（机械设计及理论专业论文）飞机风挡玻璃加工控制系统的硬件设计.pdf

叫1 人学顾t 学位论史飞机风挡玻璃加工控制系统的硬件设计研究生黄翔机械设计及理论专业指导教师侯力现代战机上使用的整体圆弧风挡玻璃是一种高分子复合材料，由于其在结构强度，光学性能、多功能性、安全可靠性、使用寿命等诸多方面的要求，制造技术含量大、涉及专业多，制造工艺复杂，是一种技术密集型产品，多年来国际上只有几个发达国家具备研发和生产能力成都飞机制造公司研制出我国第一套且是到目前为止唯一一套整体圆弧风挡玻璃成型系统，本课题是为该套成型系统实现自动控制在现代工业控制中，以可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r 。p l c ) 为控制器的p l c 控制系统已经完全取代了传统的继电器控制系统p l c是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种通用工业自动控制装置p l c 具有体积小、功能强、维护方便、程序设计简单，可靠性高等特点，可以构成复杂的工业过程控制网络，能够满足整体圆弧风挡玻璃成型合模控制系统的控制需求本课题的主要任务是研制以p c 、p l c 联合数据采集与控制为核心的整体圆弧风挡玻璃成型合模控制系统通过本课题的研究，主要取得了如下几方面的研究成果：1 系统的总体方案设计根据整体圆弧风挡玻璃的实际加工要求，在比较各传动方式优缺点的基础上，选择了液压系统为加工的执行机构。设计了以可编程序控制器( p l c ) 为核心，工业控制计算机为人机界面的分白式控制系统，通过传感器实时采集液压缸的力值和位移值，结合各关联参数。带入公式计算，得出结果为控制系统输出值，实现加工的自动控制2 构架以p l c 为核心的数据采集与控制系统通过分析系统控制需求，州川人学坝i 节仃毋置采用s i m e n s 公司的c p u 2 2 6 为控制核心，扩展3 个数字量组合梭块e m 2 2 3 ，2 个模拟量组合模块e m 2 3 2 。1 个模拟量组合模块e m 2 3 5 ，实现了p l c 控制系统数字量和模拟量的输入输出，并设计了拧制系统与外部设备的接口前端采用电阻应变称重传感器和光栅传感器采集现场数据运用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 和a c c e s s 建立上位机监控界面和数掘库管理系统。t d 2 0 0 c 文本编辑器作为辅助信息显示和编辑设备，具有显刁、操作模式，系统状态、自动加工阶段显示，故障代码和编辑加工参数的功能3 系统通讯网络的设计和实现选用s i m e n s 公司的多点接口( m u t i - p o i n l si n l e r f a c e , m p l ) 协议作为系统的通讯协议，设计了工控机一传感器通讯接口和工控机一p l c 通讯接口通讯程序使用v i s u a l b a s i c 编写，利用a c t i v ex 技术自定义a c t i v e ( 控件c o m m a d o p t o c x 实现上位机从传感器读取数据，自定义可执行文件p r o d a v e a c t i v e x c x c ，完成上位机与p l c 的通讯，即对p l c 存储区数据的存取。4 论述了系统的运行和维护。制订系统的月= 启和关闭规范，设计故障处理机制。编写p l c 、工业控制计算机和传感器等主要检测控制器件的维护规程，用软件实现了数据库维护，包括数据库备份、还原和定期删除记录关键词风挡玻璃自动控制p l cd c s 传感器m p in州川人7 坝i 学位置正硒eh a r d w a r ed e s i g no ft h ehe r ow i n d s c r e e nm o d e l i n ga u t o - c o n t r o l l i n gs y s t e mm a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r yp o s t g r a d u a t e ：h u a n gx i a n ga d v i s o r ：h o uuw h o l ea r cw i n d s c r e e nw h i c hw i d e l yu s e di nm o d e lf i g h t e rp l a n ei sh i g h - p o w e r e dc o m r m s i t e s 。b e i n gat e c h n o l o g y i n t e n s i v ep r o d u c t , t h ew h o l ea r cw i n d s c r e e nh 觞m a n ym r i c tr e q u i r e m e n t si ns t r u c t u r a li n t e n s i t y , o p t i c a lc a p a b i l i t y ,m u l t i f u n d i o n , r e l i a b i l i t ya n ds e l , v cl i f e ，a n di t sm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yi sc o m p l e x ，a n da sar e a s o no n l yaf e wd e v e l o p e dc o u n t r i e sh a st h ea b i l i t yo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ei tf o rm a n yy e a r s t h ef i r s ts e to fe q u i p m e n tf o rt h ew h o l ea r cw i n d s c r e e nm o d e l i n gi nc h i n ah a sd e s i g n e da n dp u ti n t os e r v i c ei nc h e n g d ua i r c r a f ti n d u s t r i a lc o , “d t h em i s s i o no ft h ep r o j e c ti sr e a l i z ea u t o - c o n t r o l l i n go ft h ee q u i p m e n t i nm o d e li n d u s t r a lc o n t r o ld o m a i n , a u t o - c o n t r o l l i n gs y s t e m sb a s e do l lp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) h a ds u b s t i t u t e dc o n v e n t i o n a l a yc o n t r o ls y s t e m s p l ci sb a s e do nm i c r o p r o c e s s o r ，a n di t saa l l p u r p o s ei n d u s t r i a lc o n t r o le q u i p m e n tw h i c hi n t e g r a t ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o - c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y p l ch a sf e a t u r e so fs m a l ls i z e , p o w e r f u lf u n c t i o n s c o n v e n i e n c ei nm a i n t e n a n c e , s i m p l ei nw r i t i n gc o d e sa n dh i g hr e l i a b i l i t y , a n di tc a nb eu s e dt of o r mc o m p l e xi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o ln e t w o r kw i t hi t sa d v a n g t a g e s 。p l cc a nb eu s e d 勰t h ec o r eo ft h ea u t o - c o n t r o l l i n gs y s t e m t h ep r o j e c ti ss e tf o n ht od e s i g nas u i to fa u t o - c o n t r o l l i n gs y s t e mt oa u t o m a t i z et h ew h o l ea r cw i n d s c r e e nm o d e l i n go fc h e n g d ua i r c r a f ti n d u s t r i a lc o ，l t d t h es y s t e mi sb a s e do ns 7 2 0 0c p u 2 2 6d e s i g n i nw h i c hp ca n dp l cw e r ec o n n e c t e db ys i m a t i cn e t ( m p i ) t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：m川人学颅i 学位论史i g e n e r a ld e s i g no fs y s t e m ss c h e m e a c c o r d i n gt ot h er e a lp r o c e s sr e q u i r eo ft h ew h o l ea r cw i n d s c r e e n ，a f t e rb e i n gc o m p a r e dw i t ho t h e rt r a n s m i s s i o nm o d e sh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mi su s e d 黔e x e c u t em a c h i n e d i s t r i b u t e dc o n t r o l l i n gs y s t e m ( d c s ) w h i c hi sc e n t e r e da r o u n dp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i sd e s i g n e d a n di n d u s t r i a lc o m p u t e ri su s e d 鹤h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e t h ef o r c ev a l u ea n dt h ed i s p l a c e m e n tv a l u eo fh y d r a e l i cc y l i n d e rw h i c ha r cc o l l e c t e db ys e n s o r sa n dr e l a t i n gp a r a m e t e ra r ec a l c u l a t e di nt h ef o r m u l a e t h ep r o c e s si sc o n t r o l l e da u t o m a t i c a l l yb yt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw h i c ha r co u t p u tv a l u eo ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e m 2 d e s i g nt h ed a t ac o l l e c t i n ga n da u t o c o n t m l l i n gs y s t e m 、w h i c h 甜eb a s e do l lp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 口l c ) t h ec p u 2 2 6o fs 7 2 0 0p l ef s i m e n s ) i ss e l e c t e d 笛t h ec o n t r o lc e n t e lt h r e ed i 舀t a ld a t am o d u l e se m 2 2 3 ，t w oa n a l o gd a i am o d u l e se m 2 3 2a n da na n a l o gd a t am o d u l ee m 2 3 5a r eu s e da st h ei n p u t o u t p u to fa n a l o gd a t aa n dd i 舀t a ld a t a ，a n dt h ej n t e r f a c e sb e t w e e nt h ec o n t r o ls y s t e ma n do u t s i d ee q u i p e m e n t si sd e s i g n t h ee p i g y n yc o m p u t e r sm o n i t o ri n t e r f a c ea n dd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ( d b m s ) a r ee s t a b l i s h e di nv i s u a lb a s i c ( m i c r o s o f t 。)a n da c c e s s ( m i c r o s o f t 。) t d 2 0 0 c ( t e x te d i t o r ) i su s e da sa s s i s t a n ti n f o r m a t i o nd i s p l a ya n de d i te q u i p m e n t i t 啪d i s p l a yo p e r a t i o np a t t e m ，s t a t eo ft h es y s t e m ，p r o c e s sp h a s e sa n dm a l f u n c t i o nc o d e s t h eu s e r 啪a l s oe d i tt h ep r o c e s s e sp a r a m e t e ro n i t 3 d e s i g na n de s t a b l i s ht h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fs y s t e m t h em u l t i p o i n ti n t e r f a c e ( m p i ) p r o t o c o l ( f r o ms i m e n s ) i sa d o p t e da sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sw h i c hl i n kt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dp l c , t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dt h es e n s o r si sd e s i g n e d t h ec o m m u n i c a t i o ng x ) d e sa r cw r i t t e ni nv i s u a lb a s i c ( m i c r o s o f t 。) ac u s t o mc o n t r o ln a m e dc o m m a d o p t o c xi sd e s i g n e dt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dt h es e b s o r s ac u s t o me x e c u t a b l ef i l en a m e dp r o d a v e a c t i v e x c x ci sw r i t t e nt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n d u s t r i a ic o m p u t e ra n dp l c i vhj 1 1 人学坳i 学位论卫4 d i s s e r t a t et h er u n n i n ga n dt h em a i n t e n a n c eo fs y s t e m t h ec r i t e r i o n so fs l a n u pa n ds h u t d o w nt h es y s t e ma g ec o n s t i t u t e d t h ep r o c e s sm e c h a n i s mo fm a l f u n c t i o ni sd e s i g n e d t h em a i n t e n a n c er u l e so fp l ci n d u s t r i a lc o n t r o l l i n gc o m p u t e ra n ds e n s o r sa r ew r i t t e n t h e d a t a b a s ei sm a i n t a i n e db ys o f t w a r ea u t o m a t i c a l l y i tc a nb a c k u pt h cd a t a b a s e , r e s t o r et h ed a t a b a s ea n dd e l e t et h eo v e r d u er e c o r do nt i m e k e y w o r d sw i n d s c r e e na u t o - c o n t r o lp l c d c ss e n s o rm p iv四川大学硕士学位论文l 绪论现代作战飞机的设计均是水泡式座舱和整体圆弧风挡玻璃，使飞机具有更优良的性能和良好的视野在我国，由于整体圆弧风挡玻璃的成型技术相对落后，以前的飞机均没有采用整体圆弧风挡玻璃为了提高作战飞机的性能，我国的新一代飞机设计也采用了整体圆弧风挡玻璃设计，这就对整体圆弧风挡玻璃的成型技术提出了要求1 1 选题意义人类能够飞行是本世纪最为伟大的成就之一一t 翻开军事航空史，我们可以清楚地看到，在不到1 0 0 年的时间里，军事航空技术的发展是惊人的，真可谓是日新月异进人本世纪6 0 年代，在世界范围内兴起了一场新技术革命，随着大批高技术在航空领域的运用，涌现了新一代航空高技术装备这些装备，在夺取制空权，进行空中打击，实现近距空中作战、空中侦察、紧急空运等战斗任务和战略奔袭任务中，发挥着越来越重要的作用。空军是军事航空技术发展到一定阶段的必然产物，早在1 0 0 多年前，当航空还处在气球和飞艇时代时，英国工程兵少校富勒尔就预言：未来战争可能由空中开始此后，意大利将军杜墨在制空权 一书中也进一步提出：“空军在未来战争中将起决定作用”他们的预言在现代战争中得到了印证2 0 世纪9 0 年代的几场局部战争，多数是以突然的空袭行动拉开战争绪幕。如以美国为首的北约发动的空袭科索袄的战争，则以单独的空袭行动就达到了战略目的海湾战争更是开创了大规模、高强度空袭战之先例事实证明，空中开始成为决定性战场，空中力量开始主导现代战场空军已经成长为当代高技术局部战争的主角，并成为决定战争胜负的决定性力量军用飞机作为高端技术密集的飞行器，其各个部件的材料和制造工艺都对其性能产生直接的影响现代作战飞机大多采用整体圆弧风挡玻璃设计，作为军机的。视觉之窗”，圆弧风挡玻璃是由有机玻璃平板绕锥体拉制而成的i i 儿2 j i j j ，四川大擘硕士学位论文它对军机的运行质量和性能的充分发挥起着非常重要的作用。风挡玻璃质量一方面决定于材质本身，另一方面则决定于成形过程。其光学质量与机械强度直接受成形过程影响在玻璃成形过程中。要求具有一定形状，又要求玻璃不产生折皱。以保证玻璃成形后有较高的机械性能和光学性能风挡玻璃除了保证几何形状尺寸的要求之外1 4 l ，还应满足火控系统的要求前风挡玻璃的结构形式和光学性能除了与火控显示装置的结构和安装以及瞄准视界有关外，还与火控系统的瞄准精度相关前玻璃的形状误差对飞行员瞄准引起的随机误差大，所以应尽可能在成型过程中减小制造前风挡玻璃的形位公差综合上述因素考虑，要使整体圆弧风挡玻璃获得较高质量。需要合理、精确地设计成形装置和成型工艺，并以设备作为工艺保障，实施成形过程运动状态的控制与检测。1 2 国内外研究现状目前，国外发达国家整体圆弧风挡玻璃的成型技术已经比较成熟，因此其各个机种的飞机和直升机已经广泛的使用了整体圆弧风挡玻璃设计如美国的主力作战飞机f - 1 5 ，f 0 2 2 。猛禽”战斗机，f - 1 8 舰载战斗机，f 1 1 7 “夜鹰”以及f - 1 6 轻型战斗机；俄罗斯的苏3 7 ，苏3 5 ，米格2 9 ，米格3 l ；法国的幻影- 2 0 0 0 ，“阵风”战斗机；英国的。海鹞”舰载战斗机，。狂风”战斗机等等整体圆弧风挡玻璃设计对这些先进战机的运行性能和战斗性能的充分发挥起到了重要作用在我国，整体圆弧风挡玻璃的成型技术尚处于起步阶段由于国外透明件公司对关键的成型技术严格保密，我国的整体圆弧风挡玻璃成型系统的研制只能立足于自力更生对于采用定向有机玻璃的透明件t $ 1 一般采用悬重法进行成型。该方法结构简单，实施容易，但是随机性大，难以实现工艺的一致性为了保证整体圆弧风挡玻璃的成型质量，根据定向有机玻璃试制的经验，成都飞机工业( 集团) 有限公司提出了计算机控制液压加载成型定向有机玻璃制件的方法和技术要求 6 1 ，并且在没有任何参考资料的情况下，通过全体研制人员一2四川大学硕士学位论文年多的努力，成功研制出我国第一套且是到目前为止唯一一套整体圆弧风挡玻璃成型系统，并结合生产实际需求，经过反复调试和调整，投入了整体圆弧风挡玻璃的试制和生产1 3 自动控制技术的发展在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术已经成为现代化社会不可缺少的组成部分工业生产过程的自动化。是计算机应用的一个极为广泛的领域 7 1 2 0 世纪2 0 年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来织成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电按触器控制系统由于它结构简单、容易攀握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位但是继电按触器控制系统有明显的缺点；设备体积大，可靠性差，动作速度侵，功能少，难于实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制拒就要更换，所以通用性和灵活性较差到2 0 世纪6 0 年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。1 9 6 8 年美国通用汽车公司提出了著名的。g m 十条”，奠定了可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o u e r - p c ) 产生的基础。当微型个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 用p c i i q 为简称之后，在学术上和商业上将可编程控制器简称为p l c 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统。专为工业环境而设计它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式和模拟式的闻人和输出，控制各种类型机械的生产过程而有关的外围设备，易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则没计以p l c 作为控制器的p l c 控制系统从根本上改变了传统的继电器控制系统的工作原理和方式( 9 1 继电器控制系统的控制功能是通过采取硬接线的方式来四川大学硬士学位论文是显现的，而p l c 控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可以进行模拟量控制和顺序控制另外，它的定时和计数的功能也远比继电器系统强，一般可以为用户提供几十个或者上百个定时器、计数器p l c 的控制从早期的单机控制发展到多机控制，实现了工厂自动化由于可编程序控制器具备以上特点，并考虑到整体圆弧挡风玻璃成型的实际情况，我们选用性能优良的可编程控制器( p l c ) 作为本控制系统的控制主机p l c 作为通用的工控设备，可根据用户需求，针对多个执行器的不同操作过程而编制软件，具有多种控制方式，实用性强，可靠性高；并可根据用户提供多种显示方式和操作方式供操作时选择，配置组态灵活；可以构成集散系统，具备与高级管理网络相连接的能力，节约了系统的维护及管理费用，性能价格比极佳1 4 课题来源和研究的主要内容本课题的工程项目名称为；整体圆弧风挡玻璃成型合模控制系统主要目的是实现成都飞机工业公司整体圆弧风挡玻璃成型过程控制的自动化，保证其成型件质量的稳定性，降低废品率，提高生产效率最后经过现场调试使该系统投入实际生产其具体研究内容包括以下几方面：1 根据整体圆弧风挡玻璃成型的工艺方案和控制要求，确定控制方案，并进行硬件选择。2 以西门子8 7 - 2 0 0 系列的c p u 2 2 6 型p l c 为核心实现控制系统的设计，生产和调试。3 运用v i s u a lb a s i c 和m i c r o s o f t a c c e s s 实现工控机集中监控采用高级编程语言v i s u a lb a s i c 编制工控机人机界面，实时绘制加工工艺参数曲线，与p l c通讯和对现场数据的采集；利用a c c e s s 数据库进行现场数据保存和数据管理。4 席0 作帮助文件和安装文件为客户操作本系统提供详细的使用说明，并对可能出现的问题提出详尽的解决方案四川大学硕士学位论文2 控制系统总体方案设计如图2 1 所示，系统按照三级控制模式设计，分为管理层、控制层和执行层i 1 0 1 管理层使用工业计算机，给操作者提供日常操作平台和数据库系统；控制层采用可编程序控制器( p l c ) 作为控制核心；执行层的现场测量仪表和控制元件执行现场测量和控制动作输出管理层、控制层和执行层相对独立，在出现故障的情况下可以保证顺利的完成加工成型图2 1 系统控制模式框图( f i g 2 1s c h e m a t i co f c o n 们l l i n gm o d e l )在本项目中，具有加工对象价值高、加工单件产品时间长、模拟量和开关量并行处理、输入输出信号较多、加工工艺尚不成熟的特点综合可靠性，可扩展性和可维护性考虑，本设计采用液压系统为执行元件，以s i e m e n s 控制系统构架为核心，构建基于多点接口( m u l t i - p o i n ti n t e r f a c e ，m p i ) 协议通讯网络的，以p c 和p l c 联合采集数据与控制的分布式控制系统2 1 执行机构方案设计当今工业控制中传动方式主要有气动、液压、机械、电子和电气【1 ”这几种传动方式的传动特性的一般比较如表2 1 所示四川大学硕士学位论文表2 各种传动方式的比较( t a b l e2 1c o m p a r eo f a l lk i n d so f t r a n s m i s s i o nm o d e s )机械方式电气方式电子方式液压方式气动方式大( 可达效大( 可达数百驱动力大大百k n 以上)k n 以上)响应速度中大大大稍大温度影响普通大大小于7 0 小于i o o 防振性普通差差好普通定位精度好好好差维护简单有技术要求技术要求高有技术要求简单信号转换难易易易较难远程操作难好好好好无级变速稍困难好好好速度调整稍困难容易容易稍困难由凸轮、螺驱动系统作有半导体元驱动系统是驱动系统是钉，杠杆、为动力源和件等组成的由液压缸等由气缸等组连杆、棘轮、其他的电磁控制方式组成成棘爪和传动离合器、制控制系统是控制系统是轴等机件组动器等机械由各种液压由各种气动备注成的驱动系方式并用控制阀等组控制阀等组统主要动控制系统是成成力源为电动由限位开机关、继电器、延时器等组成相对于其他传动方式，液压传动系统的主要优点有【1 2 1 ：1 可实现大范围的无级变速( 调速范日可达2 0 0 0 ：1 ) ；2 液压传动各元件，可根据需要方便、灵活的来布置；6四川大学硕士学位论文3 同功率比较时，液压传动具有质量轻：体积小、运动惯性小、反应速度快等特点；4 操纵省力，控制方便，易于实现自动化或遥控；5 易于实现过载保护；6 工作介质一般采用矿物油，相对运动表面可自行润滑，因此可提高系统和元件的使用寿命；7 易于实现直线运动本系统的加工对象为整体圆弧风挡玻璃，加工手段采用热弯成型，要求加工冲击较小，同时，具有单件成型时间很长、需加工零件批号较多、执行机构需要在加工中根据计算机指令快速作出反应等特点执行元件需要输出的运动为直线运动根据整体圆弧风挡玻璃的加工特点和加工要求，选用液压系统作为系统执行机构。执行机构主要包括各电磁换向阀、比例阀、液压缸等液压控制装置以及压力表等液压系统监控装置，根据自动控制系统的命令输入，由液压缸实现直线动作的输出2 2 控制系统方案设计2 2 1 控制系统总体方案设计2 2 1 1控制系统的主要内容整体圆弧风挡玻璃成型自动控制系统的主要包括自动监测、自动控制和自动保护：1 自动检测检测系统的各项参数是自动控制系统运行的基础检测包括测量、检查、监视、显示和记录在本系统中，需实时测量系统执行器件一液压缸的位移和力，检查核心控制器件和各阀体的工作状态，分别送入上位机和p l c 上位机完成显示和记录功能，p l c 进行计算和控制根据检测的结果可以实现自动控7四川大学硕士学位论文制和自动保护2 自动控制在本系统中，利用p l c 实现p i d 控制3 自动保护这里涉及的自动保护主要是指在出现故障的情况时系统发出报警信号，同时在加工中系统出现重启时系统可以保存当前加工状态，并在系统重启后弹出选择界面供用户选择继续加工还是停止加工2 2 1 2控制系统主要功能设计根据整体圆弧风挡玻璃成型的工艺要求，控制系统的主要功能设计如下：i p c 和p l c 联合实现对加工对象成型合模的各道工序的自动控制2 在p c 不工作的情况下，可以通过控制系统手动控制各油缸、电磁换向阀、电液比例阀等加工执行单元的工作3 在测试、维修状态下，可快速伸缩各油缸4 在应急状态下可以单独手动加载，保持成型继续进行5 系统能加工不同型号的工件6 主要控制回路、执行器件和控制元件的故障诊断和显示7 工艺参数、历史加工曲线、加工日志的实时显示和打印2 2 1 3控制方案设计工业控制中，最常见的控制方式有开环控制和闭环控制【l 引在开环控制系统中，系统的控制输入不受输出的影响输入端与输出端之间，只有信号的前向通道而不存在由输出端到输入端的反馈通道，不能满足本系统的控制要求本系统设计按闭环控制系统设计闭环系统工作的本质工作机理是：将系统的输出信号引回到输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号对系统进行调节，达到减小偏差或消除偏差的目的0四川大学硕士学位论文图2 2 为本系统的加载力闭环伺服控制方案，以力控制为主，辅以位移检测( 换算为速度) ，修改力控制的指令( 即力) 力控制是按典型伺服原理，用比例减压阀来实现，在力的指令发出后，自动稳定达到要求值，并由力传感器的数显装置显示出来如果加载缸移动过快，就减小施加力，使速度降下来。反之，移动过慢，就增加力：判断加载缸速度快慢依据工艺程序的要求由计算机编程自动运行在整个自动循环过程中，允许人工干涉工艺程序及修改工艺参数和控制参数图2 2 闭环控制力伺服方案( f i g 2 1d e s i g no f c l o s e d - l o o pf o r c es e l v os y s t e m )在计算机自动控制系统出现故障的情况下，设计了如图2 2 应急手动控制方案加载液压缸牵引力可由减压阀调节和控制，现场控制人员由力传感器的显示仪上观察加载缸力值，通过控制台上的按钮和旋钮组合操作控制工件加工；如果力传感器出现故障，打开电源旁路开关，现场控制人员可由观察减压阀后的或加载缸前的压力表的压力值变化来控制缸的移动速度，而活塞杆的移动速度可由位移传感器的数显表上进行观察，根据观察结果可改变力值大小在设备上预先调节流量阀，限制缸的速度最大值，使缸的运动不会出现超速的现象，这项措施使手动控制具有良好的安全性和可靠性9四川大学硕士学位论文图2 2 应急手动控制方案( f i 孚2 im a n u a lc o n t r o ls c h e m ei ne m e r g e n c y )根据系统总体设计方案和功能要求，系统硬件构架如图2 3 所示系统以可编程序控制器( p l c ) 为控制核心，采用双p l c 设计，分别为主控p l c ( c p u a )和辅控p l c ( c p u b ) c p u a 和c p u b 内数据始终保持一致，c p u a 为日常控制核心，c p ub 作为备用在故障状态下替换c p u a 西门子t d 2 0 0 文本编辑器作为辅助工具可显示加工工艺状态上位机采用工业计算机建立人机界面和数据库系统，并配套打印机供现场人员打印加工日志、工艺参数和工艺曲线等加工数据前端分别使用了两个位移传感器和力传感器采集控制现场位移信号和力信号，四组信号分别通过各自的数据箱和通讯协议转换模块，送入工业计算机。多点接口( m d t i p o 缸i n t e r f a c e ，m p i ) 协议作为系统的通讯协议并为系统配套了2 2 0 v 稳压电源和不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m ，u p s ) ，保证系统供电的稳定四川大学硕士学位论文圈2 3 控制系统原理图( f i g 2 3t h e o r yo f c o n l r o l l i n gs y s t e m )2 2 2 控制系统各部分功能分配系统采用p c 、p l c 联合数据采集和控制。选取p l c 为控制核，b t l 4 1 ，其原因在于在工业环境中，p l c 与工业控制计算机相比还是有较强的优势。其主要优势有：采用了光电耦合隔离和r - c 滤波器，有效的防止了干扰信号的进入；内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰；采用优良的开关电源，防止电源线引入的四川大学硕士学位论文干扰：具有良好的自诊断功能可对c p u 等内部电驴进行检测，一旦出错立即报警；对程序及有关数据用电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失；对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障同时，由于在本系统中，p l c 与工业控制计算机分别处于控制级和管理级，p l c 处于控制核心地位，直接输出控制命令，p l c 一旦出现故障，自控系统基本失效，工业控制机工作正常也没有意义；而在相反情况下，自控系统仍有可能正常工作因此，在系统功能分配中，p l c 完成所有参数计算和控制功能，而工业控制计算机不参与控制，只完成数据采集、加工过程监视和数据库管理功能。p l c 具体功能设计如下；完成工艺参数和加工数据的公式计算；利用p 1 d 控制器控制模拟量输出，实现系统的闭环控制根据用户指令，通过数字量的输出控制执行机构各阀体和p l c 控制柜信号灯：实现t d 2 0 0 文本编辑器的显示和编辑功能工业控制计算机具体功能设计如下：显示整体圆弧风挡玻璃的加工过程、设备运行状态及过程参数值；提供过程量设定值和控制参数、工艺参数的设定、修改界面；显示实时历史趋势并形成历史数据库；显示设备故障和控制系统自身故障的报警画面；实现报表的生成和打印2 2 3 可靠性设计控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，是设计控制系统的重要原则，也是控制系统具有实用性的前提由于工件材料和工件本身的重要性，在系统设计中充分考虑冗余设计，以保证工件在极端世故状态下也能顺利完成加工成型。为了达到这一点。必须在系统设计上和器件选择上全面考虑四川大学硕士学位论文1 在系统设计上保证可靠性( 1 ) 采用p l c 双c p u ( c p u a ，c p u b ) 设计，在正常加工过程中，c p u a为控制核心，c p u b 同步记录工艺参数、过程数据和系统参数，当遇到c p u a失效时，可以用c p u b 替换c p u a ，继续完成加工( 2 ) 在系统功能的分配上，所有的数据计算和控制命令输出都有p l c 完成，保证了在工控机不工作的情况下，p l c 可以独立完成风挡玻璃成型的控制( 3 ) 整体圆弧风挡玻璃成型合模控制系统的控制方式分为上位机程控编组控制和主控制台手动控制，最大限度的保证在控制系统出现故障的情况下，加工可以继续进行或者可以保持住当前加工状态，使系统可靠性进一步提高，具体措施为：上位机程控编组控制：在控制系统工作正常的情况下，现场工程师通过工控机进行加工过程的监控主控制台手动控制：当工控机出现故障时，控制中心转到控制台现场工程师可以监视力传感器和光栅传感器的数据，同时利用控制台上的文本编辑器，通过控制台按钮和旋钮控制加工继续进行自动控制系统出现严重故障，p c 和p l c 控制都失效，控制中心转到液压站如果力传感器和光栅传感器工作正常，现场工程师可以通过观察传感器数据，手动调节各控制阀，继续进行加工如果传感器工作也出现异常，现场工程师可以根据各压力表数据，手动调节控制阀，保证加工继续进行( 4 ) 建立完善的故障处理机制。对故障进行分级处理和记录，出现故障时及时给出报警信号和操作提示同时，在加工当中系统在非正常状态下退出时，执行机构保持当前状态，控制系统自动记录当前的工艺参数、加工数据和工艺状态等加工信息，并在用户重新登录系统时提供选择继续加工或者停止加工，最大限度的保证了系统在非正常情况下的安全性2 在器件选择上保证可靠性在控制装备的选择上n 5 1 ，传统的继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，触点开闭时会收到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性差由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，加上其它外围元件四川大学硕士学位论文( 如电阻、电容等) 的参数离散性也很大，这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定。另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱。而国内的电源一般都很差因此。更可能引起单片机系统的不稳定相比之下，p l c 具有高可靠性p l c 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成。进口p l c 采用的c p u 都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作因此，本控制系统选用德国s i m e n ss 7 2 0 0 系列p l c 作为核心控制器件。2 3本章小结针对整体圆弧风挡玻璃的加工特点，在比较各传动方式优缺点的基础上，设计液压系统为执行机构，设计了以可编程序控制器( p l c ) 和工业控制计算机为核心的控制方案，同时，分配控制系统中各部分的功能。1 4四川大学颂士学位论文3 控制系统硬件设计3 1 可编程序控制器( p l c ) 选型3 1 1p l c 的选型原则p l c 选型首要是要满足控制要求和容量i | 1 6 l , 并考虑系统的可维护性、可扩展，性以及满足一些特殊性能要求的能力等，尽量选择最佳的性价比。1 ) 性能与任务相适应1 1 7 】应该根据具体的工业控制任务要求选择不同规模和性能的p l c 对于开关量控制的应用系统，对控制速度要求不高时，可选用小型p l c 对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如工业中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有a d 转换的模拟量输入模块和带有d a转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器和驱动装置，选择运算功能较强的小型p l c 对于控制比较复杂的中大型控制系统，可选用中大型p l c 当系统的各个控制对象分布在不同的区域时，应根据各部分的具体要求来选择p l c ，组成分布式的控制系统2 ) p l c 的处理速度应满足实时控制的要求由于p l c 是扫描工作过程，全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期，从输入信号到输出控制存在滞后，即输入量的变化，一般要在l 2 个扫描周期之后才能反映到输出端p l c 的这个特性在一般的工业控制中是允许的，但是在某些对实时性要求较高，不允许有较大的滞后时间的任务中，必须选择c p u处理速度快的p l c 并对软硬件进行优化处理。3 1 选择适合的编程方式p l c 可以通过三种方式编程小型p l c 一般使用厂家提供的简易手持型编四川大掌硬士学位论文程器编程简易编程器结构简单体积小，携带方便。价格较低，适合于系统容量小，工作量小的场合。并很方便在生产现场调试、修改程序，但是效率较低另一种是利用厂家专用的图形编辑器，采用梯形图编程这种编程方式方便直观，一般技术人员短期内可以掌握，但价格较高。另一种是用个人计算机与软件包配合实现在线编程。这种