楊金輝　周性聰　蘇龍保

摘 要：本文以PLC控制器為平臺(tái)，利用變?cè)O(shè)定值與PID控制相結(jié)合，針對(duì)超大慣性的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)行短距離的高速運(yùn)動(dòng)、高精度定位控制。實(shí)踐證明，該控制方法是有效的。

關(guān)鍵詞：PLC；PID算法；慣性

1 前言

我國是陶瓷生產(chǎn)大國，在陶瓷地板和陶瓷墻地磚的生產(chǎn)中，陶瓷液壓自動(dòng)壓磚機(jī)（以下簡(jiǎn)稱壓磚機(jī)）的工作頻率直接決定了陶瓷廠的產(chǎn)量。日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，使得廠家對(duì)壓磚機(jī)的性能要求越來越高。在壓磚機(jī)中，質(zhì)量最大的運(yùn)動(dòng)部件是壓制橫梁，壓制橫梁需要從高位靜止向下運(yùn)動(dòng)，并承受來自主缸的壓力對(duì)陶瓷粉料進(jìn)行施壓，再返回高位。如此循環(huán)，壓制橫梁的運(yùn)動(dòng)在整個(gè)生產(chǎn)過程中占了較多的時(shí)間，因此縮短其所用時(shí)間顯得尤為必要。同時(shí)，由于壓制橫梁輕則幾噸，重則十幾噸（如恒力泰公司的YP7500L型壓磚機(jī)的壓制橫梁重17.5t），其慣性非常大。因此，在運(yùn)動(dòng)控制上有一定的難度。本文研究采用變?cè)O(shè)定值的PID控制方法，對(duì)YP系列陶瓷液壓自動(dòng)壓磚機(jī)的壓制橫梁進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)控制。

2 液壓自動(dòng)壓磚機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成

液壓自動(dòng)壓磚機(jī)的控制系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏HMI等組成。硬件主要包括電源模塊、CPU及模塊、IM174工藝模塊、HMI等[1]。

（1） 電源：西門子PS307，供CPU及其他模塊使用。

（2） 控制器：采用西門子315T-2DP，是一款具有工藝/運(yùn)動(dòng)控制功能的CPU。

（3） 觸摸屏：采用Hakko公司的10寸觸摸屏V810C，觸摸屏通過RS485通訊電纜與西門子315T-2DP連接，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、位置顯示等實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)功能。

（4） 分布式I/O-Profibus模塊IM174，具有高速等時(shí)同步的特性，接受傳感器反饋及控制信號(hào)輸出。

（5） 16點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊SM321，3個(gè)，8點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊SM322，3個(gè)，用于液壓系統(tǒng)中其他元件。

3 液壓自動(dòng)壓磚機(jī)的系統(tǒng)控制原理

3.1 壓磚機(jī)的壓制橫梁運(yùn)動(dòng)控制原理

液壓自動(dòng)壓磚機(jī)控制系統(tǒng)由上位機(jī)觸摸屏、PLC、液壓閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等組成。本文介紹壓磚機(jī)的壓制橫梁運(yùn)動(dòng)控制，其控制原理如圖1所示。首先通過位移傳感器采集數(shù)據(jù)，然后傳送到PLC，PLC運(yùn)算后通過IM174發(fā)出指令，從而改變比例閥的開度控制液壓油的流量，實(shí)現(xiàn)速度控制。上位機(jī)的主要目的是進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置及數(shù)據(jù)監(jiān)控。

3.2 PID閉環(huán)控制中目標(biāo)設(shè)定值的設(shè)計(jì)原理[2]

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是為了控制壓制橫梁縱向上下運(yùn)動(dòng)，從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，其運(yùn)行過程中的位置變化可以作為速度變化的依據(jù)。起步時(shí)，應(yīng)盡可能快速且無振動(dòng)；中間運(yùn)行時(shí)，應(yīng)考慮安全進(jìn)行的最大速度限制；接近目標(biāo)位置時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行減速。液壓油的可壓縮性，使得減速不能出現(xiàn)階躍式的速度變化，否則會(huì)發(fā)生震蕩，并影響液壓密封件的壽命。系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓制橫梁在減速過程中，應(yīng)用實(shí)際位置與爬行開始位置的距離、減速距離、爬行速度等參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，得到減速過程中的速度變化，可以采用公式（1） 計(jì)算減速過程中的設(shè)定速度V。

3.3 系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理

采用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的壓制橫梁運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在315T-2DP的CPU中進(jìn)行應(yīng)用，其工作原理如圖2所示。

系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值SV根據(jù)壓制橫梁的當(dāng)前位置變化進(jìn)行調(diào)整，使得其在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的任何位置都有相對(duì)應(yīng)的速度。閉環(huán)控制的反饋值通過絕對(duì)值直線編碼器（SSI）直接反饋數(shù)字到IM174，再通過Profibus-DP通訊電纜傳送到CPU，并計(jì)算出實(shí)際速度，對(duì)目標(biāo)設(shè)定值與實(shí)際速度相減得到差值進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，并經(jīng)過上下限處理和D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)由IM174輸出信號(hào)到ATOS比例閥，控制閥的開度，使得壓制橫梁到達(dá)設(shè)定的速度。

4 控制程序

4.1 PLC控制程序

系統(tǒng)采用Siemens公司的STEP7編程軟件，315T系列CPU需要將S7 Technology V4.2軟件包集成到STEP7編程軟件中。系統(tǒng)采用了模塊化程序設(shè)計(jì)[3]，主要部分有主程序、自動(dòng)運(yùn)行子程序、手動(dòng)操作子程序、系統(tǒng)錯(cuò)誤提示及報(bào)警子程序，PID控制子程序、速度計(jì)算子程序等。

系統(tǒng)使用西門子編程高級(jí)SCL語言進(jìn)行速度計(jì)算子程序的編寫，方便快速實(shí)現(xiàn)2.2中的公式輸出，如圖3所示。

為了保證速度計(jì)算，以及PID閉環(huán)控制的快速和穩(wěn)定性，系統(tǒng)通過中斷調(diào)用子程序的方法，在中斷程序OB35中實(shí)現(xiàn)6s執(zhí)行一次，該執(zhí)行速度比液壓系統(tǒng)中的ATOS比例閥響應(yīng)速度要快，保證了硬件輸出的快速性，能夠最大限度的發(fā)揮整體系統(tǒng)的性能。程序中通過中間變量（M1100.7）常閉點(diǎn)切換同一變量的輸出，實(shí)現(xiàn)與OB35中保持一致的切換頻率，進(jìn)行PLC的PID功能等時(shí)調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制的變?cè)O(shè)定值功能，如圖4所示。

4.2 人機(jī)界面系統(tǒng)

對(duì)于一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的PLC控制系統(tǒng)，方便操作的人機(jī)界面（HMI）也是重要的組成部分。HMI系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)過程任務(wù)可視化、顯示錯(cuò)誤操作提示及報(bào)警、操作員對(duì)參數(shù)管理及過程的控制等[4]。利用HMI上的指示燈和按鈕顯示PLC的數(shù)字量輸入、輸出和代替硬件按鈕，避免打開電柜查看模塊I/O狀態(tài)的麻煩，方便錯(cuò)誤檢查，并能減少硬件需求，降低成本。本系統(tǒng)采用Hakko的V810C觸摸屏，觸摸屏與PLC交換數(shù)據(jù)，操作員可以在觸摸屏上觀察到機(jī)器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。如：當(dāng)前位置、系統(tǒng)壓力、時(shí)間統(tǒng)計(jì)等，可以通過觸摸屏修改相應(yīng)的參數(shù)，調(diào)整PID使之適合實(shí)際的工況，實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化功能。

5 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果及分析

本文根據(jù)上述設(shè)計(jì)，將硬件系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于YP系統(tǒng)陶瓷液壓自動(dòng)壓磚機(jī)上。以YP7500L型壓機(jī)為例，使用西門子T-CPU自帶Trace功能，壓制橫梁的運(yùn)動(dòng)控制效果如圖5所示。給定速度，并且比例閥打開，壓制橫梁在一段時(shí)間后才有速度變化。在運(yùn)動(dòng)過程中速度可控，實(shí)際位置曲線達(dá)到柔和快速的理想效果。如果要在最短時(shí)間內(nèi)完成動(dòng)作，則將速度設(shè)定為最大即可。

6 結(jié)論

西門子315T系列PLC的PID工藝控制與時(shí)變PID目標(biāo)設(shè)定值的相結(jié)合，較好地實(shí)現(xiàn)了大慣性部件的高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程速度可控，并能實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間運(yùn)動(dòng)，適用于不同場(chǎng)合的需求，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 西門子（中國）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社2004，8.

[2] 王建輝，顧樹生.自動(dòng)控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007，4.

[3] 廖常初.大中型PLC應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，2.

[4] 王文，周蘇，涂嘉慶.人機(jī)界面設(shè)計(jì)（第2版）[M].北京：科學(xué)出版社，2011，8.