结 构特征和节省材料、 增长寿命、改善汽车行驶平稳性的特点。所以，研制变 截面板簧轧机具有很好的经济和社会效益。 中国工程院胡正寰院士曾说过：零件轧制是冶金轧制的创新领域， 21 世纪将会得到大力发展。 1.2 调研情况 变截面轧机是生产汽车变截面板簧的关键设备。它将加热到 950的等 截面弹簧钢板，通过拉拔机构拉拔及转动的轧辊压缩， 从而使其横断面按设 计曲线而改变。国内生产的汽车钢板弹簧有多片簧也有少片簧， 多片簧应 用比较广泛。钢板弹簧的成型方法各不相同。 变截面板簧的结构一般是等宽，厚度随宽度变化的。而使用过程中一般 要求变截面板簧在任意截面上受到的正应力大小相等，所以变截面板簧一般 第一章 引言 - 2 - 采用抛物线形状作为其变截面的形状，也有一部分板簧采用锥形和梯形变截 面形状。 目前国内钢板弹簧生产企业大都进口国外生产的板簧轧机，或者是使用 一些仿制品，或者是采用一些 比较简易的轧机，如英国西尔、德国波克 等 公司的部分产品。相比国内轧机技术， 国外轧机具有技术先进、自动化程度 和轧制精度高等优点，但是其结构复杂、购买及维护费用昂贵， 不能有效 地适合国内市场的生产要求 。而国内自主研发能力有限，目前生产的板簧生 产设备能够满足轧制精度要求的又不多。所以设计出具有造价低、生产效率 高、结构紧凑、运行可靠、维修简单、调整方便等特点的液压全自动变截面 板簧轧机显得尤为重要。 1.3 设计任务 1、简要阐述板簧轧机的工艺流程、工艺特点及其组成原理。 2、进行控制方案的比较，阐述所选控制方案的理由。 3、合理选择PLC的各种配置以及位置传感器、厚度传感器、比例伺服阀、 液压缸、轧辊等部件的型号与规格。 4、用PLC实现：按照汽车板簧截面的要求曲线，根据板簧的位置自动确 定轧制厚度，并能实现 13次轧制；实现自动与手动的切换；当发生紧急情 况时，使整个系统停止工作。 5、编制下列程序： （1）拉料系统高速计数部分； （2）轧辊辊缝间隙测量高速计数部分； （3）D/A输出部分及量程设置 ； （4）曲线参数的计算和斜线的求取； （5）PID运算； （6）各种逻辑关系的处理（主程序）。 第一章 引言 - 3 - 6、绘制主程序流程图和各子程序流程图。 7、绘制控制系统原理图和 PLC接线原理图。 第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计 - 4 - 第二章 变截面板簧轧机控制系统总体方案的设计 2.1 汽车板簧的概述 汽车板簧是汽车悬架系统的一个重要 工作部件，它的功能是传递和缓冲 车轮对车架的力和力矩。其性能的好坏直接影响运行稳定性和操纵稳定性及 承载能力。钢板弹簧簧片有等截面和变截面结构之分，等截面作为一种传统 的结构形式，板簧间接触紧、压力大、易疲劳、易造成材料的浪费。变截面 又称少片簧，随着现代汽车业的迅猛发展，变截面钢板弹簧由于具有等应 力，自重轻，节省材料，抗疲劳 等优点，成为悬架系统优先选择 之一。目 前国内变截面板簧的生产大部分采用折现形状，代替了抛物线形状，且采用 二次成型的工艺加工而成。 钢板弹簧的结构形式是等宽 变厚结构，如图 2-1 所示。横坐标数值是钢 板弹簧的长度，纵坐标是它的厚度。一方面钢板弹簧 沿 X 方向运动，另一 方面轧辊沿 Y 方向运动。 2.2 控制方案的确定 变截面汽车板簧轧机控制系统通常采用电机伺服控制和液压伺服控制， 因控制方式的不同，各有其利弊。 图 2-1 钢板弹簧的结构形式 第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计 - 5 - 2.2.1 电机伺服控制与液压伺服控制的比较 随着当代电子技术迅猛发展，电气传动控制系统得到广泛应用。电气传 动具有其自身的优点，能量传递方便、信号传递迅速、标准化程度高。然而 电机容易受到外在环境的影响，如温度、湿度、震动、腐蚀环境等。而且电 气元件容易受到磁通密度饱和现象的限制，在运用电气传动时往往会感到容 量不足，因而在实现低速运行和无级调速时会产生一定的困难。 伺服电动机又名执行电动机，分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。 在电机伺服控制系统 中，可作为执行元件，将接收到的电信号转换为电动机 轴上的角位移或是角速度输出。 液压系统根据控制方式和工作特性的区别，可分为液压伺服系统和液压 传动系统。液压伺服系统多为闭环控制，采用伺服阀等控制阀，以传递信息 为主，传递动力为辅，追求控制特性；液压传动系统多为开环控制，以传递 动力为主，传递信息为辅，追求传动特性。液压伺服系统中加入了检测反馈 元件，采用闭环反馈控制，可以形成比较精确的控制系统，因而其控制质量 受工作条件变化的影响比较小。然而，液压传动系统的工作特性由各组成液 压元件的特性和它们的相互作用来确定，其控制质量受工作条件变化的影响 比较大。 液压伺服控制是一种借助液体传动动力及信息的自动控制系统，是建立 在液压传动和自动控制原理基础上的。随着当代各部门、各领域对液压伺服 控制系统的需求不断扩大，特别是对高响应、高精度、高功率 质量比和 大功率的要求，促使液压伺服控制技术迅速发展，尤其是反馈控制技术在液 压装置中的应用，电子技术和液压技术的结合，使液压伺服控制得到日趋完 善和成熟。 液压伺服控制系统的组成 如图 2-2 所示。 输入元件：又称指令元件，发出控制信号，且与反馈信号具有相同的形 式和量纲。比较元件：比较控制信号与反馈信号。比较元件与输入元件，放 大、转换控制元件及检测元件在一起，由一个结构元件表示。放大、转换、 第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计 - 6 - 控制元件：先将偏差信号放大、再通过能量形式转换，将电、机、气信号转 变成液压信号，最终实现控 制执行元件的运动。 （伺服阀、放大器） 。 反馈检测元件：通过检测被控制量，给出反馈信号。（位移传感器） 执行元件：系统的最终执行部件，对控制对象起控制作用的元件。 （工 作台及其他负载装置） 液压伺服控制系统是由液压传动原理建立起来的伺服系统。液压伺服系 统的输出量（机构位移、力和速度），能够自动、快速且准确地复现输入量 的变化规律。并且还能实现信号的功率放大功能，如图2-3 所示。 此外，还可能有各种校正装置，以及不包含在控制回路内的能源装置和 其它辅助装置。 基本特点： （1）液压伺服系统属于自动跟踪控制系统。其闭环反馈控制，使得系统 的输出量随输入量变化规律而变化。 （2）液压伺服系统是属于有差控制系统。由比较元件发出的偏差信号， 为液压伺服系统的工作提供必要条件。 （3）液压伺服系统是一个反馈系统。使控制实现的更加稳定、准确。 综上所述，液压伺服控制系统的基本原理就是通过反馈控制环节，得到 偏差信号，再通过放大、转换、控制，利用偏差信号去控制液压能源输入到 输入元 件 放大、转换、控 制元件 液压执行 元件 控制对 象 检测元 件 比较元件 r (t)c (t) 图 2-2 液压伺服控制系统的基本结构 - 第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计 - 7 - 系统的能量，使系统向减小偏差的方向变化，从而使输出信号复现输入信号 的变化规律。通过比较液压伺服控制系统和电机伺服控制系统的优缺点，选 择电液压伺服控制系统。 2.2.2 PLC控制与继电器-接触器控制的比较 PLC 控制与继电器接触器控制是两种常用的控制方式，通过对两者的 比较，选择合适的控制方式。 1、组成元件特性的比较 PLC 控制通过 PLC 程序编程实现，是由许多所谓的 “软继电器”元件 组成，每个元件都有无数个触点，无使用数量的限制，不存在机械磨损现象， 属于软件结构。 工作台 反馈电位器 指令电位器 放大器 图 2-3 电液伺服控制系统 第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计 - 8 - 而传统的继电器接触器控制线路由许多现实的继电器和接触器组成， 触点有限，易磨损，属于硬件结构。 2、控制逻辑方式的比较 PLC 控制中，输入、输出信号之间的逻辑关系是通过PLC 内部编程实 现的，不需更改外部布线。如果要实现不同的控制功能，只需改变用户程序。 因此，PLC 控制系统操作起来比较灵活。 继电器接触器控制中，输入、输出信号之间的逻辑关系，是通过各种 继电器或与接触器之间的实际布线来实现的，完全由固定的硬件连接确定。 如果要实现不同的控制功能，必须更改布线，因此控制逻辑不易改变。 3、工作方式的比较 PLC 控制系统采用顺序控制扫描用户程序的工作方式。更加快速、准确。 继电器接触器控制采用并行控制方式，线路并行工作，当某个继电器 或接触器的线圈通电或断电时，该继电器或接触器的所有触点无论在控制线 路的哪个位置上，应该动作的触点都会动作。 此外，PLC 还有数据采集、存储和处理数据和通信等功能。功能丰富， 控制灵活，所以选择 PLC 控制。 2.3 板簧轧机控制系统的组成及原理 2.3.1 板簧轧机的主要组成部分 板簧轧机主要由主体部分、液压系统和电控部分组成。 其结构如图 2-4 所示： 1、主体结构：有分轧机主体和驱动机构，轧机主体有轧辊、修边机构、 伺服阀和伺服油缸等结构。上轧辊由电机驱动，为主动辊，垂直位置采用液 压驱动。 2、液压系统：液压系统主要包括液压站和液压缸。 第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计 - 9 - 液压站分为伺服回路和换向回路两个部分，其功能是为整个设备提供液 压动力。伺服回路由一台电机（ 37KW）单独供油，溢流阀控制液压系统压 力。普通换向部分供给伺服回路外的所有油路，由一台电机（ 30KW）油泵 控制，同样，也需要有相应的溢流阀控制压力大小。 液压缸有 4 个：伺服缸、拉料缸、夹紧缸、修边缸。 3、电控系统：电控系统由电控柜、操作台、 PLC 以及其它电气线路组 成。 2.3.2 板簧轧机的工艺流程及原理 变截面汽车板簧轧机采用电液压伺服控制系统，该系统由液压伺服系统 提供动力，采用 PLC 控制器控制。当加工工件的夹紧端碰到拉料小车底面的 定位挡板（行程开关）时，轧机钳口夹紧工件。由拉料装置在水平方向运动， 其中拉料装置由拉料小车、导向轴、夹紧装置组成，由水平的拉料油缸控制 器控制运动。水平方向旋转编码器将工件的位移信息传递给PLC，压下装 置中的旋转编码器将辊的厚度信息传递给 PLC。PLC 根据采集到的信息， 按照预定的轧制曲线输出信号控制伺服阀，伺服阀控制伺服缸的移动，伺服 PLCPC机 D/A放大器 伺服阀 伺服缸 修边装置 下辊 位移传感器 上辊 厚度传感器 图 2-4 板簧轧机结构图 第二章 板簧轧机控制系统的总体方案设计 - 10 - 缸驱动辊压下，经过 13 次轧制从而达到轧制要求。同时， PLC 采集电控 柜的按钮信号、限位开关、阀故障信号等信息， PLC 输出开关控制信号完成 对电磁阀的控制，从而控制修边缸，对板簧进行修边， 控制系统框图如图 2-5 所示 图 2-5 板簧轧机控制系统框图 PLC 压下位移编码器 拉料位移编码器 电控柜 伺服阀 限位信号 驱动泵站电机 指示和安全报警 安全检测 拉料、修边、托料、 电磁阀 第三章控制系统的硬件设计 - 11 - 第三章 控制系统的硬件设计 本章主要介绍伺服缸、伺服阀、传感器、轧辊和PLC 等硬件器件的选 型。 变截面板簧轧机控制系统的结构框图如图 3-1 所示： 3.1 液压缸的选型 3.1.1 液压缸的结构 液压缸主要是液压系统中最重要的执行元件，将液压能转变为机械能 ， 可实现直线往复运动 。液压缸是由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆、密封件和连 接键组成。根据需要，有些液压缸还有缓冲、排气等装置。液压缸结构简单， 使用维修方便，而且工作时没有传动间隙，运动平稳， 所以在液压系统中 有着广泛的应用。 3.1.2 液压缸的基本参数和选用 液压缸的尺寸主要包括缸的内径 D、活塞杆直径 d、液压缸的长度和活 塞杆的长度等。液压缸内径和活塞杆直径通常根据液压缸的推力和液压缸的 有效工作压力来决定，其确定方法与使用的液压缸设备类型有关。 第三章控制系统的硬件设计 - 12 - 图 3-2 液压缸 液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 可根据液压系统中的最大负载和选取的工 作压力来确定。液压缸由于用途广泛，其结构形式和尺寸多种多样。一般情 况下选择标准件，但有时也需自行设计。对于单杆液压缸，当无杆腔进油不 考虑机械效率时，由式 （3-1） 222 1112212 () 44 Fp Ap ApDpDd （3-2） 2 12 1212 4 () Fd p D pppp 有杆腔进油不考虑机械效率时，可得： （3-3） 2 11 1212 4 () Fd p D pppp 式中，一般选取回游背压=0。于是，公式便可简化，有杆腔进油时为： 2 p （3-4） 2 1 1 4F Dd p 根据生产的要求，结合设计要求，伺服缸选用 博世-力士乐液压缸，型 号为 CGS 2801000 200/295-100T06-6ZBMDL。如图 3-2 所示。 其性能参数如下： 1）推力：1000KN 2）行程：0100 mm 3）额定压力：28Mpa 4）活塞直径 D =250 mm， 活塞杆直径 d =200 mm 拉拔油缸选择的型号为 Y-HG1-E100/56*1700LJ1-HL10T1， 第三章控制系统的硬件设计 - 13 - 其性能参数为： 1）速度为：30m/min 2）额定压力：16MP 3）活塞直径 D =100 mm，活塞杆直径 d =56mm 4）行程：01700mm 5）推力：125.6KN 修边油缸型号为 Y-HG1-E50/36*50LZ2(160)-HL10，其性能参数为： 1）额定压力：16MP 2）活塞直径 D =50 mm，活塞杆直径 d =36 mm 3）行程： 050mm 4）推力：31.4KN 托料油缸型号为 Y-HG1-E40/22*185LF2-HL10，其性能参数为： 1）额定压力：16MP 2）活塞直径 D =40 mm，活塞杆直径 d =22 mm 3）行程：0185mm 4）推力：20.1KN 3.2 电液伺服阀的选型 电液伺服阀是电液伺服控制 系统中的关键元件，输入信号为模拟电信号， 输出信号为调制的流量和压力。电液伺服阀具有 很多优点，如响应速度快、 控制精度高、使用寿命长等， 成为电液伺服控制系统中 不可或缺的元件 。 伺服阀的规格可由伺服阀样本确定。伺服阀空载流量可以根据供油压 0 q 力和由负载流量（即要求伺服阀输出的流量）计算得到。伺服阀输出流 s q l q 量是限制系统频宽的重要因素，通常可去 15左右的负载流量作为余量。 第三章控制系统的硬件设计 - 14 - 图 3-3 伺服阀 选用时，一般要求伺服阀具有合适的外形尺寸，抗污染能力较强，且零偏小、 零漂小、非线性度小，还要考虑性价比。 计算负载压力，即液压缸所需流量，可由最大负载功率时的力 l p 得到。 lm F （3-5） Lm L p F p A maxp qA v 其中，为液压缸承载腔的有效作用面积；为最大功率时液压缸速度。 p A max v 计算供油压力： 5 p （3-6） 5 3 () 2 Lv ppp 其中，为伺服阀到执行元件间的压力损失。 v p 计算伺服阀的输出流量： L q （3-7）(1.15 1.30) L qq 计算伺服阀的压降： v p （3-8） 5vLv pppp 由与查阅压降负载流量曲线，得到对应伺服阀型号。为了保证 v p L q 在伺服阀范围内负载正常工作，需确保 。 5 2 3 L pp 根据液压缸频宽选择伺服阀频宽，且在一定程度上伺服阀频宽应高于 液压缸频宽。 综上所述，选择型号为 MOOG73 伺服阀， 如图 3-3 所示。 根据要求选择的伺服阀的性能参数如下： 额定流量：230L/min 供油压力范围：128MPA 额定电流：40mA 第三章控制系统的硬件设计 - 15 - 图 3-4 光电传感器 工作温度：-40135 滞环：4% 3.3 位置传感器的选型 位置传感器分为两种 ：直线位移传感器和角位移传感器。 直线光电编码器，由光栅盘和光电检测装置组成 ，通过光电转换，将 输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 角位移光电编码器，用以检测轴的角位移 ，通过光电转换，转换成相应 的电脉冲或数字量 。 经过综合比较，选用 两个增量式光电传感器， 如图 3-4 所示。 型号：光洋 KOYO TRD-N 系列 功率：0.1（KW） 额定电压：1030（V） 频率：100（KHz） 应用温度范围：-10+70 供电范围宽：DC 4.7530V 分辨率范围宽：800 脉冲/转 防尘型，防滴型，可延长电 缆的增强型 3.4 轧辊的选择 轧辊是使轧件产生塑性形变的主要部件，在轧制过程中轧辊承受着轧制 压力并将此负荷传给轴承。 轧辊由辊身、辊颈及轴头三部分组成。 第三章控制系统的硬件设计 - 16 - 轧辊的基本尺寸参数：轧辊的名义直径 D、轧身长度 L、辊颈直径 d 以 及辊颈长度 l。 轧辊的工作直径可根据最大咬入角（或下压量与辊颈之比） w D w Dh/ 和轧辊强度要求来确定。 按照咬入条件： （3-9） 2 2 2 1 cos 2sin () 2 w hhh D 式中，为最大咬入角。由轧制理论可知，即咬入角小于摩擦 p utan 系数可保证正常咬入，于是可得到： p u （3-10） p h u R 式中，R轧辊辊身的工作半径。 在初轧时，刚轧辊与轧件的摩擦系数一般为=0.50.6，这时= p u 25。 o 36 综上，设计选择的轧辊工作直径为 180mm。 3.5 可编程控制器的选型 3.5.1 PLC的选型 根据系统输入、输出点数和需要实现的各种功能的具体情况， 选择 SIEMENS S7-200 CN 可编程控制器。 工作流程如图 3-5 所示。 1、中央处理器的选型 在本设计中，S7-200 采用 CPU226，CPU226 集成 24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点。程序和数据存储空间 为 13KB。可连接 7 个扩展模块，最 大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。6 个独立的 30kHz 高 速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。2 个 RS485 通讯编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 第三章控制系统的硬件设计 - 17 - 端子排可很容易地整体拆卸。 PLC 的工作过程分为输入采样、程序执行 、输出刷新三个阶段 。采用 集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。 2、负载电源模块（PS） 负载电源模块将 AC220V 电源转换为 DC24V 电源，供 CPU 和 I/O 模块 使用。额定输入电流有 2A、5A、10A 三种。负载电源选择的额定输入电流 为 2A。 3、扩展信号模块选型 信号模块是数字量 与模拟量的输入/输出模块的总称，根据需要， 本设 计选择数字信号模块 EM223，16 点输入、16 点输出。 3.5.2 PLC的输入输出地址分配表 根据控制要求，选择了型号为 CPU226（24 输入、16 输出）的中央处 理器和数字信号扩展模块 EM223（16 输入、16 输出） ，总共 40 输入，32 输出，而编程选择了其中的 35 个输入，20 个输出。 液压站的油温控制、轧辊的冷却、电控柜按钮站、拉拔方向的制 动限 输 入 端 子 输 入 锁 存 器 输 入 状 态 寄 存 器 程 序 执 行 输 出 状 态 寄 存 器 输 出 锁 存 器 输 出 端 子 输入采样程序执行输出刷新 一个扫描周期 读 读 写 图 3-5 PLC 的工作过程 第三章控制系统的硬件设计 - 18 - 位、板簧到位、故障 报警等各相关部分间的开关量、电磁阀、指示灯、继 电器等执行件的端口分配如表 3-1 所示。 表 3-1 I/O 地址分配 序号 名称 地址编号 输入点 1 HCS0 A 相脉冲输入 I0.0 2 HCS0 B 相脉冲输入 I0.1 3 HCS0 复位输入 I0.2 4 手动/自动 I0.3 5 运转 I0.4 6 急停 I0.5 7 HSC1 A 相脉冲输入 I0.6 8 HSC1 B 相脉冲输入 I0.7 9 HSC1 复位输入 I1.0 10 工艺一 I1.1 11 工艺二 I1.2 12 拉料缸快进按钮 I1.3 13 拉料缸快退按钮 I1.4 14 上辊升按钮 I1.5 15 上辊降按钮 I1.6 16 钳口夹紧按钮 I1.7 17 钳口松开按钮 I2.0 18 托料缸升按钮 I2.1 19 托料缸降按钮 I2.2 20 修边开按钮 I2.3 21 修边关按钮 I2.4 22 编码器置零按钮 I2.5 23 坯料输送链按钮 I2.6 24 前进限位开关 I2.7 25 后退限位开关 I3.0 第三章控制系统的硬件设计 - 19 - 26 上升限位开关 I3.1 27 簧片至钳口板 I3.2 28 拉料泵启动按钮 I3.3 29 伺服泵启动按钮 I3.4 30 主机启动 I3.5 31 拉料泵吸油堵塞 I3.6 32 伺服泵吸油堵塞 I3.7 33 油温过高 I4.0 34 连续轧制 I4.1 35 拉料缸慢退 I4.2 输出点 1 拉料缸快进 Q0.0 2 拉料缸快退 Q0.1 3 拉料缸慢退 Q0.2 4 钳口夹紧 Q0.3 5 修边开 Q0.4 6 上辊升 Q0.5 7 上辊降 Q0.6 8 托料缸升 Q0.7 9 托料缸降 Q1.0 10 编码器置零 Q1.1 11 坯料输送链 Q1.2 12 轧辊冷却水 Q1.3 13 自动运转 Q1.4 14 手动指示 Q1.5 15 异常报警 Q1.6 16 伺服泵启动 Q1.7 17 拉拔泵启动 Q2.0 18 主电机启动 Q2.1 29 运算结束 Q2.2 20 模拟量输出 AQW0 第三章控制系统的硬件设计 - 20 - 3.6 PLC接线原理图 PLC 接线图如图 3-6 所示。 ： 图 3-6 PLC 接线图 I0.0 Q0.0 I0.1 Q0.1 I0.2 Q0.2 I0.3 Q0.3 I0.4 Q0.4 I0.5 Q0.5 I0.6 Q0.6 I0.7 Q0.7 I1.0 Q1.0 I1.1 Q1.1 I1.2 Q1.2 I1.3 Q1.3 I1.4 PLC Q1.4 I1.5 Q1.5 I1.6 Q1.6 I1.7 Q1.7 I2.0 Q2.0 I2.1 Q2.1 I2.2 Q2.2 I2.3 AQWQ I2.4 I2.5 COM I2.6 I2.7 I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 I3.6 I3.7 I4.0 I4.1 I4.2 COM HCS0 A相脉冲输入 HCS0 B相脉冲输入 急停 运转 手动/自动 HCS0 复位输入 HSC1 A相脉冲输入 HSC1 A相脉冲输入 拉料缸快进按钮 工艺二 工艺一 HSC1 复位输入 拉料缸快退按钮 上辊升按钮 托料缸升按钮 钳口松开按钮 钳口夹紧按钮 上辊降按钮 托料缸降按钮 修边开按钮 前进限位开关 坯料输送链按钮 编码器置零按钮 修边关按钮 后退限位开关 上升限位开关 伺服泵启动按钮 拉料泵启动按钮 簧片至钳口板 主机启动 拉料泵吸油堵塞 伺服泵吸油堵塞 油温过高 连续轧制 拉料缸慢退 DC 24V 拉料缸快进 拉料缸快退 上辊升 修边开 钳口夹紧 拉料缸慢退 上辊降 托料缸升 轧辊冷却水 坯料输送链 编码器置零 托料缸降 自动运转 手动指示 异常报警 伺服泵启动 拉拔泵启动 主电机启动 运算结束 模拟量输出 AC 220V 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 21 - 第四章 板簧轧机PLC控制程序设计 在设计PLC 控制系统时，应遵守以下基本 原则： (1)PLC应最大限度地满足被控对象的控制要求。 (2)保证控制系统可靠安全，且具有一定的保 护功能。 (3)应适当留有一定的PLC余量，以便扩展其功能。 (4)保证正常运行的前提下， 尽量使控制系统简单、经济。 4.1 主程序设计 根据板簧轧机的工作流程， PLC上电之后，首先进行故障检测，排除油 温过高、吸油堵塞等引起系统不能正常运行的故障，若出现故障，则向用户 提出警告。检测完毕之后，电机启动油泵电机先启动，其次是主电机。再进 行参数设定，输入最大长度、轧制道次、钢板的最大厚度、最小厚度等参数， 最后选择系统运行方式：若选择自动运行，按下自动按钮，启动自动子程序， 运行程序轧制板簧，直至结束后返回主程序。若选择手动运行，则手动对轧 机进行调节，轧制完成后返回主程序。主程序流程图如 4-1所示。 N Y N Y 开始 PLC 上电 电机启动 报警 参数设定 手动子程序 自动子程序 自动？ 结束 有无故障？ 图 4-1 主程序流程框图 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 22 - 主程序 PLC 梯形图编程如图 4-2 所示。 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 23 - 参数设定 轧制道次 轧制长度 轧制板簧的原始厚度 轧制板簧的最小厚度 轧制类型为斜线？ WEIXIEXIANWEIXI EXIAN 斜线抛物线 返回主程序 图 4-3 参数设置子程序流程图 NY 4.2 参数设定子程序 参数设置子程序主要满足不同类型板 簧的轧制，对数据初始化后，分别输入轧 制道次、轧制长度、板簧原始厚度、最小 厚度等参数，再选择轧制类型，即选择斜 线或是抛物线类型。完成子程序后将数据 存入寄存器以备调用，轧制道次存入变量 寄存器 VD0、轧制长度存入 VD5、 板簧的原始厚度存入 VD9、板簧 的最小厚度存入 VD13。之后返回 主程序。参数设置子程序流程图如图 4-3 所示。 图 4-2 主程序梯形图 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 24 - 编程如图 4-4 所示。 图 4-4 参数设置子程序梯形 图 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 25 - 4.3 轧制曲线的求取子程序 4.3.1 轧制量的计算 钢板弹簧在轧制过程中，一般由 1到3次轧制完成，且轧制量的大小决定 轧辊压下的程度，因此决定钢板轧制程度，所以轧制量的准确程度非常重要。 以下以三道次成形为例计算压下量。 最大变形量，即板簧原始厚度减去板簧最小厚度 ： z q （4-1） z qmb 第一道次的轧制量： （4-2） 1 2 mb q 第二、三道次的轧制量： （4-3） 1 2 2 q q 其中：厚度为 m ，最小厚度为b，轧制量为。q 4.3.2 斜线的求取 板簧斜线轧制曲线如图 4-5所示。 进行参数设置时，输入原始数据，设板簧的长度为 n、厚度为 m、压下量 设定两点=（130，m/2），=（n/2,m-q）。q 1,1 x y 2,2 x y 直线方程为： （4-4）ykxb x y 0 y 图4-5 板簧的斜线截面 130 n/2 1,1 x y 2,2 x y 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 26 - （4-5） 12 12 () 2 22 260 130130 22 mm mqq yyqm k nn xxn （4-6） 11 (2) 3903770 2 130*(260)5202 m qm mmn bykx nn 直线参数方程： （4-7） 23903770 2605202 qmmmn yx nn 求取的直线方程编写 PLC程序。程序流程图如图 4-6所示： 斜线求取子程序的步骤如下： （1）在参数设置子程序中输入已知参数，将最大变形量与本道次的轧制量 计算出来。 q （2）根据直线方程（ 4-7）编写斜线计算程序。值是从 1-1700 变化的，可 x 用 FOR 循环实现的变化，每次的最终结果存入 VD17 中。 x （3）建表。把 VD17 的数值依次存入以 VW37 开始的存储单元中。 斜线求取子程序 PLC 梯形图如图 4-7 所示。 斜线求取 计算最大压下量 计算单道次压下量 直线方程的求取 建表 返回主程序 图 4-6 斜线求取子程序流程图 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 27 - 图 4-7 斜线求取子程序 PLC 梯形图 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 28 - 4.3.3 抛物线的求取 板簧抛物线轧制曲线如图 4-8所示。 设两点还是和斜线时用的一样 =（130，m/2） ，=（n/2,m- 1,1 x y 2,2 x y q） 。 设曲线方程为： （4-8） 11 2 ()yp xxy 图4-8 板簧抛物线截面 图 0 y x 130n/2 1,1 x y 2,2 x y 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 29 - 抛物线求取 最大压下量的计算 单道次压下量的计算 抛物线方程的实现 建表 返回主程序 图 4-9 抛物线子程序流程图 代入得： 2,2 x y P= （4-9） 2 21 21 () 2() yy xx 2 () 2 (260) m q n 所以曲线方程为： （4-10） 2 () 2 2*(130) (260)2 m q m yx n 根据计算出来的抛物线方程编写 PLC 程 序，其流程图如 4-9 所示。求取抛物线的 PLC 程序见程序清单。 4.4 高速计数器编程 高速计数器的初始化步骤如下： 1) 用初次扫描存储位 SM0.1=1 调用初始化操 作的子程序； 2) 按控制要求对高速计数器的控制字节赋值； 3) 执行高速计数器定义指令； 4) 将新当前值装入新当前值双字中； 5) 将新预设值装入新预设值双子中； 6) 设置中断事件； 7) 执行全局中断允许指令； 8) 执行高速计数指令； 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 30 - 9）退出子程序。 4.4.1 拉拔方向的高速计数器编程 利用旋转编码器对拉拔方向的位移进行测量，再通过PLC 内置专用 I/O 口对旋转编码器的脉冲进行计数，经过转换后得到位移量。 PLC 梯形图编 程如图 4-10 所示。此程序设定高速计数器 HCS0 启动和复位输入高电平有 效，1 倍计数率的正交模式，计数方向为正方向，允许更新计数方向，允许 更新当前值，允许执行高速计数指令清除 HSC0 的初始值，置 HSC0 的预设 值为 17000，全局开中断，对 HSC0 执行高速计数。 4.4.2 厚度检测的高速计数器编程 高速计数器 HCS1 对厚度检测的脉冲进行计数，计数的结果传送给PID 图 4-10 拉拔方向高速计数器初始化程序 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 31 - 指令实现厚度负反馈的 PID 控制。厚度检测的高速计数器 PLC 梯形图编程 见程序清单。 程序设定高速计数器 HCS1 启动和复位输入高电平有效， 4 倍计数率的 正交模式，计数方向为正方向，允许更新计数方向，允许更新当前值，允许 执行高速计数指令清除 HSC1 的初始值，置 HSC1 的预设值为 8000，全局 开中断，对 HSC1 执行高速计数。 4.5 PID运算 闭环控制中的反馈环节可以提高系统的精度，本设计采用PLC 中的 PID 控制器实现了控制系统的闭环控制，提高了轧制精度。 使用 PID 指令向导生成 PID 子程序的步骤如下： (1)在“工具”菜单下点“指令向导” 。 (2)选择 PID，点击“下一步” 。 (3)选择回路“0”点击“下一步”。 (4)修改给定值范围的高限为 “8000”为厚度高速计数器的最大值，设置 比例增益、积分时间、采样时间、微分时间。点击 “下一步” 。 (5)在回路输入选项中选择 “单极性” “使用 20%的偏移量”其他选择默 认，点击下一步。 (6)本程序不需要如图说是的选项，点击 “下一步” 。 (7)选择建议地址从 VB3720-VB3839。 (8)命名 PID 子程序为 PID 控制，点击“下一步” 。 (9)点击“下一步” 。 (10)点击完成生成 PID 子程序，如图 4-11 所示。 这样就可以在主程序中 调用 PID 子程序。 图 4-11 PID 控制程序 第四章 簧轧机 PLC 控制程序程序设计 - 32 - 4.6 手动子程序设计 在调试机器或轧制新的板簧时，需用手动控制来进行调节。手动的 PLC 子程序见程序清单。根据操作站的按钮来控制如拉拔小车的快进、快退 和慢退，上辊的上升与下降，修边的开 /关，托料缸的上升与下降，加紧缸 的夹紧与松开等 PLC 编程梯形图见程序清单。 4.7 自动子程序设计 当开