（机械电子工程专业论文）125mn挤压机操纵控制系统设计与研究.pdf

摘要 1 2 5 m n 挤压机是目前我国最大的卧式挤压机之一，是国防工业 和基础建设的重要设备。挤压机现有的操纵控制方式已明显老化、落 后，挤压机运行的可靠性得不到保证。现对其操纵系统进行现代化配 套改造，将分配器驱动方式由“电控水 改为“油控水”方式，并将 整个操纵系统改造为数字式电液伺服控制，实现挤压机自动、智能控 制，以提高它的生产效率和加工精度。 根据改造的思路和原则，构建了分布式网络控制系统。分析比较 了当今几种典型现场总线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，并合理规划配置了硬件。阐明了操 纵控制系统内各部分数据通讯的机理和实现，实现了网络数据通讯的 诊断和故障报警；针对常规w i n c c 数据采集的局限性，采用原始数 据归档的方式实现了挤压机工作过程中重要参数的高速数据采集；在 满足原有性能指标的前提下，根据系统改造方案以及7 个分配器的特 点，并考虑到加工制造的方便和互换性，设计了3 套接力器，并完成 了相应液压驱动系统的设计；分析了分配器的控制机理，针对分配器 各自的特点以及不同的控制精度要求，采取了不同的控制策略，得到 了满意的控制效果；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；建立了分配 器液压驱动系统的仿真模型，并利用t r u e t i m e 工具箱，在 m a t l a b s i m u l i n k 下仿真实验分析了网络时延的引入对闭环系统控制 性能的影响。 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。 关键词挤压机，操纵控制系统，油控水，p l c ，现场总线 a bs t r a c t 12 5 m ne x t r u s i o np r e s si so n eo ft h el a r g e s th o r i z o n t a le x t r u d e ri n c h i n ap r e s e n t l y , w h i c hi st h ep i v o t a le 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 n 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 r n 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 e l e c t r i c i t y c o n t r o lw 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 eo p e r a t i o ns y s t e m i s u p d a t e d t o d i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i c s e v e r - c o n t r o l s y s t e m t h e a u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n tc 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 n c e w o r ke f f i c i e n c ya n da c c u r a c y a c c o r d i n gt o t 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 ，d i s t r i b u t e d n e t w o r kc o n t r o l s y s t e m i sc o n s t r u c t e d t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ，a p p l i c a t i o n o fs o m ec u r r e n tc l a s s i c a lf i e l d b u s e sa r e a n a l y s e da n dc o m p a r e d t h ep r o f i b u s d pn e t w o r kw h i c hc a ns a t i s f y h i g hs p e e d a n dr e a l t i m e r e q u i r e m e n t s i sc h o s e na n dt h eh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o ni sr a t i o n a l l yp l a n n e d t h em e c h a n i s ma n dr e a l i z a t i o no f d 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 l s y s t e ma r ei l l u m i n a t e d d i a g n o s i sa n dm a l f u n c t i o na l a r mo fn e t w o r kd a t ac o m m u n i c a t i o na r e i m p l e m e n t e d a g a i n s tt h el i m i t a t i o no fc o n v e n t i o n a ld a t ac o l l e c t i o ni n w i n c c ，k e yp a r a m e t e r s h i g hs p e e dc o l l e c t i o ni nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s o fe x t r u d e ri si m p l e m e n t e dt h r o u g hr a w d a t aa r c h i v i n g a c c o r d i n gt ot h e s y s t e mr e n o v a t i o np r o g r a ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e nd i s t r i b u t o r s a n d t a k i n g i n t oa c c o u n tt h ec o n v e n i e n c eo fm a n u f a c t u r ea n d e x c h a n g e a b i l i t y , 3s e t ss e r v o m o t o r sa n dc o r r e s p o n d i n gh y d r a u l i cd r i v i n g s y s t e m a r e d e s i g n e d o nt h eb a s i so f s a t i s f y i n g t h e o r i g i n a l p e r f o r m a n c e t h ec o n t r o lm e c h a n i s mo fd i s t r i b u t o r si sa n a l y s e d t h e ni n a c c o r d a n c ew i t ht h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f e r e n tc o n t r o lp r e c i s i o n d e m a n d ，d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ec h o s e na n d t h es a t i s f y i n gc o n t r o l r e s u l ti so b t a i n e d i nt h ep r o c e s so fp l cp r o g r a m m i n g ，t h ec o n c e p ta n d m e t h o do 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 n o fm o d u l a ri n d e p e n d e n c e ，t h em o d u l e sw h i c ha r eh i g h 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 f s 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 i i b er 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 s i m u l a t i o nm o d e lo fd i s t r i b u t o r s h y d r a u l i c d r i v i n g s y s t e mi ss e tu p t h ei n f l u e n c eo fi n t r o d u c t i o no ft h en e t w o r kd e l a yo n t h ep e r f o r m a n c eo fc l o s e l o o ps y s t e mi sa n a l y s e di nm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t b yu s i n gt h et 1 m e t i m et o o l b o x t 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 dp r e c i s i o n a n dr u nw e l l t h e d e s i g nc 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 ：e x t r u s i o np r e s s ，o p e r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ，o i lc o n t r o l w a t e r , p l c f i e l d b u s 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论文中作了明确的说明。 作者签名：曼互玛豇函日期：立盟卫年月姐日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 婢 中南人学硕i ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 本论文“1 2 5 m n 挤压机操纵控制系统设计与研究”的背景是西南铝业集团有 限公司“1 2 5 m n 挤压机现代化配套改造”项目。该项目主要包括操纵系统改造、 大小= 1 了流装胃改造、进料机构重新设计制造、运垫机构改造、润滑系统改造、挤 压中心在线监测等几大部分。本论文主要研究工作为1 2 5 m n 挤压机操纵系统改 造。 西南铝j i 卫集团有限责任公司锻造分厂的1 2 5 m n 挤压机( 如图卜1 ) 是我国目 自仃最大的挤压机之一，是国防工业和基础建设的关键设备，在我国国防建设和经 济发展中发挥着重要的作用。该机由沈阳重型机器厂在2 0 世纪6 0 年代初期设计 和制造，是我国自力更生生产的第一台这种大型的设备。1 2 5 m n 挤压机为卧式四 缸四柱带穿孔系统结构，泵一蓄势器传动方式。挤压力分5 5 m n 7 0 m n 1 2 5 m n 三级， 穿孑l 力为3 1 5 m n 。该机以正向挤压为主，但也考虑了反向挤压的可能性，主要 用于生产大型的铝型材、铝棒材、铝管材等，例如波音飞机和直8 的机翼。其制 品最大外接圆直径可达6 0 0 m m ，最大宽度8 0 0 m m ，最大长度3 0 m 。 图1 - 112 5 m n 挤压机 中南大学硕士学位论文第一章绪论 但是由于该挤压机建成于上世纪六十年代末期，控制方式落后、自动化程度 低、控制元器件老化，其控制系统控制精度不高、响应速度慢、可靠性低，已不 能满足现代化生产的需要。 随着电子技术、液压控制技术以及液压元器件的进步和发展、控制学科的发 展等，采用现代化的科学技术对挤压机进行改造，以提高设备的控制精度、加工 精度以及生产效率，改善设备的操作方式，提升设备的自动化水平，是完全必要 和迫切的。 1 2 挤压机的技术现状及发展趋势 1 2 1 国内外大型铝挤压机的技术现状 我们一般称挤压力大于5 0 m n 的为大型挤压机，挤压力大于8 0 m n 的为特大型 挤压机。据不完全统计，目前全世界已投产的挤压力大于5 0 m n 的铝型材挤压机 约有6 5 台左右。美国拥有大型挤压机最多，达2 0 台，超过i o o m n 的有4 台。俄 罗斯有l o 台，大部分是8 0 年代以前投产的，泵一蓄势器传动方式居多，其中前 苏联古比雪夫铝加工厂的2 0 0 m n 挤压机是世界上最大的挤压机。日本有4 台，挤 压力最大的为9 5 m n 。德国有5 台，德国v a w 波恩工厂1 9 9 9 年投产了一台i o o m n 的双动油压挤压机。韩国、波兰、瑞士、挪威、瑞典各有l 台大型挤压机，挤压 力在6 5 m n 一- - , 9 0 m n 之间。意大利有3 台大型挤压机，2 0 0 0 年建成投产了一台1 3 0 m n 的铜、铝油压挤压机。我国拥有大型、特大型挤压机数量大约是2 0 台。 在挤压机本体方面，近年来国外发展了钢板组合框架和预应力“t ”型头板 柱结构机架及预应力混凝土机架，大量采用扁挤压筒、固定挤压垫片、活动模架 和内置式独立穿孔系统。在传动形式方面发展了自给油机传动系统，甚至在 i o o m n - - 一1 5 0 m n 挤压机上也采用了油泵直接传动装置。现代挤压机及其辅助系统 的工作都采用了p l c ( 程序逻辑控制) 系统和c a d e x 等控制系统，即实现了速度 自动控制和等温一等速挤压、工模具自动快速装卸，乃至全机自动化控制。挤压 机的机前设备( 如长坯料自控加热炉，坯料热切装置和坯锭运送装置等) 和机后 设备( 如牵引装置，精密水、雾、气在线淬火装置，前梁锯，活动工作台，冷床 和横向运输装置，拉伸矫直机，成品锯， 续化运行f 。 美国通用合金( u n i v e r s a la l l o y ) 人工时效炉等) 已经实现了自动化和连 公司对其购进的二手二战时期德国杜依 斯堡( d r i s b u r g ) 液压公司制造的1 2 5 m n 挤压机进行了技术改造。主要改造内容： 一是挤压力由1 2 5 m n 提高至1 4 5 m n ；二是由原来的正向挤压改为正、反向两用挤 压机；三是由泵一蓄势站传动改为油泵直接传动。改造的目标是为波音公司生产 2 中南大学硕上学位论文第一章绪论 7 e 7 型飞机、欧洲空中客车公司生产的a 3 8 0 飞机从机身到机翼的各种特大型材， 如纵梁、板条、一体化带筋壁板等。可生产长3 2 m ，最宽壁板1 0 1 6 m m 、单位质量 1 3 4 k g m 的铝型材。改造完成后，该挤压机将是北美最大铝型材挤压机，世界上 最大的泵直接传动的挤压机，世界第三大铝型材挤压机【2 】【3 】【4 】。 近年来，我国改造或者新建的大型挤压机主要有：1 、1 9 9 9 年我国太原重型 机械集团有限公司设计、制造出了7 5 m n 泵直接传动铝挤压机。2 、西南铝业集团 有限责任公司9 5 8 0 m n 挤压机现代化配套改造；3 、2 0 0 2 年山东丛林集团投资， 西安重型机械研究所设计、上海重型机器厂制造的世界第一条i o o m n 油压双动铝 挤压机。4 、2 0 0 5 年，辽宁忠旺集团投资，西安重型机械研究所设计、上海重型 机器厂有限公司制造的1 2 5 m n 油压双动铝挤压机。它是目前世界上采用油压驱动 的最大双动卧式铝挤压机，标志着我国重型机械设计制造进入了世界领先的水 平。 在这些挤压机改造或者新建过程中，通过采用世界最先进的制造技术、挤压 工艺技术、液压技术和电控技术，将其配套改造、开发成具有国际先进水平的现 代化挤压生产线，并且在改造、新建期间研制开发了一系列新设备、新机构、新 工具、新工艺，并解决了许多关键技术。 ( 1 ) 液压系统 9 5 8 0 m n 挤压机在改造中，由泵一蓄势器传动方式改造为油泵直接传动。用5 台p v v 一5 4 0 大流量伺服变量轴向柱塞泵给主系统供油，泵的额定工作压力为 3 1 5 m p a ，最高压力可达4 0 m p a 。控制阀选用集成式插装阀，各控制回路阀块除 有特定控制功能外，还具有超压保护功能。主缸控制回路阀采用先进的差动式比 例锥阀。通过计算机设置回路压力或流量大小，实现主缸准确的无级卸压及回程 调速控制，使挤压机能够快速、无冲击的平稳工作。 控制回路中利用位移传感器将变量缸位移信号反馈给伺服放大器前端，从而 实现高精度的远程可变流量控制。利用压力传感器将压力反馈信号与预置压力信 号进行比较，实现泵的压力控制。由于控制回路采用了先进的流量、压力双指令 控制，可实现主油泵的稳定变量控制，进而准确稳定的控制挤压、剪切等运动部 件的速度【5 】【6 】。 i o o m n 挤压机在挤压速度为0 2 5 m m s 专门配置了小流量高压变量泵和高 频响应的电磁比例阀联合调速的闭坏回路，通过p i d 调节器使挤压轴按挤压工艺 要求的速度一行程曲线来调整，使重达1 8 0 t 的活动部分在0 2 m m s 低速工作下不 爬行，调速响应频率不超过5 0 m s ，达到较高的调速精度。挤压速度大于5 m m s 时，直接用变量泵加定量泵进行开环容积调节，为挤压机创造了可实现等温挤压 工艺的变速条件。针对挤压机挤压力大于i o o m n 时，主缸内油液压缩量达1 8 4 l ， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 按3 s 卸压时间计算，瞬时排出的流量高达3 6 0 0 l m i n ，相当于7 台5 0 0 l m i n 流 量的大泵在同时排放，容易产生大的振动，给系统造成大的危害的情况，应用了 西重所的专利技术“带阻尼卸压、排液用三级插装阀 1 7 j ，使系统能按理想的卸 压曲线进行快速卸压、振动小、挤压机工作平稳。 主机液压控制系统集中在油箱顶部，采用新一代的二通插装阀集成式分配 器，该阀具有开启行程小、过油量大、动作响应快等特点。对几只流量特大的主 阀采用西重所专利技术“用于高压大流量进、排液控制的三级插装阀”，在先导 控制阀和大通径插装锥阀之间增加一套中间插装阀，并通过功能元件控制三级阀 的启闭速度构成理想的液压控制回路，减少了系统冲击，加快了阀的启闭速度瞄】。 中间主缸的柱塞直径达2 m ，为确保高速空程前进的缸内充液和回程时大流 量的排液，要避免主缸吸空，西重所自行开发设计了国内卧式液压机最大口径 d n 4 0 0 的充液阀【9 】在主缸后部三只并联使用【1 0 】。 1 2 5 m n 挤压机选用预卸压阀和比例溢流阀两种卸压元件来实现挤压机的卸 压。通过电控系统控制的比例溢流阀在卸压初始阶段有良好的卸压性能，但当压 力减小到3 m p a 左右时，其卸压速度急剧减慢，此时启用预卸压阀，使工作缸的 压力快速卸掉。比例溢流阀可根据不同的挤压工艺及挤压工具，设定挤压机最高 工作压力，从而对挤压工具起到有效保护作用。1 2 5 m n 挤压机采用了与i o o m n 挤 压机类似的充液系统，并自行开发研制了相应规格为d n 4 5 0 的充液蝌j 。主控液 压系统采用带外控功能的两级控制插装测1 2 】，通过调整先导控制阀下叠加的双 作用单向节流阀，实现对主阀启闭速度的有效控制，所带外控功能可以有效改善 大型两级插装阀动作响应慢的缺点。辅控系统的油源是由定量泵与蓄能器构成的 恒压传动系统，选用带叠加式高开启压力液压锁的j 型中位机能比例或普通电磁 滑阀作为控制阀，确保在阀断电状态时辅机装置的位置固定，为挤压机的自动化 提供保障。 1 2 5 m n 挤压机在液压系统设计时分析了引起油温升高的原因，采用变量泵或 变量泵与定量泵组合的形式通过容积调速的方法来实现工作缸工作速度的调整， 尽可能少用节流阀和减压阀，使系统溢流尤其是高压溢流情况的出现减少到最低 程度。挤压筒锁紧保压系统、主泵外控系统、阀外控系统均采用恒压变量泵与蓄 能器组合而成的恒压传动系统，保证了微量溢流情况下的恒定控制压力输出，既 节能又降低了发热1 1 引。 ( 2 ) 电控系统 7 5 m n 铝挤压机机后区分成三个相对独立的控制区，采用三台p l c 对其进行 控制，可独立工作，互不依赖，同时应用网络技术将p l c 联网，实现集中监督、 管理。p l c 选用高可靠性的s i m a t i cs 7 系列产品，配置为1 套s 7 4 0 0 p l c 、2 套 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 s 7 3 0 0 p l c 以及分布式i o 和人机界面t d l 7 、0 p 2 7 ，通过p r o f i b u s - d p 网络连接 起来，实现联网控制【1 4 】。 为了实现生产车辆用大型铝合金型材所要求的铸锭加热温度准确、挤压速度 稳定可控、牵引与热锯同步、成品精密锯切等性能，9 5 8 0 m n 挤压机电控系统选 用西门子公司的s 7 4 0 0p l c 作为主控组件和p r o f i b u s 网络，组成全机列的控制 系统。有良好的人机界面，可方便地实现工艺参数和控制参数的设定，并具有监 控和故障诊断功能。与液压系统共同组成的液一电闭环系统，可实现挤压速度的 自动控制，挤压速度与热锯、牵引机速度的同步控制，以及拉伸矫直机的拉伸率 自动控制等【1 5 j 。 i o o m n 挤压机电气控制系统由独立的三部分组成：主机、活动出料台以及后 部出料系统，它们通过m p i 网络相互通讯，对挤压生产线进行联网控制。主机控 制系统采用西门子s 7 4 0 0 系列p l c ，c p u 为4 1 6 - 2 ，通过p r o f i b u s - d p 与分布式 i 0 模块e t 2 0 0 m 进行通讯，共同担负主机的数据采集、处理、挤压工作程序的 执行。操作台上两台s i m a t i ct p 3 7 - 1 0 触摸屏与主机、活动出料台以及后部出料 系统的p l c 通过m p i 构成网络，来完成下列主要操作功能：泵的启动停止；联机 设定挤压机参数；图形显示挤压速度、压力、位置的实际值；故障显示与报警等。 ( 3 ) 等温挤压与速度控制 挤压过程是挤压轴将挤压筒中的锭坯从模具孔挤出的过程。2 0 世纪6 0 年代 以前，挤压机大多是泵一蓄势器传动，挤压速度随负荷的大小有明显变化，使人 们着眼于如何保持挤压速度恒定，即努力追求所谓的等速挤压。经过长期的研究 和生产实践，人们注意到挤压过程中金属的温度有所升高，接触的挤压工具冷却 的条件有所变化，因而影响金属内部的组织部均，并直接影响产品的质量，因此 提出了保持挤压制品出口温度恒定的等温挤压的新概念。等温挤压的特点就是要 确保在整个挤压过程中，模孔附近变形区金属的温度始终恒定或基本恒定，尽量 保持金属变形抗力和金属流动的均匀性，使模孔的压力不变或基本不变，从而获 得较高的挤压速度，同时挤压型材的形状与尺寸精确、组织与性能沿断面和长度 方向均匀性也能获得提耐1 3 】。 目前，国内外有关等温挤压技术已经完全成熟【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 】【2 1 1 【2 2 】【2 3 1 ，现在用的 等温挤压，实质是模拟等温挤压，是以计算机对典型挤压制品实际挤压过程分析 所建立的模型为基础，控制、调节挤压速度而建立的接近于等温的挤压过程。太 原重机所设计的7 5 m n 挤压机、西南铝的9 5 8 0 m n 挤压机、西重所设计的i o o m n 和1 2 5 m n 挤压机都能够实现等温挤压。 ( 4 ) 辅助设备 根据工艺要求，7 5 m n 铝挤压机机后区划分为相对独立的三个控制区即热锯 5 中南火学硕 = 学位论文第一章绪论 控制区、拉扭控制区和冷锯控制区。热锯控制区由出料台、水冷淬火、随动热锯、 过渡辊道、出料辊道、风冷装置、牵引机、锯屑收集、移料、冷床组成。拉扭控 制区由拉扭上下料装置、拉扭娇直机、过渡台，储料台组成。冷锯控制区由运输 辊道、锯钱辊道、冷锯、锯后辊道、定尺装置、定尺辊道检验平台组成。通过应 用先进的电气传动、控制、网络、信息交换以及计算机管理技术，使机后区的控 制达到国内外先进水平。 为了满足大型材和大管材生产的工艺要求，9 5 8 0 挤压机前配置了由波兰设 计的具有现代化水平的扁锭和圆锭工频感应加热炉，温度控制准确，可实现梯度 加热等温挤压。机后出料部分配置了由德国s m s 、波兰与西南铝共同开发的精密 水雾气在线淬火装置，可保证扁宽薄壁型材的平直度与力学性能。同步热锯和牵 引机以及出料台和横向运输装置；自动控制拉伸娇直机、自动定尺锯床、多功能 辊矫机和3 0 m 长件人工时效炉等，行成了一条从铸锭加热、挤压、在线淬火、牵 引、拉矫、锯切、辊矫到人工时效、包装、交货的全自动生产线【2 4 1 。 为了生产出高质量的产品，i o o m n 挤压机的后部处理设备综合了国际流行后 部处理设备的先进技术与工艺流程，遵循最大可能减少摩擦，尤其是滑动摩擦， 保证产品的力学性能与组织性能的设计思想，关键控制元件和高强耐热毡带选用 国际，成为国内外先进水平的后部处理设备。其后部处理设备包括初始台、适用 于大型铝型材的8 0 0 k g 牵引机、气一水联合淬火装置、移动式热锯、6 0 m 长冷床 ( 包括横向提升机构、拉伸机处的活动过桥) 、带辊子的升降式过桥、4 m n 在线 拉伸娇直机、步进式储料平台、锯前辊道、成品锯、锯后定尺台、制品检验台等。 1 2 2 挤压机的发展趋势 电子技术的发展、计算机的应用和普及，促进了挤压设备控制系统的高度自 动化，提高了挤压机速度闭环控制的精度，进一步满足了挤压工艺的要求。通过 金属加工理论的研究，新工艺、新设备的开发，以及有效移植现代科学技术的成 果，挤压机在以下几个主要方面的发展将引起人们的关注： ( 1 ) 挤压设备 挤压机将向大型化、紧凑型、组装式、成套化、自动化、高效节能环保型方 向发展。世界正兴起一股大挤压机热潮，预计在近几年内2 5 m n 以上的挤压机所 占比例会超过2 0 ，5 0 m n 以上的挤压机可达1 0 0 台以上，8 0 m n 以上的挤压机可 达4 0 台以上。挤压机本体结构更趋紧凑，刚度和强度更高，工模具配置更合理， 功能更齐全，全部采用泵直接传动，其液压系统、电控系统达到相当高的自动化 水平。机前的坯料加热与剪切装置、机后的在线自动淬火、牵引机、同步热锯和 精密定尺锯、自动输出系统和冷却系统、拉矫、辊矫精整系统和热处理配套齐全 6 中南大学硕上学位论文第一章绪论 2 5 1 。 ( 2 ) 挤压生产全过程计算机管理 随着电子技术的发展，电子计算机进入挤压生产管理、挤压过程控制已经成 为现实。可以预见，电子计算机的进一步应用，将会在挤压的生产管理、制品的 质量控制、提高生产效率、减少金属消耗、降低废品率等方面发挥更重要的作用。 据报道，美国、德国已有铝型材厂实现了从产品订单开始，到产品发货的全过程 计算机管理( e d p 控制) 及工艺过程的智能化控制。德国德马克研制开发了 “e x t r u a t 系统软件包，是一个挤压工艺过程的数据库，可用于工艺参数和控 制系统 p i c o s ( p r o c e s si n f o r m a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ) 及正向挤压计算机 辅助控制系统 c a d e x ( c o m p u t e ra i d e dd i r e c te x t r u s i o n ) 【2 6 1 。 ( 3 ) 新材料、新品种挤压制品的开发 在大型型材、壁板的生产方面，产品规格品种明显增加，难度加大，其特征 是宽高比大、壁厚薄。俄罗斯已经在2 0 0 m n 的挤压机上生产出2 0 0 0 m m 宽的壁板， 美国、日本也有生产1 6 0 0 m m 壁板的报道，德国波恩挤压厂在7 2 m n 的挤压机上可 批量生产最大宽度为6 5 0 m m ，壁厚2 5 ，- - l o m m ，长度达3 0 m 的宽扁复杂空心型材 以及大直径薄壁管材。就国内现状来看，生产高档、超大规格产品的厂家处于待 起步阶段。辽宁忠旺集团、山东丛林集团已有生产大规格壁板的能力和条件，但 形成成熟工艺和规模生产能力还需要一个过程。在高精度产品方面，也有一定的 差距。 从发展趋势看，在进一步加速通用挤压制品发展的同时，在脆性、难变形金 属材料的挤压加工技术方面也将会有更大的进步。随着重型挤压设备的开发和完 善，将会提供更大截面尺寸的挤压制品。未来十年，我国的挤压加工技术以及制 品在高、新、精方面将会有突破性进展。 ( 4 ) 挤压工艺 挤压工艺技术也将会有大的改进和发展。高效反挤压、扁挤压、宽展挤压、 组合模挤压、穿孔挤压、静液挤压【2 7 】f 2 8 】【2 9 】、连续挤压【3 0 1 、快速挤压等新工艺新 技术将得到更广泛的应用和推广。 1 3p l c 与现场总线 1 3 1p l c 可编程序控$ i j 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 7 中南大学硕：i ：学位论文第一章绪论 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【3 l 】。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1 3 2 1 ，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。 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 和数据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 产品已使用了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。 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；( 2 ) 多功能；( 3 ) 高可靠性；( 4 ) 良好 的兼容性；( 5 ) 编程语言向高层次发展；( 6 ) p l c 通信的易用化；( 7 ) 组态软件 与p l c 的软件化。 1 3 2 典型现场总线 现场总线( f i e l d b u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过 程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。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。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全 分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的 综合技术，受到了世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动 8 中南大学硕上学位论文第一章绪论 化系统结构与设备的深刻变革。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作现场总线控制系统 ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。人们一般把5 0 年代以前的基地式气动仪 表控制系统p c s 称作第一代，把4 2 0 m a 等电动单元组合式模拟仪表控制系统称 为第二代，把集中式数字控制系统称为第三代，而把7 0 年代中期以来的集散式 分布控制系统d c s 称作第四代。现场总线控制系统f c s 作为新一代控制系统，一 方面，突破了d c s 系统中因专用网络的封闭造成的缺陷，采用开放化、标准化的 解决方案，把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备连接成控制网络， 组合成各类控制系统，实现综合自动化的各种功能。另一方面把d c s 的集中与分 散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现 场啪3 。 现场总线的技术特点：l 、系统的开放性；2 、互可操作性与互用性；3 、现 场设备的智能化与功能自治性；4 、系统结构的高度分散性；5 、对现场环境的适 应性。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的 设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性：1 、节省硬 件数量与投资2 、节省安装费用；3 、节省维护开销；4 、用户具有高度的系统集 成主动权；5 、提高了系统的准确性与可靠性。 自上世纪8 0 年代以来，发展成熟、应用广泛的现场总线主要有： c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网) 总线、f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ， 基金会现场总线) 总线、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ，局部操作网络) 总线、h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 总线、p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e l d b u s ，过程现场总线) 总线。这几种总线各有所长，在各自的应用领域都已 经显露出各自的技术优势，其特性对照如表卜l 所示。 c a n 总线成本低，开发容易，抗干扰性强，非常适合用作传感器执行器总 线，但它的传输速度慢，传输距离也有限，不能满足有严格实时性要求的场合， 其主要应用于汽车检测和控制【3 4 1 。f f 总线功能强大，支持本征安全系统，实时 性好，总线供电，其虽然性能突出，但是开发费用昂贵，技术复杂，并且真正通 过f f 测试的产品不多且价格较高，它主要应用于流程控制领域【3 5 】。l o n w o r k s 总 线开发平台完善，在楼宇自动化、电力行业、测控系统和智能通信产品方面具有 较大优势，由于行业应用的特点和历史原因，在离散制造j j n - r _ 领域没有优判3 6 】。 h a r t 总线建立在目前广泛采用的模拟系统之上，技术上也充分考虑连续过程使 用环境的需要，其技术本身还在不断完善与更新，如需提高传输速率。p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络。 表1 - 1 几种典型现场总线产品及特性对照表 1 4 本文研究内容 本文针对1 2 5 m n 挤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，对挤压机实现了自动控制，实现了生产加工过程智能化，提高 了生产效率。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，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，仿真分析了网络时延对控 制系统性能的影响。本文各章节的内容如下： 第一章：绪论部分，介绍项目来源，大型挤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，提出本文的研究内容。 第二章：分析说明操纵控制系统的改造方案，包括接力器设计、分配器液压 驱动系统设计、检测系统设计和控制系统设计，为文章后续章节的论述打下基础。 第三章：阐明硬件组态过程以及主站与不同d p 从站之间数据通讯的机理和 实现，并通过上、下位机编程组态，实现网络通信诊断和故障报警。针对常规 w i n c c 数据采集的局限性，采用r a w d a t a ( 原始数据) 归档的方式实现挤压机工 作过程中重要参数的高速数据采集。 第四章：根据分配器的控制机理，针对不同控制要求，采用不同分配器凸轮 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 轴转角控制的控制策略，达到满意的控制效果。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，完成挤压机操纵控制系统的p l c 程序，满足各项 控制功能要求。 第五章：建立分配器液压驱动系统的模型，并利用实时控制与网络控制工具 箱t m e n m e ，在m a t l a b s i m u l i n k 下仿真实验分析网络时延的引入对系统控制 性能的影响。 第六章：对文章所作的研究工作和内容进行总结，在文章所做研究和挤压机 改造工作的基础上，对该系统未来发展趋势和发展方向展望。 中南大学硕士学位论文第二章挤压机操纵系统改造方案研究与确定 第二章挤压机操纵系统改造方案研究与确定 根据1 2 5 m n 挤压机的现状，其改造路线可以分为：一、完全改变原有的传动 形式，即由泵一蓄势器传动改为泵直接传动；二、在保留原有泵一蓄势器传动方式 的前提下对系统进行改造。改造为泵直接传动便于速度自动控制、等温挤压以及 全机自动化控制，可以极大的提升设备的技术水平，提高生产效率和加工精度， 但是采用这种改造路线其难度和成本也是极大的。l 、改造的工作量巨大。除了 挤压机本体外，原有的泵一蓄势器系统全部废弃，包括分配器、管路、蓄势器等 等，原有的液压缸、柱塞全部要彻底清洗或者重新加工制造，压型嘴纵向移动模 座改为滑移或回转模座，需要新增加一整套液压系统和电控系统；2 、改造周期 长，时间成本高。拆除原来系统、安装调试新系统，所需时间长，并且会耽误影 响到正常生产；3 、技术风险大。新系统的安装调试