（模式识别与智能系统专业论文）锻压机组控制系统.pdf

摘要 在论文中，结合实际工程要求和锻压机床的特点，以c o n t r o l le rl i n k 网络 为通信介质，开发了一个多p l c 的监控系统。利用组态王强大的图文并茂功能， 对上位机界面作了很好的开发。并根据触摸屏在现场使用的方便性，对触摸屏也 进行了开发。 该方案由三部分组成：现场锻压机o m r o np l c 控制部分、c o n t r o l l e rl i n k 数 据传输部分、监控室监控部分。 此锻压机组采用集中监控的方式。监控室需要对分散在不同地理位置锻压机 的压力、位移、速度等参数进行集中实时监控，控制各锻压机设备的运行，同时， 根据从现场监测到的运行参数，调节各工艺参数，从而使轧制的药物达到最佳性 能a 为了克服传统p i d 的控制缺陷，将模糊控制与p i d 控制相结合，大大提高了 锻压控制系统的性能。 该方案已经在西安一军工研究所中得到实际应用，运行状况良好。工程师可 对分布在不同位罱的锻压机进行控制，监视所有工艺运行参数。同时，将锻压机 的工作状态和相关数据记录下来，供研究人员对锻压机的工作性能进行分析，不 仅提高了工厂的效率和效益，也提高了药物性能。 这种监控方案也可应用在城市供热控制、石油、地震检测等方面。具有普遍 性和广泛的适用性。 关键词：锻压机c o n t r o l l e rl i n k p l c 组态王触摸屏 a b s t r a c t t h ep a p e rr e f e r st ot h em o n i t o r i n gs y s t e mo fm o r et h a no n ep l c ，c o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fm e t a l f o r m i n gm a c h i n e r ya n dt h ea c t u a lp r o j e c tsr e q u i r e ，b yt h ew a yo f t h ec o m m u n i c a t i o nm e d i u mo fc o n t r o l l e rl i n kn e t w o r k ，a n di ta l s ou t i l i z e sk i n g v i e ws s t r o n gf u n c t i o nw i t he x c e l l e n tp i c t u r e sa n dt e x t st od e s i g ni n t e r f a c eo nt h ec o m p u t e r f o rt h ec o n v e n i e n c eu s e da tt h es c e n ea c c o r d i n gt ot h et o u c h - s e n s i t i v es c r e e n ，i th a s b e e nd e v e l o p e dt o o t h i ss c h e m ei sm a d eu po ft h r e ep a g s ：o m r o np l ci nm e t a l f o r m i n gm a c h i n e r y o nt h es p o t ，d a t at r a n s m i s s i o no fc o n t r o l l e rl i n k ，a n ds u p e r v i s eo ft h ec o n t r o lr o o m t h em e t a l f o r m i n gm a c h i n e r ya d o p t st h e l o n g r a n g ew a yt o c o n c e n t r a t eo n c o n t r o l l i n g i tn e e d si tt oc o n t r o lc e n t r a l l ya n dr e a l l yt h ep a r a m e t e r so f t h em e t a l f o r m i n g m a c h i n e r yi nd i f f e r e n tg e o g r a p h i c a lp o s i t i o ns u c ha st h ep r e s s u r e ，d i s p l a c e m e n t ，s p e e d ， e t c ，a n dt oc o n t r o lr t l no ft h ee q u i p m e n ti nt h ec o n t r o lr o o m ，m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt o t h ep a r a m e t e rc a m ef r o mt h es p o t ，i tr e g u l a t e sc r a f tp a r a m e t e r , a n dm a k e sm e t a l f o r m i n g m a c h i n e r yr e a c ht h eb e s tp e r f o r m a n c e i no r d e rt oo v e r c o m et h e c o n t r o ld e f e c to f t r a d i t i o n a lp i d ，c o m b i n i n gt o g e t h e rw i t hf u z z yh a si m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o n t r o ls y s t e mo f m e t a l f o r m i n g t h i ss c h e m eh a sa l r e a d yp u ti n t op r a c t i c ei no n er e s e a r c hi n s t i t u t ea b o u tm i l i t a r y a f f a i r si nx i a n t h e r ei ss o m e t h i n gw e l l e n g i n e e r sc a nc o n t r o lm e t a l f o r m i n gm a c h i n e r y i nm a n yd i f f e r e n tp l a c e si nt h el o n gd i s t a n c e ，a n dm o n i t o ra l lc r a f tp a r a m e t e r s m e a n w h i l e ，w o r k i n gs t a t ea n dr e l e v a n td a t aa b o u tm e t a l f o r m i n gm a c h i n e r ya r ew r i t t e n d o w n t h e ni t i sh e l p f u lf o rr e s e a r c h e r st oa n a l y z et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c ew h i c h m e t a l f o r m i n gm a c h i n e r yi t n o to n l yh a si m p r o v e dt h ee f f i c i e n c ya n db e n e f i to ft h e f a c t o r yb u ta l s oi m p r o v e dp e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n e t h es c h e m ec a na l s oa p p l yh e a t i n gc o n t r o li nt h eu r b a n ，p e t r o l e u m ，e a r t h q u a k e m e a s u r e d i th a su n i v e r s a l i t ya n de x t e n s i v es u i t a b i l i t y k e y w o r d s ：m e t a l f o r m i n gm a c h i n e r y c o n t r o l l e rl i n kp l c k i n g v i e w t o u c h s e n s i t i v es c r e e n 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加阱标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些盍堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名砩冬v 甬签字同期：薄1 月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云控王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权浇明) 学位论文作者签名t 绰公踊 导师签名： 向瞄 障 签字日期：为9 年1 月1r签字r 期：拟工年月7 同 学位论文的主要创新点 一、高效的信息采集系统 在数据采集过程中，对数据信息进行条件采集、定期自动删除， 创建高效的信息采集系统。优化了传统锻压技术的信息管理。 第1 章绪论 1 1 液压传动的特点及应用 第1 章绪论 液压传动系统的优点很多在国民经济的各个部门得到了广泛的应用。目前， 其应用领域仍在不断扩展，从组合机床、机械手、自动加工及装配线到金属及非 金属压延、注射成型设备，从材料及构件强度试验机到电液仿真试验平台，从建 筑、工程机械到农业、环保设备，从能源机械调整控制到热力与化工设备过程控 制，从橡胶、皮革、造纸机械到到建筑材料生产自动线，从采煤机械到石油钻探 及采收设备，从航空航天器控制到船舶、火车、汽车等运输设备等等，液压传动 与控制技术已成为现代机械工程制造业的基本要素和工程控制关键技术之一。 与机械传动、电力传动等传动方式相比，液压传动具有下列优点： 1 、在传动同等功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结 构紧凑。据统计，液压马达的重量只有同功率电动机重量的1 0 2 0 ，而且能够 传递较大的力或转矩。 2 、液压传动装鼹工作比较平稳、反应快、冲击小，能高速启动、制动和换向。 液压传动装置的换向频率高，对于回转运动每分钟可达5 0 0 次，童线往复运动每 分钟可达4 0 0 】0 0 0 次。这是其它控制方式无法比拟的。 3 、液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便，易于实现自动化， 如果与电气控制相配合，可方便的实现复杂的程序动作和远程控制。 4 、液压传动装置能在运动过程中实现无级调速，调速方便，调速范围大，而 且调速性能好。其传动比可达1 0 0 ：1 至2 0 0 0 ：l 。 5 、液压传动装置易于实现过载保护。由于采用由也作为工作介质，液压传动 装置能自行润滑，故使用寿命较长。 6 、液压组件已标准化、系列化和通用化，便于设计和选用。 液压传动的主要缺点如下： 】、液压传动装置以液体作为传动介质，无法避免泄漏。液体的泄漏和液体的 可压缩性使液压传动无法保证严格的传动比。 2 ，液压传动装置由于在能量转换过程中存在着机械摩擦损失、压力损失和泄 露损失等，不易作远距离传输。 3 、液压传动装置对油温比较敏感，不易在低温和高温条件下工作。液压传动 装置对油液的污染比较敏感，要求有良好的过滤设施。 4 、液压组件制造精度要求高，使用维护要求严；液压传动装置出现故障时不 第1 章绪论 易追查原因，不易迅速排除。 1 2 液压传动技术的发展现状与趋势 相对于机械传动来说，液压传动是一门新兴技术。如果从1 7 世纪中叶帕斯卡 提出静压传递原理、1 8 世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动已有 2 0 0 3 0 0 年的历史了。当前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、 经久耐用、高速集成化等方向发展；同时，新的液压组件和液压系统的计算机辅 助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也日益取得显著的成果。 我国的液压工业开始于2 0 世纪5 0 年代，其产品最初应用于机床和锻压设备， 后来又用于拖拉机和工程机械。自1 9 6 4 年从国外引进液压组件生产技术，同时自 行设计液压产品以来，我国的液压生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械 设备上得到了广泛的应用。2 0 世纪8 0 年代起更加速了对西方先进液压产品和技术 的有计划引进、消化、吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量、 经济效益、人才培训、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。 电气传动与微电子技术飞跃发展使液压工程面临着新的挑战，怎样开发液压 技术应用的新领域，巩固和提高它在工程控制系统中的地位，已成为当前亟待解 决的问题。 例如：在数控机床上，电气传动与液压传动不断竞争，交替发展，几经反复， 电液伺服控制终于被电气伺服淘汰。但是液压组件和系统难以处理小功率信号的 数字运算、检测、放大、寄存和记忆，不宜进行小功率的、特别复杂的控制。所 以只有与电子技术密切结合爿能实现比较完美的控制。电一液控制技术早在电磁换 向阀出现时即已形成。电液伺服控制在工业大量应用之后又有电液比例控制技术， 电液数字控制以及液压组件及系统的电子计算机控制相继发展起来。因此，在压 药机械设备中，电一液控制的覆盖面很大，至少有9 5 以上采取电一液控制。一些电 液比例控制阀是普通阀加上比例电磁铁组成的，例如比例流量阀、比例压力阀。 这些阀输出的压力、流量与电磁铁输入的流量成正比，实现无极调节。另外还有 些是在电液伺服阀的基础上派生出来的，如电液比例方向阀和复合阀。它是通 过牺牲一些频率响应、控制精度等性能指标，简化机构，改善工艺性能、提高抗 污染能力而形成的。 1 3 课题研究的主要内容 本课题来源于一个军工项目，项目受军工企业的委托，由天津工业大学和某 锻压机床厂两方联合进行开发的。锻压机床厂研究液压压药机的机械部分。天工 大负责开发其电气控制系统。 第1 章绪论 液压传动在工业上的应用比较广泛。本课题根据工程的实际要求，主要做了 以下的工作： 1 、根据压药机的工艺要求，用c x p 4 0 进行编程，用o m r o np l c 对现场设 备进行控制。 2 、考虑到工业现场要求抗干扰性强、传输速率快等要求，选用工业网络 c o n t r o l l e rl i n k 柬实现p l c 与上位机的通信。通过c o n t r o l l e rl i n k 支持软件 f i n s g a t e w a y 对c o n t r o l l e rl i n k 网络作了一些基本配置。 3 、使用亚控组态王对上位机界面进行丌发。 4 、考虑到现场操作的方便性，在现场也安装了触摸屏，并对触摸屏进行了开 发。 5 、建立系统数学模型，并将模糊控制和传统p 1 d 控制相结合，以提高整个控 制系统的性能。 1 4 论文的主要特点 本论文的主要特点有： 1 、组态王与a c c e s s 数据库的数据交换 鉴于组态王提供的报表控件不能满足用户的要求，使用通用控件d b 6 r i d 以及 d b g r i d 控件提供的属性和方法，并通过s q l 语言，实现与a c c e s s 数据库的数据交 换。 2 、压药机f u z z y p i d 控制器设计 在生产现场往往由于参数不容易整定而使p i d 控制器动态、稳态性能满足不 了越来越高的控制要求。为了克服传统p i d 的控制缺陷，将模糊控制与p i d 控制 相结合大大提高了控制系统的性能。 3 、选用工业网络c o n t r o l l e f1 i n k 考虑到工业现场要求抗干扰性强、传输速率快等因素，选用工业网络c o n t r o l l e r l i n k 来实现p l c 与上位机的通信。 1 5 课题研究的目的及意义 论文主要讨论了以工业控制计算机和p l c 为中心，通过对压药机的加工信息 进行采集与分析，从而完成压药机速度、压力和位移控制的数控系统。数控系统 采用w i n d o w s 作为操作系统平台，组念王作为系统丌发工具，成功开发了功能丰 富的压药机控制系统，满足了生产的需求。 浚方案已经在西安一军工研究所中得到实际应用，运行状况良好。工程师可 对分布在不同位置的压药机进行控制，监视所有工艺运行参数。同时，将压药机 第l 章绪论 的工作状态和相关数据记录下来，供研究人员对压药机的工作性能进行分析，不 仅提高了工厂的效率和效益，也提高了药物性能。目前配各此数控系统的液压压 药机设备已经通过验收并用于生产加工，产生了较大的经济效益。并对我国的压 药机数控技术的发展将有重要的意义。 这种监控方案也可应用在城市供热控制、石油、地震检测等方面。具有普遍 性和广泛的适用性。 第2 章液压压药机控制系统 第2 章液压压药机控制系统 x x 型液压机是天津工业大学和某锻压厂两方合作开发的数控锻压设备。目前 此套设备已投入加工生产，产生了较大的经济效益，用户的反映良好。 此压药机的设计主要分为两部分：液压系统设计和电气控制系统设计。本章 主要围绕这两部分进行阐述。 2 1 压药机液压系统 压药机系统原理图如图2 - 1 所示。 此压药机采用单级电液比例方向流量阀，选用定差减压型作压力补偿。 电液比例换向阀是一种性能介于普通液压控制阀和电液伺服阀之间的新阀 种，它既可以根据输入电信号大小连续地成比例对液压系统的参量( 压力，流量 及方向) 实现远距离控制，计算机控制，又在制造成本，抗污染等方面优于电液 伺服阀，因此，广泛用于控制性能低于电液伺服阀，要求不是很高的一般工业部 门。在实际应用中。经常采用改进的比例阀来代替电液伺服阀。 电液比例换向阀不仅能改变液流的方向，还可以控制流量的大小。它由两个 比例电磁铁控制的双向减压阀作前导级，液动双向节流阀作放大级而构成。通过 比例电磁铁的电流与节流阀的开度成比例，因此可以改变输入电讯号的大小和方 向来控制通过电液比例换向阀的流量大小和方向，但流量会受负载变化的影响。 定差减压型电液比例方向节流阀由一前置式定差减压阀和比例方向节流阀串 联而成。定差减压阀控制自方向节流阀进口至负载前腔之间的阀口压差。 第2 章液压压药机控制系统 s q l s q3 图2 - 压药机系统原理图 第2 章液压压药机控制系统 2 1 1 工艺要求 在定压工作方式下，压力设定值的上下偏差不超过o 0 3 ，位移设定值的上下 偏差由工程人员根据实际情况来定；在定程工作方式下，位移设定值的上下偏差 不超过o 0 5 ，压力设定值的上下偏差不超过0 0 3 。 2 1 。2 压药机液压控制原理 压药机工作原理如图2 - 2 所示。 速度 ( r 唧s r i 括塞下行 l i。s 1 铽1 s 惠二 l 图2 2 压药机工作原理 压药机的动作循环如图2 2 所示，液压缸驱动活塞，实现“陕速下行慢速 加压保压延时快速回程慢速回程原位停止”的动作循环。 滑块动作循环： 1 、主缸快下 电磁铁y a l 、y a 2 、y a 3 、y a 4 、y a 5 通电，液压泵p 1 和p 2 同时给液压缸上 腔供油，此时滑块快速下行。电液比例压力阀4 可以保证液压缸内的压力与设定 值相同。液压系统中油液的流动情况为： 进油路：液压泵p 1 电液比例换向阀3 右位 电液比例压力阀4 液控单 向阀 液压缸上油腔 液压泵p 2 换向阀5 右位一 液控单向阀 液压缸上油腔 回油路：液压缸下油腔 液控单向阀_ 电液比例换向阀3 油箱 液压缸下油腔液控单向阀 换向阀5 油箱 2 、定速工进： 电磁铁y a l 、y a 2 、y a 3 、y a 4 通电，而y a 5 失电，换向阀5 处于中位，液 第2 章液压压药机控制系统 压泵p 2 卸荷，仅液压泵p 1 给液压缸上腔供油。电气控制系统可以通过调节液压 泵p 1 进油路上的电液比例换向阀3 的节流通道来调节进油量，在一定范围内设定 液压缸滑块运动速度。此时滑块工进，液压系统中油液的流动情况为： 进油路：液压泵p 1 _ 电液比例换向阀3 右位 电液比例压力阀4 液控单 向阀 液压缸上油腔 回油路：液压缸下油腔 液控单向阀 电液比例换向阀3 油箱 保压： 电磁铁y a 3 、y a 5 均失电，换向阀3 和5 处于中位，使液压泵p 1 和p 2 卸荷。 y a l 失电，换向阀l 处于左位，实现了溢流阀的低压溢流。y a 2 失电，使液压缸 上、下油腔处的液控单向阀均为截止状态，保持缸内压力恒定。 泄压： y a l 得电停止低压溢流状态，为滑块快速回程作准备。y a 2 得电，液压缸上、 下油腔处的液控单向阀均为导通状态，开始泄油。 3 、滑块快速回程： 电磁铁y a l 、y a 2 、y a 3 、y a 6 得电，液压泵p 1 和p 2 向液压缸的下油腔供 油。此时滑块快速回程，液压系统中油液的流动情况为： 进油路：液压泵p 1 电液比例换向阀3 左位一 液控单向阀 液压缸下油腔 液压泵p 2 换向阀5 左位 液控单向阀 液压缸下油腔 回油路：液压缸上油腔 液控单向阀_ 电液比例换向阀3 油箱 液压缸上油腔 液控单向阀 换向阀5 油箱 4 、滑块减速回程： 电磁铁y a l 、y a 2 、y a 3 通电，而y a 6 失电，换向阀5 处于中位，液压泵p 2 卸荷，仅液压泵p 1 给液压缸下腔供油。电气控制系统通过调节液压泵p 1 进油路 上的电液比例换向阀3 的节流通道来调节进油量，可以在一定范围内设定液压缸 滑块运动速度。此时滑块减速回程，液压系统中油液的流动情况为： 进油路：液压泵p l 电液比例换向阀3 左位 液控单向阀 液压缸下油腔 回油路：液压缸上油腔_ 液控单向阀 电液比例换向阀3 油箱 5 、滑块停止： 滑块回程至初始位置，由位移传感器或限位丌关发讯，使电磁铁均失电，液 压泵卸荷，液压缸上、下油腔处的液控单向阀均为截止状态，滑块停止。 2 1 3 传感器介绍 在这个工程中，使用的元件比较多，元件清单见表格2 一l 所示。这罩主要介绍 磁致伸缩位移传感器和压力传感器。 第2 章液压压药机控制系统 表2 - 1 元件清单 器件型号器件型号器件型号 d l h z o - t e - 压力传感器e a t r - 5 10 0 比例换向阀耐震压力表 y n 6 0 - i 0 4 0 - t 5 3 i 位移传感器t e m d o s o n i ci压力补偿器h c - o i l 3 0k f 型压力表开关k f - l s 1 4 e d b i o b 2 3 0 s 型单向阀 s 1 5 a 2 2叠加式节流阀z 2 f s l 0 2 0先导式溢流阀 1 0 0 d b w l o b 2 3 0 ， 液控单向阀a g r l - i o 4叠加式节流阀 z 2 s 1 0 - 2 - 3 0先导式电磁溢流阀 3 1 5 g 2 4 r z g o t e r 4 w e i o h 2 0 p v 2 r 1 2 - 6 - 比例减压阀电磁换向阀双联叶片泵 o l o i g 2 4 2 5 l3 3 - f - r e a a 插入式单向阀d r i o g压力管路过滤器 z u e 2 5 * i o p电动机 y 1 1 2 m - 6 4 w e 6 a 5 0 b 电磁换向阀压力管路过滤器 z u - e 6 3 * i o p网式滤油器 w u 一1 6 , 8 0 一j g 2 4 2 5 l 2 1 3 1 磁致伸缩位移传感器 在这个工程中，考虑到控制要求的精度，选用美国m t s 公司开发的t e m p o s o n i c sr 系列“智能型”位移传感器。 l 、m t s 传感器简介 m r s 的磁致伸缩位移传感器的高精度及可靠性己被广泛引证于成千上万的应用案 例。传感器利用非接触技术监督着活动磁铁的位移，由于磁铁和传感器并无直接接触， 因此传感器在极恶劣的工业环境下，如容易受油喷、溶液、尘埃或其他的污染，并不构 成问题。此外，传感器更能承受高温、高压和高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数 值，所以假使电源中断重接也不会对数据接收构成问题，更无需重新归回零位。最后， 由于敏感元件都是非接触的。所以就算感测过程不断重复，也不会对传感器造成任何磨 损，根据美国太空署的计算，m t s 位移传感器的磁致伸缩敏感元件之平均无故障时间为 2 3 年。 它提供高速、可靠和精确的数据处理和通信。位置和速度输出在传感器电子头内一 便处理好，因此不必再通过换算处理，从而减低整体电控成本。t e m p o s o n i c sr 系列提 供多种输出模式，包括仿真量的电压和电流，数字量的s s i 、现场总线的c a n b u s 、 d e v i c e n e t 和p r o f i b u s 。可以提供一个位置或多个位罱，更可附带速度输出。 t e m p o s o n i c sr 系列采用m t s 公司开发的磁致伸缩技术生产，为非接触式，永不磨 损。传感器不用重新标定也不用定期维护。三种不同的外壳选型，适用安装在油缸内( r h 型外壳) 或机床表面( r p 型外壳) 。标准r h 型外壳最长为7 6 m ，而r f 型柔性外壳可 达l o m 以上，可以说是当今市场上提供磁致伸缩位移传感器的极限。由于采用模块组装， 现场更换敏感组件更是方便省时。 2 、磁致伸缩工作原理 第2 章液压压药机控制系统 磁致伸缩意指一些金属( 如铁或镍) ，在磁场作用下具有伸缩能力，磁致伸缩的效果 是非常细微的。一般的镍铁合金是3 0 p p m ，但现在的科学界已设计出更新的物质，将磁 致伸缩效果提升至1 5 0 0 p p m 以上。磁致伸缩的原理并不复杂，它利用两个不同磁场相交 时产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，从而换算出准确 的位置。这两个磁铁，一个来自活动磁铁，另一个则来自由传感器头的电子部件产生的 电流脉冲。这个称为“询问信号”的脉冲沿着传感器内以磁致伸缩材料制造的波导管以 声音的速度运行。当两个磁场相交时，波导管发生磁致伸缩现象，产生一个应变脉冲。 这个称为“返回信号”的脉冲很快便被电子头的感测电路探测到。从产生询问信号的一 刻到返回信号被探测到所需的时间周期乘以固定的声音速度，我们便能准确的计算出磁 铁的位置变动。这个过程是连续不断的，所以每当活动磁铁被带动时，新的位置很快就 会被感测出来。由于输出信号是一个真f 的绝对值，而不是比例的或需要再放大处理的 信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，更不必像其他传感器一样需要定期重标。 3 、t e m p o s o n i c sr 特点 ( 1 ) 采用非接触敏感组件： ( 2 ) 无须重新标定或定期维修； ( 3 ) 模块组装，i p 6 7 外壳； ( 4 ) 绝对输出； ( 5 ) 高重复精度达0 0 0 2 m m ； ( 6 ) 极高分辨率达0 0 0 2 m m ； ( 7 ) 承受高度振荡和冲击； ( 8 ) 多种输出选择：模拟一电压或电流 数字- r s 4 2 2 或p w m 数字一s s i ，c a n b u s 数字- - d e v i e e n e t ，p r o f i b u s 。 2 1 3 2d e v i c e n e t 网络 设备网d e v i c e n e t 是一个以c a n 为基础的现场总线网络，利用一条c a n 的公开数据 总线连接系统上多达6 4 个装置，大量减少用线。d e v i c e n e t 提供高速、准确和可靠的数 据传输，更提供数据处理优先次序、系统状况和诊断功能。与t e m p o s o n i c si i i 系列位 移传感器组合起来，d e v i c e n e t 提供了一个经济效益极高的数据通讯链( 最高速达 5 0 0 k b i t s ) 。即插即用传感器头附带的5 针d i n 金属接头为d e v i c e n e t 的标准插头，可 以随时随地插进任何一个d e v i c e n e t 的现场总线系统上。此外，安装过程十分快捷方便， 只需将随传感器附带的3 页半磁盘内的电子数据表( e d s ) 下载到系统网络便可。最后利 用如a b 公司提供的d e v i c e n e tm a n a g e r 去设定标志地址( n o d ei d e n t i f i e r ) 和速率便 完成。( m t s 原厂设定为n o d e5 0 0 和5 0 0 k b i t s ) 。 第2 章液压压药机控制系统 2 1 3 3 压力传感器 压力传感器选用e a t r 系列的压力传感器，此系列压力传感器具有工作可靠、性能 稳定、安装使用方便、体积小、重量轻、性能价格比高等特点。传感器的输出信号为 4 - 2 0 m a 。选用二线制输出。 2 2 针对压药机远程监控的p l c 解决方案 压药机控制框图如图2 - 3 所示： 2 2 。1 控制对象 图2 - 3 压药机控制框图 此压药机组采用集中监控的方式。监控室需要对分散在不同地理位景压药机 的压力、位移、速度等参数进行集中实时监控，控制各压药机设备的运行，同时， 根据从现场监测到的运行参数，调节各工艺参数，从而使轧制的药物达到最佳性 能。可见，各台压药机现场数据的采集，监控室中的计算机与压药机的数据实时 通信显得至关重要。 2 2 2 系统控制方案的确立 l 、确立控制系统的类型 工业上常用的自动控制系统，按照被控对象的不同特点，可以分为继电器控 制系统、计算机控制系统或是p l c 控制系统。本系统生产工艺复杂、输入、输出 基本上以开关量为主，被控设备地理位置分散，随着今后液压技术的发展，生产 的工艺还可能改动。 2 、采用工业网络c o n t r o l l e rl i n k 实现集中控制。 对比上述三种控制系统，结合实际情况，本系统采用由计算机、触摸屏和p l c 第2 章液压压药机控制系统 构成的集中控制系统。 各压药机上安装p l c 系统完成对现场数据的采集、设备控制，现场p l c 通过 c o n t r o l l e rl i n k 工业网络与监控中心计算机建立可靠、稳定的通信，在监控中心可 对现场所有压药机完成监视、控制。 该方案由三部分组成：现场压药机o m r o np l c 控制部分、c o n t r o l l e rl i n k 数据 传输部分、监控室监控部分。 2 2 3 实现功能 o m r o np l c 在锻压车间主要完成以下功能 1 现场压力、位移信号的采集； 2 现场换向阀、比例减压阀的控制； 3 现场各电磁铁的控制； 4 现场水泵的控制及运行监视； 5 通过工业网络实现与上位机的数据通信。 2 2 4 控制要求 为使液压压药机系统能够加工出合格的工件，并考虑到被控对象的特殊性， 要求控制系统应该具有如下功能： 1 、能够实现两种工作方式：定压和定程； 2 、当活塞越限的时候，应能够及时报警，并对数据进行记录，以供进行数据 分析用； 3 、压力管路滤油器堵塞的时候。应能及时报警。活塞在上位时应停机，在下 位时回程后停机； 4 、无论是何种工作方式，当出现过压的时候，活塞应及时返回。 5 、比例电磁铁3 在快速下行与工进时的控制电流应在1 2 - 2 0 m a 之间分段调 整，回程控制电流4 1 2 m a 。 控制思想：油的压力和压药冲子的位置及速度分别经压力传感器和磁致伸缩 位移传感器传输给p l c ，p l c 经过计算并处理后，将信号输出给换向阀和比例减 压阀等，从而控制液压缸活塞( 即压药冲子) 的位置和速度，加工出比较满意的 产品。 2 2 5 工艺流程分析 第2 章液压压药机控制系统 在进行编程之前，都要首先了解一下整个系统的工艺流程，液压压药机的工 艺流程如下： 首先，操作员工将急停按钮复位，触摸屏画面显示，选择手动调节，进入调 整状态，选择工作方式，并对各个参数进行设置，完成配嚣以后，再进入半自动 方式，然后按下电机启动按钮，再按下行按钮，液压缸的活塞开始以快速下滑的 速度下行，这时，p l c 采集压力传感器和位移传感器的信号，与压力传感器和位 移传感器的上下限进行比较，如果在一定时间内超过下限或低于上限的话，就要 开始报警，并立即回程。如果在一定时间内，满足上下限的范围的话，应保压之 后再回程。 2 2 6 可编程控制器硬件系统配置 此系统的电气控制部分采用日本o m r o n 公司的c 2 0 0 h e 型可编程序控制器， 它包括c p u 模块、电源模块、输入模块和输出模块等，可根据液压压药机的控制 要求灵活配置输入和输出点数。 1 、p l c 机型的选择 p l c 机型的选择是系统设计中的重要一环。因为p l c 是控制系统中最关键的 设备，它直接关系到控制质量的优劣，响应系统的快满和系统的造价。 在估计输入输出信号的种类及数量后，此系统选用o m r o n 公司生产的 c 2 0 0 h e 。 2 、具体硬件配鹭 ( 1 ) 上位计算机，选用研华的工业控制机。 ( 2 ) p l c 型号及其模块 c 2 0 0 h ep l c ，在其主机架上安装有下列模块： c p u 单元：这是p l c 的核心部分，通过控制程序的执行，控制整个系 统的运行。型号选用4 2 。 ( 9 d r m 2 1 模块：远程i o 主站，它通过d e v i c e n e t 与磁致伸缩位移传感器 相连。 m a d 0 1 模块：将数字量转换成模拟量，从而控制各个电磁铁。 l i n k 2 1 模块：用于实现与上位机的通信。传输速率高达2 mb p s 5 0 0 m 。 并且有很好的抗干扰性。 i o 模块：在估计输入输出信号的种类及数量后，选用1 6 位i o 模块。 ( 3 ) 日本的p r o f a c e 触摸屏。 ( 4 ) 电源 交流：3 8 0 v ，2 2 0 v ； 直流：2 4 v 。 第2 章液压压药机控制系统 2 2 7p l c 控制系统的设计原则 p l c 控制系统的设计原则； 1 、根据液压压药机系统的控制要求，确定由p l g 构成的控制系统的类型。即 确定控制系统是单机控制、集中式控制还是多极分布控制。 2 、系统的设计不仅要着眼于现在，还要适当地考虑将来发展的需要。 3 、在满足上述要求情况下，力求使系统具有良好的性能价格比。 2 2 8 程序设计 根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求，给出p l c 程序设计流程 图。程序设计流程图如图2 4 所示。 第2 章液压乐药机控制系统 图2 - 4 程序设计流程图 第2 章液压压药机控制系统 由于工业组态软件比工业控制器p l c 的速度慢，并且液压机压药冲子的工作 速度很快，所以组态软件捕捉压药冲予的工作状态有很大的难度，基于此，在p l c 编程时，将压药冲予的工作状态记录到固定的d m 区中，当某一定时器触发的时 候，将数写进去，直到下一次定时器触发，这一区间的数才改变，这样，就很好 的将压药冲子的工作状态保存下来，组态王只需要读取这一区间的数，然后将它 写进数据库中，因此解决了组念软件与p l c 、压药冲予的工作速度不匹配的问题。 实现过程如下： 5 0 0 石磊下行保持 c m p ( 2 0 ) d m l 4 0 d m l 0 8 压力超上限 - jl 压力超下限 # 2 d m l 0 8 d m 9 0 0 t i m 2 3 0 示志 # 2 0 寄存器地址分配如表2 - 2 所示。 2 2 寄存器地址分配表 下行开关 0 0 1 0 0压力实测d m l 0 8 下行保持 0 0 5 0 0压力状态保持d m 9 0 0 压力设定d m l 4 0保压时间设定t i m 2 3 0 工作时序图如图2 5 所示。当按下下行开关0 0 1 0 0 时，线圈0 0 5 0 0 接通，线圈 0 0 5 0 0 的常开触点闭合，因此线圈0 0 5 0 0 的状态保持。接着压力实测与压力设定值 进行比较，与此同时，将压力实测值送往压力保持寄存器d m 9 0 0 中。当压力实测 等于压力设定值时，保压定时器t 2 0 3 开始工作，。当保压定时器t 2 0 3 计时为零时， 保压定时器t 2 0 3 的常闭触点断开或压力超上限、超下限时，停止将压力实测值送 瑚 茸渤 第2 章液压压药机控制系统 往压力保持寄存器d m 9 0 0 中，线圈0 0 5 0 0 失电。定时器t 2 0 3 又很快重新复位。 这就是一个周期的工作。这样，送往d m 9 0 0 中的压力实测值就保存下来，直到压 药冲子重新开始下一轮的工作。 下行开关j 一 一一 厂 厂 下行保持二 l ! 坠- 卜_ 一l 一 定时器t 2 0 3 广 一 厂 t 2 0 3 常闭触点_ 1 厂u 一 图2 5 时序图 压药机下行、工进、回程顺序控制的实现过程如下 工作过程分析：按下压制开关0 0 0 0 0 ，线圈0 0 5 0 0 得电，它的常开触点闭合， 线圈0 0 5 0 0 得电保持，当遇到下限位时，下限位的常闭触点断开，下行线圈失电， 又因为下限位的常开触点闭合，所以进入工进阶段，定时器t 2 3 l 开始定时。定时 对间到以后，定时器的常开触点闭合，进入回程阶段，同时，工进线圈失电。当 遇到上限位开关时，上限位常闭触点断开，回程线圈失电。到此，压药冲子一个 工作回合完毕。 2 3 软件设计 在充分了解了被控对象的控制要求及系统功能设计之后，进入软件设计阶段。 液压压药机控制系统的软件可以分为三部分：p l c 软件、触摸屏软件和上位计算 机软件，即组态王软件。 第2 章液压压约机控制系统 为了提高工作效率和编程质量，缩短软件研制开发的周期，采用了将程序分 段的程序设计方法。在计算机上，利用编程软件c x p 4 0 进行编程。在新建文件时， 设备类型选择c 2 0 0 h g ，c p u 类型选择c p u 4 3 ，网络类型选择c o n t r o l l e rl i n k ，网 络菜单中，f i n s 目的地址一栏中，网络0 ，节点3 ，单元- 3 l 。驱动器菜单中，板 卡类型选择p c i ，网络地址中的节点设定为3 ，单元设定为3 l ( 这一部分的设置比 较重要，设置错的话，将来会无法下传程序，更不用说上传程序) 。调试时，将p l c 与计算机连机进行调试，在调试前进行有关硬件的开关设置和系统参数的设定。 本控制系统不仅是一个控制系统而且还可以进行信息管理，这一部分的实现 是靠上位机来实现的，组态王支持d b g r i d 控件，通过d b g r i d 控件提供的方法与 属性，以及s q l 语言，实现与a c c e s s 数据库的连接，将压药机压药冲子的工作状 态及时的记录下来，供以后进行分析，以确定产品是否合格，对压药机所设的参 数是否合适等。 2 4 小结 本章首先分析了压药机液压系统，对压药机压药冲予的动作做了详细的分析。 并对本工程中使用到的位移传感器和压力传感器进行了介绍。 接着提出压药机远程监控的p l c 解决方案，主要对控制方案的确立、控制思 想、控制要求、可编程控制器程序设计原则、主要功能的实现方法等作了介绍。 最后对本工程中涉及到的软件设计作了简单的介绍。 第3 章压药机控制系统建模 3 1 引言 第3 章压药机控制系统建模 为一个系统选择一个数学模型是控制工程中最重要的工作。 在研究一个系统时，必须建立起数学模型，然后才能分析系统的动态特性。 动态特性的数学模型是一组方程式，它精确地或相当好地表示系统的动态特性。 因此，建立系统的数学模型是进行系统分析的第一步。 3 2 压药机执行元件分析 压药机的受控量是压药冲子的位移和速度，以及系统的压力。前者通过控制 比例换向阀的输入电流完成，而系统压力则通过控制比例减压阀的输入电流完成。 比例阀实质是电一液信号转换和放大元件。 本节将对执行元件进行受力分析，找出计算所需的各种参数，在此基础上建 立起以微分方程组表示的系统的数学模型。 压药机控制系统框图如图3 - 1 所示。 图3 1 压药机控制系统结构图 通过结构框图可以看出，要得到整个控制系统的数学模型，就要先对其主要 部件进行分析，才可以得出。控制系统的主要元部件有：电液比例换向阀、比例 减压阀、液压缸、磁致伸缩位移传感器和压力传感器等。 第3 章压药机控制系统建模 3 2 1 电液比例换向阀 参考单级电液伺服阀。结合本阀的实际情况，可以列出以下基本方程：阀的 流量方程、考虑管路及容腔压缩效应的流量连续性方程和只考虑惯性负载的扭矩 平衡方程。 a q l = k ”a x k q p ( a p l 一a p 2 】 q l = d i n s 以喝( a p l - a p 2 ) + 老8 ( p i - a p 2 ) t l h = d m ( a p l a p 2 ) = j s 2 够。 f 3 - 1 ) 式中：d m 一液压泵的每弧度排量； 0 。一液压泵轴的转角： k i - - 液压泵的总泄漏系数； v t - - 液压泵进、排油腔和管路容腔的总体积； j