（机械电子工程专业论文）300mn模锻水压机plc控制系统研究.pdf

摘要 3 0 0 , n 模锻水压机是目前亚洲最大的模锻液压机，是我国国防 和基础建设的关键设备。水压机现有的操作控制方式已明显老化、落 后，水压机的运行的可靠性得不到保证。现对其操作系统进行现代化 改造，将原来的“水控水”变为“油控水”方式，并将整个操作系统 改为数字式电液伺服控制，实现智能控制，以提高水压机的工作效率 和加工精度。 根据改造的思路和原则，构造了主站s 7 3 0 0 、从站s 7 2 0 0p l c 的主从分布式操纵控制系统；分析比较了m p i 、p r o f i b u s 和工业以太 网这3 种西门子s 7 工业通讯网络的优缺点和适用范围，选用了能满 足高速和实时性要求的p r o f i b u s d p 网络拓扑结构来实现主从站间 的数据通讯，并由m p i 方式实现主站与同步系统的数据通讯，阐明了 操纵控制系统内各部分数据通讯的机理和实现；在系统p l c 程序的编 制过程中，运用结构化编程的思想和方法，依照模块独立性的准则， 编制了高内聚、低耦合的程序模块，并按策略与实现的层次来组织各 块的结构，大大增强了软件代码的可重用性，为软件程序的修改和调 试带来了便利；分析了分配器的控制机理，针对传动链路长且复杂， 难于建立精确数学模型的特点，为满足随动系统的快速性和准确性要 求，根据p i d 控制和模糊控制的特点，选用了f u z z y p i d 的复合控制 策略来控制水压机主分配器凸轮轴转角，得到了满意的控制效果。 经现场调试运行表明，该操纵控制系统能满足功能和精度要求， 系统运行情况良好。本系统的设计思想和控制方法将为开发其他大型 液压设备的控制系统提供借鉴和参考。 关键词水压机，控制系统，p l c ，转角， a b s t r a c t 3 0 0 m nh y d r a u l i cd i e p r e s sm a c h i n ei st h el a r g e s to n ei na s i a n p r e s e n t l y , w h i c hi s t h ep i v o t a l e q u i p m e n tf o rn a t i o n a ld e f e n s ea n d c o n s t r u c t i o n t h ef o r m e ro p e r a t i o ns y s t e mo ft h em a c h i n ei so b s o l e t ea n d t h er e l i a b i l i t yc a l l tb eg u a r a n t e e d t h eo p e r a t i o ns y s t e mi sr e n o v a t e da n d m o d e m i z e d t h ec o n t r o lm e t h o di st r a n s f e r r e df r o mt h e w a t e rc o n t r o l w a t e r t ot h e o i lc o n t r o lw a t e r ，a n dt h ee n t i r e o p e r a t i o ns y s t e mi s u p d a t e dt od i g i t a le l e c t r o h y d r a u i cs e v e r - c o n t r o ls y s t e m t h ei n t e l l i g e n t c o n t r o lo ft h em a c h i n ei sr e a l i z e dt oe n h a i c ew o r ke f f i c i e n c ya n d a c c u r a c y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ea n dp l a no fr e n o v a t i o n ，t h en e wo p e r a t i o n a n dc o n t r o ls y s t e mi sb ec o n s t r u c t e d w h i c hi sm a s t e r - s l a v ed i s t r i b u t e d s y s t e mw i t hp l cs 7 3 0 0a c t i n ga sm a s t e ra n ds 7 2 0 0a c t i n ga ss l a v e t h e c h a r a c t e ra n d s c o p e o fa p p l i c a t i o no f3s i e m e n ss 7i n d u s t r i a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s 衅i 、p r o f i b u sa n di n d u s t r i a le t h e r n e ta r e a n a l y s e d a n d c o m p a r e d t h e p r o f i b u s d pn e t w o r k t o p o l o g i c a l s t r u c t u r ew h i c hc a ns a t i s f yh i g h s p e e da n dr e a l t i m er e q u i r e m e n t si s c h o s e nt or e a l i z et h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a s t e ra n ds l a v e s t a t i o n s ，a n dm p ii sc h o s e nt or e a l i z et h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m a s t e rs t a t i o na n d s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m 1 h em e c h a n i s ma n d r e a l i z a t i o no fd a t ac o m m u n i c a t i o ni no p e r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e ma r e i l l u m i n a t e d i nt h ep r o c e s so fp l c p r o g r a m m i n g ，t h ec o n c e p ta n dm e t h o d o fs t r u c t u r a lp r o g r a m m i n ga r ea p p l i e d a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o no f m o d u l a ri n d e p e n d e n c e ，t h em o d u l a r sw h i c ha r eh i 曲l yc o h e s i v ea n d l o w l yc o u p l i n ga r ep r o g r a m m e da n dw e l lo r g a n i z e dw i t ht h eh i e r a r c h i c a l d i v i s i o no fs t r a t e g ya n di m p l e m e n t a t i o n b yd o i n gt h o s e ，t h es o f t w a r ec a n b e r e u s e dm u c hm o r ee a s i l ya n dt h em o d i f i c a t i o na n dd e b u gb e c o m e m o r ec o n v e n i e n t f o rt h ec o m p l e x i t yo f t h ed r i v i n gc h a i n ，i ti sd i m c u l tt o b u i l dp r e c i s em a t h e m a t i cm o d e l t os a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n to fr a p i d i t y a n da c c u r a c y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i dc o n t r o la n df u z z y c o n t r o ls t r a t e g y , t h ec o m b i n i n gc o n t r o ls t r a t e g yf u z z y - p i di sc h o s e nt o c o n t r o lt h er o t a t i o na n g l eo fd i s t r i b u t o r s c a ms h a f t s n es a t i s f y i n g c o n t r o lr e s u l ti so b t a i n e d 1 h es y s t e mc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o rf u n c t i o na n d p r e c i s i o n a n dr u nw e l l t h ed e s i g n c o n c e p ta n dt h ec o n t r o lm e t h o dp r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h ec o n t r o ls y s t e mo fd e v e l o p i n go t h e rl a r g eh y d r a u l i cp r e s s m a c h i n e k e yw o r d s h y d r a u l i cd i ep r e s sm a c h i n e ，c o n t r o ls y s t e m ，p l c ， r o t a t i o na n g l e t l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：l 年兰月场日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 雠名：整蠡燧名粹吼虫野强日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 项目来源 第一章绪论 本课题“3 0 0 m n 水压机监控系统设计”来源于国防科学技术工业委员会资助 项目：“3 0 0 , 蛾模锻水压机改造及生产线配套”，编号：科工技字 2 0 0 0 5 8 9 号。 1 2 液压机的技术现状与发展趋势 1 2 1 液压机发展简史 随着十七世纪中叶，法国科学家帕斯卡著名的静压传递原理的提出，液压机 开始产生并托人生产。1 8 6 2 年g l e d h i l l 第一次用液压机锻造钢材，结柬了手工锻 造的传统方法，开始了机器锻造的时代。1 8 8 4 年在英国曼彻斯特制造了第一台 蒸汽锻造水压机。接着英国d a v y - l o e w y 公司制造了一台4 0 m n 的锻造水压机。 第二次世界大战后，为了迅速发展航空工业，美国在1 9 5 5 年左右，先后制造了 两台3 1 5 m n 和两台4 5 0 1 v l n 大型模锻水压机：而静苏联则在1 9 5 5 年到1 9 6 0 年 之间，先后制造了四台3 0 0 1 v l n 和两台7 0 0 m n 大型模锻水压机，液压机吨位的 大小一度成为各国机械行业制造水平高低的标志“1 ”。 我国的液压机工业装备在解放后得到了较大的发展，1 9 5 7 1 9 6 2 年问，我 国己开始自行设计、自行制造各种锻造液压设备，同时，也初步建立了一支设计 和制造液压机的技术队伍。8 0 年代以来，又有了一些新的发展，如设计自制了 一批较为先进的6 0 m n 以下的模锻水压机，并已向国外出口。相应地，我国也陆 续制定了各种液压机的系列及零部件标准。今天我们已经拥有种类规格较全的 5 0 0 0 多台大中型锻压装备，其中1 0 m n 以上的大型自由锻造液压机就有6 5 台， 它们分布在机械、冶金、铁路、水电、兵器、船舶等基础工业部门。其中，原机 械工业部所属重机厂拥有3 5 台。1 0 0 m n 以上的有3 台，6 0 1 d n 以上的有4 台，这 7 台液压机是全国吨级最高的锻造液压机“】。 我国液压机制造工业虽然已有了较大发展，但与世界先进水平相比，还有较 大差距。近3 0 年来，世界各国在锻造操作机与锻造液压机联动机组、大型模锻 液压机、挤压液压机等各类液压机方面又有了很多新的发展，自动测量和自动控 制的新技术在液压机上得到了广泛应用，机械化和自动化程度有了很大的提高。 目前我国还有相当一批6 0 7 0 年代制造的水压机在企业中存在，但是已经存在 较多问题，亟待解决5 1 3 0 0 m n 水压机就属于这种情况。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 国内外液压机的技术现状 由于液压机的整机结构方面，已经比较成熟，国外液压机技术发展主要体现 在电液控制系统方面。相比来讲，国内机型虽品种齐全，但技术含量较低，缺乏 技术含量高的机电液一体化高档机型。 在油路结构设计方面，国内外液压系统部趋向于集成化，封闭式设计。插装 阀，叠加阀和复合元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。如采用各种先进 的快速滑阀或插装阀。减少阀的换向时间旧。采用各种有效的缓冲装置，以减少 加载时的振动及噪声，扩大液压机的应用范围明。但国内大吨位液压机的控制系 统中采用比例技术的极少。在安全性、可靠性方面，国外有采用微处理器控制的 高性能液压机利用软件进行故障的检测和维护，这在国内还不多见。 在电气控制系统方面，液压机可分为3 大类： ( 1 ) 继电器控制方式 以继电器为主控元件，这种控制方式是电气控制中发展最早的一种，是延续 了凡十年的传统控帝8 方式，电路结构简单、技术要求不高、成本较低、控制功能 简单、适应性不强其适用于单机工作、加工产品精度要求不高的大批量生产( 如 餐具、厨具产品等) ，也可组成简单的生产线，但由于电路的限制，压机工作稳 定性、柔性差现在国内许多液压机厂家是以这种机型为主，使用厂家多为生产 民用产品的企业。国外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力，而主要面向 技术含量高的机型组织生产。 ( 2 ) 可编程控制器( p l c ) 方式 这种控制方式是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发 展成以微处理器为核心，把自动化技术计算机技术、通讯技术融为一体的新型工 业自动化控制装置。目前已被广泛地应用于各种生产机械以及自动化生产过程 中随着科学技术的发展，可编程控制器的功能更加丰富早期的可编程控制器 在功能上只能进行简单的逻辑控制，后来一些厂家开始采用微电子处理器作为可 编程控制器的中央处理单元，从而扩大了控制器的功能，使其不仅可以进行逻辑 控制，而且还可以对模拟量进行控制。因此，可编程控制器有较高的稳定性和灵 活性，采用可编程控制器控制，使系统的控制性能和可靠性大大提赢。 ( 3 ) 应用高级微处理机( 或工业控制计算机) 的高性能控制系统 该控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高科技含量 的控制方式，以工业控制机作为主控单元，可编程控制器( p l c ) 作为现场控制中 心，通过外围接口器件( 如a d 或d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统 的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的 鲫正是因为采用这种先进的控制方式，使整机的控制性能，生产效率都有很大 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 提高这是目前液压机成热、可靠的先进控制方式叫。 1 2 3 液压机的发展趋势 随着工业发展的需要，面对目前激烈的市场竞争，液压机的使用者大致有两 种方式来更新设备“”： ( 1 ) 购买新的生产设备 或在国内购买，或引进国外先进技术与设备，其优点是设备质量一般都较好， 这种情况下，消化吸收引进的先进技术至关重要，其成本较高，代价较高，有时 还将原有可用设备强作淘汰处理。 ( 2 ) 旧设备改造 在原有旧设备的基础上应用机电液一体化技术，进行旧设备改造，实现新机 器的功能这种方式是目前国企老设备更新的主要方式。3 0 0 m n 水压机的改造 升级也属此列。 许多西方发达国家已完成了对锻造水压机的改造，如法国对2 5 0 0 1 1 3 0 0 t 锻 造水压机和德国对4 0 0 0 t 锻造水压机等均作了现代化改造和配套，增强了市场竞 争能力。俄罗斯2 0 0 2 年在7 5 0 m n 和3 0 0 m n 液压机上安装了自动控制系统，可生产 重达3 2 t 的锻件。日本将水压机早已从油压控制改为电气控制，水压机和操纵 机联动。大手把操作改为电控操作，司机只要轻轻扳一下旋把，水压机就能动作 n 订 目j i i 液压机技术发展趋势如下： l 、高速化，高效化、低能耗。提高液压机的工作效率，降低生产成本。 2 、机电液一体化，系统高度集成，使得液压站的体积大大减小，减少了连 接管路、液压元辅件，有效地防止泄漏和污染，而可靠性又会有相应的提高。充 分合理利用机电液先进技术促进整个液压系统的完善。 3 、良好的工作性能。可顺利实现对工作参数( 压力、速度、行程等) 的单独 调整。通过对控制参数的单独控制，能进行不同材料复杂工件、不对称工件的加 工具有较低的噪声，在高速换向时，利用程序控制、软件来实现对换向冲击的 缓冲，实现自动化，智能化。 4 、在安全方面，可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错误。 易实现生产线的集成控制，组成柔性生产线及于上位机进行通讯和实现调度控 制， 5 、能够实现柔性生产的液压机的需求会有所增加，逐步向柔性加工系统 f f m s ) 发展，即把微电子技术、自动检测及反馈、工业机器入和自动仓库结合在 一起，将多台不同功能的设备组成柔性加工系统或中心，以适应中小批量多品种 3 中南火学硕士学位论文第一章绪论 工件的自动化合理加工，并有故障诊断处理系统。 1 3p l o 及现场总线 1 3 1p l 0 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是以微处理器为基础，综合 了计算机与自动化技术而开发的新一代工业控制装置。按照1 9 8 7 年国际电工委 员会( i e c ) 的定义：可编程序控制器( 简称p l c 或p c ) 是一种数字运算操作的电子 系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一种可编程序的存储器，用于其内 部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时，计数和算术操作等面向用户的指 令，并通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程“”。可 编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于 扩充功能的原则设计。可编程序控制器( 在本文中简称为p l c ) 在现代工业控制中 占有重要地位，它和c a d c a m 、r o b o t 组成了当代工业自动化技术的三大技术 支柱“”。自1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制出第一台p l c ，并在美国通用 汽车自动装配线上成功应用以来m 】，p l c 已广泛应用于现代工业生产中。 p l c 采用微电子技术来完成顺序控制功能，可以在现场的输入信号作用下， 按照预先输入的程序，控制现场的执行机构按照一定规律进行动作，其主要功能 如下：( 1 ) 开关量控制；( 2 ) 定时控制；( 3 ) 计数控制；( 4 ) 步进控制；( 5 ) 模拟量处理： ( 6 ) 数据处理；( 7 ) 通讯及联网；( 8 ) 对控制系统的监控。 p l c 具有以下特点：( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强，可适用于恶劣的工业 环境；( 2 ) ，编程简单，使用方便；( 3 ) 设计安装容易，维护工作量少；( 4 ) 功 能完善，通用性强：( 5 ) 体积小，能耗低；( 6 ) 性能价格比高。 采用微电子技术制造的可编程序控制器与微机一样，也由c p u 、存储器、i 0 接口等组成，但又不同于一般的微机。它特别采用了特殊的抗干扰技术。更 合适于工业控制。p l c 与微机各自的特点见表l l 。 表1 1p l c 与微机各自的特点 p l c 微机 戍j j 蓖同工业控制 科学计算，数据处理。计算机通信笱 使刚环境工业现场 且有一定温度、湿度的机房 控制强电设备 输入，输出 与士机采微电联系。不需光电隔离 需光电隔离 一般为梯形i 笙| 语言， 程序设计程序语言丰富，需专fj 计算机硬件和软 易于学习和节握 系统功能自诊断监控曹 配有较强的操作系统 j 竹方式 循环扫描及中断方式中断方式 随着大规模、超大规模集成电路技术和数字通信技术的进步和发展，p l c 的 发展十分迅速，现在的p l c 和原来的相比。算术运算、数据转换、过程控制和 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 数掘通讯等功能已大大加强，已可以完成大型而复杂的控制任务。随着微处理器 c p u 和微型计算机技术在p l c 中的应用，形成了现代意义上的p l c 。现在的p l c 产品己使用了1 6 位，3 2 位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理， 通讯技术使p l c 的应用得到进一步发展。如今，p l c 技术已非常成熟“日。现代 p l c 的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小，速度更快，功能更强，价格更 低的微小型p l c 方面发展；其二是向大型网络化，高可靠性，好的兼容性，多 功能方面发展“”： ( 1 ) 大型网络化：主要是朝d c s 方向发展，使其具有d c s 系统的一些功 能。网络化和强化通信能力是p l c 发展的一个主要方面，向下将多个p l c ，多 个i 0 框架相连；向上与工业计算机、以太网、m a p 网等相连构成整个工厂的 自动化控制系统，现场总线技术( p r o f i b u s ) 在工业控制中将会得到越来越广泛 的应用。s 73 0 0p l c 可以通过多点接口m p i ( m u l t i p o i n ti n t e r f a c e ) 直接与计算 机、编程器、操作员面板及其它p l c 相连，也可通过通信处理器连成更大的， 范围更广的s i n e ch i 以太网络或通过现场总线构成灵活实用的分布式s i n e c l 2 网络。 ( 2 ) 多功能：为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了多种智 能模块，智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的c p u 与p l c 的c p u 并行工作。占用主机c p u 的时间很少，有利于提高p l c 的描述度和完成特殊的 控制要求。智能模块主要由模拟量i 0 ，p i d 回路控制、通信控制、机械运动 控制、高速计数、中断输入等。由于智能i 0 的应用，使过程控制的功能和实 时型大为增强，某些p l c 的过程控制还具有自适应，参数自整定功能，使设计、 调试时间减少，控制精度提高。如s 7 3 0 0 的模拟量输入模块可以直接输入电流、 电压、热电偶、热电阻等多达1 8 种不同类型不同范围的信号，适应性很强。 ( 3 ) 高可靠性：由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己 将自诊断技术、冗余技术，容错技术广泛的应用到现有产品中，推出了高可靠性 的冗余系统，并采用热备用或并行工作，多种表决的工作方式。$ 7 - 4 0 0p l c 即 使在恶劣、不稳定的工作环境下，峰固、全部密封的模板依然可正常工作，在操 作运行过程中模板还可热拔插。 ( 4 ) 良好的兼容性：现代p l c 已不再是单个的、独立的控制装置，而是整 个控制系统中的一部分或一个环节。好的兼容性是p l c 深层次应用的重要保证。 s m l a n c m 7 _ 3 0 0 p l c 采用与s i m a t i cs 7 一3 0 0 相同的构造，能用s i m a r i cs 7 模块，其显著特点是与通用微型计算机兼容，可运行m s d o s w i n d o w s 程序， 适合于处理数掘量大，实时性强的工作任务。 ( 5 ) 编程语言向高层次发展：p l c 的编程语苦在原有梯形图语言、顺序功 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 能块语占和指令表语言基础上，不断丰富和向高层次发展。西门子s i m a t i cs 7 3 0 0 p l c 的编程和组态软件s t e p7 ，可运行在个人计算机w i n d o w s 环境下，界 面极为友好，提供了强劲的梯形图和语句表两种形式的编程、调试和诊断等功能。 并备有丰富的随机帮助信息，可支持位、字节、日期，数组、结构等数据类型。 s i m a t i cm 7 则使用c c + + 等高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。 ( 6 ) 。p l c 通信的易用化：p l c 的通信联网功能使它能与个人计算机和其他 智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中 管理。通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，信息可以传送到几十公里远的地方， 通过m o d e m 和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通信。为了尽量减少 用户在通信编程方面的负担，p l c 厂商做了大量的工作，使设备之间的通信自动 地周期性地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时做一些 硬件或软件上的初始化设置。 ( 7 ) 组态软件与p l c 的软件化：个人计算机( p c ) 的价格便宜，有很强的数 学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。过去个人计算机主要用作p l c 、操 作站或人机接口终端，工业控制现场一般使用工业控制计算机o p c ) ，这样相应 地出现了应用于工业控制系统的组态软件，利用这些软件可以方便地进行工业控 制流程的实时和动态监控，完成报警、历史趋势和各种复杂的控制功能，同时节 约控制系统的设计时间，提高系统的可靠性。既然使用了p c ，为何不把p l c 的 功能也用软件在p c 上来实现呢，这也就是软p l c 产生的动机，再加上现在智能 i 0 终端的发展，更使得软p l c 的开发出现了上升的势头。目前已有很多家厂 商推出了在p c 上运行的可实现p l c 功能的软件包。 1 3 2 现场总线 现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节 点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络( i n t r a n e t ) 。它是在计算机网 络技术，通信技术和微电子技术飞速发展的基础上，与自动控制技术相结合的产 物。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其 与更高控制管理层次之间的联系。现场总线最大的技术特点有2 个，一是实现了 现场仪表的数字通讯，二是它的全开放性“”由于这2 个特点，现场总线具有节 省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护丌销，用户具有高度的系统集成主 动权，提高了系统的准确性与可靠性等一系列显著优点，它已经受到世界范围的 关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，各种现场总线的标准陆续形成其中主要的育局 部操作网络l o n w o r k s 、控制局域网c a n 、过程现场总线p r o f i b u s 、以太网现场 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 协议、m o d b u s 、基金会现场f f 、h a r t 协议等。它们具有各自的特色，在不同应 用领域形成了自己的优势。 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线 标准，即e n 5 01 7 0 欧洲标准。p r o f i b u s 现在已是欧洲首屈一指的开放式现场总 线系统，它已被全世界所接受。p r o f i b u s 是德国于2 0 世纪9 0 年代初制定的国 家工业现场总线协议标准，德国科学技术部总结了2 0 世纪8 0 年代德国工业界 自动控制技术的发展经验，认为为了适应2 0 世纪9 0 年代分布式计算机自动控 制系统的发展需要，有必要对当时的各公司自己定义的网络协议加以规范化、公 开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级能够兼容，以利于工业整 体标准化水平的提高，于1 9 8 7 年列为德国国家项目，由1 3 家大公司( 如著名 的s i e m e n s 、a g e ，a b b 公司等) 及5 家研究所经过两年多的时间完成。它于 1 9 8 9 年成为德国标准d i n l 9 2 4 5 ，于1 9 9 6 年成为欧洲标准，于1 9 9 9 年底成为国 际标准i e e 6 11 5 8 的组成部分( t y p ei f ) “”。 1 3 3p l e 与现场总线的结合发展 现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替1 0m a 或 4 - 2 0 m a 的现场电动仪表信号。现场总线i o 集检测、数据处理、通信为一体， 可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表。它不需要框架、机柜，可以直接 安装在现场导轨槽上，现场总线i o 的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开 始，沿数据链从一个现场总线i o 连接到下一个现场总线i o 。使用现场总线后， 自控系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可以节约2 3 左右，现场总线 f o 与p l c 相结合可以组成功能强大的、廉价的d c s 系统 现在许多p l c 都配有和现场总线联网的模块，使之可以就近挂接到现场总 线上使用现场总线后，操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备进 行参数调整，还可以通过现场设备的自诊断功能预测故障和寻找故障点。 利用现场总线技术，西门子p l c 具有强大的通讯功能，如今p r o f i b u s 有超 过1 2 0 0 余家会员单位嘲，全球的总安装节点已突破1 0 0 0 万，是全球公认的工业 现场总线标准的领跑者；新一代工业以太网标准p r o f i n e t 的提出，为以太网在 工业领域更大范围的应用提供了技术保障。凭借集成统一的通讯，西门子p l c 在 实现车间级、工厂级、企业级乃至全球企业链的生产控制与协同管理中起到了中 坚作用。 1 4 研究意义 。 锻造液压机是机械制造行业中的重型机械设备，是衡量一个国家机械制造业 水平和能力的标志之一，在国民经济中占有重要地位。传统的锻造液压机大多技 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 术落后，手工操作，劳动生产率低，原材料和能源消耗大。劳动条件恶劣。 西南铝业集团装备的3 0 0 l l n 模锻水压机( 如图i - 1 ) 是目前我国，也是亚洲 最大的摸锻液压机，是我国国防和基础建设的关键设备，为我国的经济发展和国 防建设起到了不可估量的作用，享有“国宝”的美誉。飞机( 包括波音系列、歼 字系列战斗机、s u 2 7 战斗机等) 大梁、机翼龙骨、起落架支柱、坦克转盘、长 征运载火箭、( 短、中、远程) 导弹( 如东风一3 1 、巨浪系列等战略导弹) 和深水 鱼雷等的端环、外壳等都是由其进行加工完成。2 “嘲 3 0 0 1 v l n 水压机现有的操作系统采用机械式的大扳把形式，由操作工人搬动 扳把通过一系列杠杆机构使阀芯控制机构处于相应的位置，从而完成各分配器的 分配任务。3 0 0 1 v l n 水压机共有六个分配器，分别为主分配器、中央顶出器分配 器、移动工作台分配器、侧项出器分配器以及左变压器操纵分配器、右变压器操 纵分配器。其中前四种分配器是机械驱动的，由于机械杠杆的力不足以使阀芯动 作，故需要从系统本身引入高压水通过中间机构来使周芯完成动作。其中主分配 器阀芯的动作是通过接力器完成的，其余的分配器的阀芯的动作则是通过单顶缸 完成的。另外，左右变压器的分配器是由电磁铁给出控制信号，驱动单顶缸完成 阀芯的动作。即原系统分配器的控制方式为“水控水”的方式。水压机现有的控 制方式已明显老化、落后，水压机的运行的可靠性得不到保证现有的操作系统 图卜i3 0 0 蝌模锻水压机 存在着大扳把形式操作不便，机械式控制精度不高，响应速度慢，液压联锁可靠 s 中南大学硕士学位论文第一章绪论 性差，有些位置不能操控等诸多不足。 随着液压及控制学科的发展，采用现代化的科学技术对水压机进行改造，以 提高设备的控制精度，改善设备的操作方式，提升设备的自动化水平，是完全必 要和追切的。 3 0 0 m n 水压机经过了第一步改造，成功完成了水压机同步平衡系统、应力 保护系统。在此基础上，有必要对水压机进行第二步改造操作系统的现代化改 造，即水路系统和油路系统的改造，将原来的“水控水”变为“油控水”方式， 即操作手柄和按钮给出信号，电控系统驱动油压系统，带动各分配器的机械机构， 控制阀芯的开闭，从而驱动水压系统完成相应的运动。并将整个操作系统改为数 字电液伺服控制，对水压机的工作过程实现快速、精确控制以提高水压机的工作 效率和j n t 精度以及实现智能控制、上位计算机监控管理。改造后的系统为数字 式电液控制系统，系统的响应速度将更快，控制精度将提高，生产加工实现自动 化和智能化。 1 5 本文研究内容 本文针对3 0 0 m n 水压机操纵控制系统改造的要求，提出了多级p l c 的集散 式操纵控制系统，对水压机实现了自动控制，实现了生产加工过程智能化，提高 了劳动生产率。本文对操纵控制系统改造方案，系统数据通讯的网络选取和数据 通讯的机理与实现，分配器凸轮轴转角的控制进行了分析和研究，并分析说明了 结构化的编程思想和方法在控制系统程序的编制中的运用。文章各章节的内容如 下： 第一章：绪论部分，介绍了项目来源，液压机的技术现状与发展趋势，p l c 与 现场总线，研究意义等，提出了本文的研究内容。 第二章：分析说明了操纵控制系统的改造方案，包括分配器设计、操纵油路系 统设计、检测系统设计和控制系统设计。对硬件选型和编程组态软件进行了介绍， 为文章后续章节的论述打下了基础。 第三章：从水压机操作控制系统数据通讯所要求的确定性和快速性出发，本 章比较分析了s 7 工业通讯网络中m p i 、p r o f i b u s 和工业以太网这3 种通讯网 络各自的优缺点和适用范围。选择确定了系统内各部分数据通讯的通讯网络说明 了数据通讯的机理并给出了部分通讯程序。 第四章：根据各分配器的具体控制要求，在分析比较了各控制策略优缺的基础 上，选取了各分配器凸轮轴转角控制的控制策略。达到了满意的控制效果。运用 结构化编程的方法，兼顾软件代码的可重用性和可读性，完成了水压机操纵控制 系统的p l c 程序，满足了各项控制功能要求。 第五章：对文章所作的研究工作和内容进行了总结，在文章所做研究和改造 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 工作的基础上，对该系统未来发展趋势和发展方向展望。 中南丈学硕士学位论文 第二章水压机操纵控制系统改造方案研究与确定 第二章水压机操纵控制系统改造方案研究与确定 3 0 0 m n 水压机操纵控制系统的改造是一个系统工程，涉及到分配器系统设 计、操作油压系统设计、检测系统设计和控制系统设计等诸多方面的内容。为了 便于论文后续章节论述的展开，在此有必要对整个系统的改造方案和内容进行分 析说明。 2 1 改造原则与总体方案 2 1 1 改造思路、原则 从系统的可靠性出发，采用先进的技术，设计新的系统。改造后系统为一个 数字式电液伺服系统。由操作台上操作手柄、按钮发出控制信号。由智能控制器 p l c 实现油压系统的控制，从而驱动执行油缸，实现分配器阀的正确动作。并由 检测系统检测凸轮驱动机构的实际位置，反馈给控制系统，实现闭环的控制。另 外，检测系统还检测系统的其它物理量，用以监视水压机的工作情况。改造后的 系统遵循以下原则： 1 、完全满足系统的原有功能： 2 、实现自动操作； 3 、系统的控制精度、响应速度等特性都大幅度提高； 4 、系统可靠性提高。 2 1 2 改造的总体方案 根据改造的目的要求分析，针对水压机目前状况和工作要求，水压机操纵系 统改造总体方案如图2 - - 1 所示。整个系统由操作台、两级p l c 控制系统、分配 器及操纵油压系统构成。两级控制系统是上位机p c + 两级p l c 分布式控制系统， 为整个操纵控制系统的核心，用以完成整个系统的控制。操纵系统工作时由操作 台上的操作手柄、按钮发出控制信号，通过p l c 控制油压系统驱动执行油缸， 以实现分配器阀的正确动作；由检测系统检测凸轮驱动机构的实际位置，反馈给 控制系统，以实现闭环控制；检测系统还检测系统的其它物理量，用以监视水压 机的工作情况。水压机操作系统原理框图如图2 2 所示其中，油压系统的执 行机构为一个伺服油缸，检测装置检测分配器的转动角度，反馈给控制器实际的 转角位置信号，以便实现闭环控制。改造后的系统幽操作台部分、p l c 控制系统、 分配器部分及操纵油压系统构成。系统各部分的功能概述如下： 操作台：发出控制信号，包括手柄扳把的选择角度信号及丌关按钮信号。 生! 塾釜! ! 塾堂垡垫第二童查压机操纵控制系统改造方案研究与确定 控制系统：上位杌p c + p l c 分布式控制系统，为整个系统的核心，完成整个 系统的控制。包括模拟量输入输出、开关量输入输出及通讯模块。 图2 1 水压机操作系统改造总体方案 分配器部分；改变原有的分配器驱动方式，以适应改造后的先进的控制方式。 操纵油压系统：添加油压系统，驱动伺服油缸，实现“油控水”功能。 液压操作系统改造设计为一个电液伺服系统，控制分配器各阀门的位置。改 造后的系统，将具有以下新的功能特点： l 、小扳把操作 2 、高精度压力检测 3 、高精度操作位置控制 4 、连锁与智能化 5 、同步均压与主缸卸压协调 6 、活动横粱变形实时误差补偿 7 、欠压量自动控制 8 、模压全过程自动化与智能化 根据总体方案，需要进行以下几个方面的改造；( 1 ) 改翻板机构驱动分配器 阀芯为凸轮顶杆机构驱动分配器阀芯，重新设计各分配器及其支架；( 2 ) 增设一 图2 - 2 水压初操作系统原理框图 2 中南大学硕士学位论文 第二章水压机操纵控制系统改造方案研究与确定 个中压油站，用液压油推动装在分配器基座上的齿轮、齿条机构，操纵凸轮顶杆 机构，控制分配器各阀芯的位置，实现“油控水”功能；( 3 ) 采用可编程控制器 结合上位机的两级控制控制方式，可编程控制器控制油压系统，上位机监控系统 的重要参数。 分配器系统设计 现有分配器阀芯驱动方式是翻板机构方式，阀门开启不便、不很合理，且分 配器的结构较为复杂、体积较大，控制不便。现根据水压机系统功能要求，分配 器采用“油缸+ 齿轮齿条+ 凸轮顶杆装置+ 阀芯”的驱动形式，其工作原理主要 是由液压系统供油，通过油压缸驱动接力器中的齿轮齿条结构( 如图2 3 所示) 进行往复运动，带动与齿轮同轴的凸轮转动，再由凸轮带动顶杆结构( 如图2 4 所示) 进行上下运动，使阀体的阀芯开合，控制高压水的流量或流向，实现各 水压缸的加载或卸荷，最终控制各缸的动作， 圈2 3 分配器驱动机构示意图 轮 图2 4 凸轮顶杆结构图 完成水压机所要工作的状态。水压机变压器分配器开启图和水路图如图2 7 所 示为减少磨损，凸轮与顶杆之间采用滚轮从动件接触方式。 操纵油压系统设计 为实现水压机操纵系统“油控水”方式，在原有系统基础上必须增加一个油 压系统。水压机操纵油压系统主要用于推动八个油缸的运动，从而带动4 个分配 器的凸轮机构发生相应转动，使分配器各阀芯开启至各自要求的位置。图2 5 为伺服缸液压系统原理图。图2 - - 6 为分配器凸轮轴液压系统原理图。采用电液 比例流量阀，由控制器p l c 根据系统操作指令和系统工作状态控制比例流量阀的 流量。 检测系统设计 系统通过检测有关信号为控制系统提供反馈信息、提供控制依据。对操纵系 统信号进行整理分类，共计9 类信号，分别为电磁铁控制信号、行程开关信号、 按钮信号、扳把开关信号、指示灯信号、液压油站控制信号、液压调试信号、监 测信号、编码器信号。系统中需要检测的量有：操作台手柄扳把的旋转角度( 每 个角度与相应分配器阀芯开启的状态对应) 、分配器凸轮轴的旋转角度，系统压 力和包含各个行程开关、限程开关的信号，以及为保证系统安全运行的其它信号。 中南大学硕士学位论文第二章水乐机操纵控制系统改造方案研究与确定 各主要物理量的检测方式如下： ( i ) 操作台手柄扳把的旋转角度采用光电编码器检测。 ( 2 ) 分配器阀芯开启状态的检测采用光电编码器检测分配器凸轮轴转角，根据分 撮嘎乎缸 分配器齿轮一凸轮轴 一 f 。_ - _ - _ ，_ _ 一 l j 上二 图2 5 伺服缸液压系统原理图 图2 6 分配器凸轮轴液压系统原理固 配器开启图间接知道各阀芯的开启状态。如开启图2 7 ，工作过程中转角范围 不会超过一圈，为了减少成本，选用单圈绝对式旋转编码器，分配器凸轮轴转角 位置的检测与分配器的开启图相配合，以满足实际工况。 ( 3 ) 水压系统的压力和油压系统的压力通过压力传感器检测。由传感器转化为电 流或电压后接入到p