王冬冬,王建梅, 王 寧

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)

工業(yè)生產(chǎn)中，PID控制應(yīng)用到生產(chǎn)裝置的溫度、流量、液位等模擬量的控制，起到較好的控制作用，且控制方法步奏簡(jiǎn)單易于操作。本文應(yīng)用WinCC軟件、step7編程軟件以及西門子S7-300PLC對(duì)油膜軸承軋機(jī)軋制力的控制與檢測(cè)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 液壓缸壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軋機(jī)油膜軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)軋制力控制與檢測(cè)過(guò)程如圖1，柱塞泵運(yùn)行后， PLC軋制力的設(shè)定值由WinCC設(shè)定，液壓缸的壓力由安裝在液壓缸上的壓力傳感器測(cè)得，把測(cè)得的壓力信號(hào)采集到PLC模擬量輸入模塊，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換由PLC的FC105指令保存的相應(yīng)存儲(chǔ)單元， PLC采集的實(shí)際壓力值與設(shè)定壓力值相減得到偏差值，通過(guò)比例積分控制指令FB41控制比例閥開(kāi)度繼而調(diào)整壓力值，使設(shè)定值趨于壓力值，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。WinCC上位機(jī)監(jiān)測(cè)壓力設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值的變化曲線。

圖1 總控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.1 Control system structure

1.2 控制系統(tǒng)組成

控制原理為：由WinCC的設(shè)定值與傳感器的實(shí)際值之差e(t),將e(t)的比例(P)，積分(I)進(jìn)行線性組合作為控制量，并由PLC的D/A轉(zhuǎn)換器把控制量變成電流信號(hào)控制液壓缸開(kāi)度。其控制規(guī)律為：

PLC只能處理離散的值，必須把上式離散化：

μ(n)=

其中KP為控制器的比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間[1]。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并不大，超調(diào)現(xiàn)象不明顯，PID控制指令參數(shù)Td設(shè)定為零。

比例環(huán)節(jié)的作用是，一旦e(t)產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要消除穩(wěn)態(tài)誤差，直到偏差e(t)等于零。

控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

Fig.2 Closed loop control system

1.3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是給油膜軸承提供徑向方向的加載力，模擬在軋制鋼材過(guò)程中的軋制力。液壓加載系統(tǒng)原理圖如下圖所示，它主要由油箱、軸向柱塞泵，液位傳感器、溫度傳感器、加熱器、比例閥、液壓油過(guò)濾器、電磁換向閥、單向閥、球閥等組成。如示意圖3所示：

1.油箱；2.液位計(jì)；3.空氣過(guò)濾器；4.過(guò)濾器；5.柱塞泵；6.單向閥；7.先導(dǎo)式比例閥；8.壓力傳感器9.三通閥；10.蓄能器；11.球閥；12.電磁換向閥；13.液壓缸；14.溫度傳感器；15.加熱器

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖[2]

Fig.3 Hydraulic system

壓力信號(hào)通過(guò)安裝在液壓缸上的感壓元件采集，通過(guò)壓力變送器對(duì)對(duì)液壓壓力信號(hào)進(jìn)行采集，產(chǎn)生4 mA～20 mA的電流信號(hào)采用兩線制接線方式連接到西門子PLC的模擬量輸入模塊SM331的接線端，此時(shí)，線性反映壓力大小的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成0-27 648范圍的整型變量，由指令FC105采集和處理。圖4為所使用的壓力傳感器。

2 PLC程序設(shè)計(jì)

2.1 壓力檢測(cè)程序編寫

西門子PLC的模擬量采集指令為FC105功能指令,壓力傳感器所采集的量程范圍是0～25 MPa,從PIW24通道采集的12位0-27 648整型數(shù)字量信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換成值為0～25的實(shí)型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到M304寄存器中。MD304的數(shù)據(jù)值即為當(dāng)前壓力傳感器采集的實(shí)際值。FC105的參數(shù)有：IN0 模擬量模塊輸入通道，IN1現(xiàn)場(chǎng)壓力量程的最大值，由于傳感器的最大量程為25 MP,這里設(shè)置為25，IN2現(xiàn)場(chǎng)壓力量程的最小值，這里設(shè)置為0，IN3極性設(shè)置，由于傳感器的信號(hào)為4 mA～20 mA(單極性信號(hào))，則設(shè)定為0，RET-VAL功能塊的故障字，OUT4現(xiàn)場(chǎng)壓力值(對(duì)應(yīng)0～25 MP).

型號(hào)：YB-131,量程：25MPa，供電電源：24VDC，

圖4 壓力傳感器外觀圖

Fig.4 Pressure transducer

圖5 FC105程序指令

Fig.5 FC105Program instruction

2.2 壓力的閉環(huán)控制

壓力值的控制由FB41功能塊指令完成，由于FB41指令為功能塊指令，在使用使用FB41時(shí)要建立背景數(shù)據(jù)塊DB41，如圖6所示。

圖6 背景數(shù)據(jù)塊DB41[3]

Fig.6 Background data block DB41

PID控制程序FB41在中斷模塊OB35中調(diào)用。FC105由組織塊OB1調(diào)用。

2.3 參數(shù)的規(guī)格化處理

FB41指令中的參數(shù)：液壓設(shè)定值、過(guò)程值必須先進(jìn)行規(guī)格化處理，使其轉(zhuǎn)化為0.0～100.0(%)之間的數(shù)據(jù)。由于比例溢流閥壓力值的變化區(qū)間為0～20 Mp,對(duì)于給定值和過(guò)程值，執(zhí)行：液壓設(shè)定值/(20-0) 的結(jié)果送給SP_INT引腳，給定值的背景數(shù)據(jù)地址為DB1.DBD.20.過(guò)程值/(20-0)的結(jié)果送給PV_IN引腳供FB41指令使用[3-4]。規(guī)格化如圖7和圖8.

此時(shí)，輸出存儲(chǔ)器MD280的值是0～100(%)之間的實(shí)數(shù)，需要把它轉(zhuǎn)換成0-27 648之間的整數(shù)。具體程序如圖10.

再由PLC內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成為0～10 V的電壓信號(hào)作為電液比例控制器的輸出信號(hào)[5]。電液比例控制器的型號(hào)為VT-200BK40型比例控制器，主要參數(shù)：電源24 V，功率：30 W，震顫頻率：200/100 HZ，環(huán)境溫度：0～40 ℃軍工環(huán)境(-40 ℃～+60 ℃ )，平均無(wú)故障時(shí)間：大于2 000 h，手動(dòng)控制電壓：0～9 V,自動(dòng)控制電壓：0～10 V，溫度漂移：0.5(最大電流值)‰ ℃，先導(dǎo)電流：0/100 mA，最大輸出電流：800 mA.

比例閥控制范圍為0～20 MPa,MD280存儲(chǔ)的輸出值為0～100((0～20)%)，為了在WinCC觀測(cè)直觀，將輸出值轉(zhuǎn)換成0～20之間的實(shí)際壓力值，程序如圖12.

3 WinCC界面設(shè)計(jì)

3.1 創(chuàng)建過(guò)程變量

過(guò)程變量在MPI的通訊方式下創(chuàng)建，需要?jiǎng)?chuàng)建的變量如表1.

3.2 過(guò)程畫面

在WinCC圖形編輯器中，對(duì)死區(qū)寬度、比例因子、積分時(shí)間、手動(dòng)值開(kāi)關(guān)、積分值開(kāi)關(guān)變量組態(tài)靜態(tài)文本，接著在相應(yīng)的變量名稱旁組態(tài)輸入輸出域，并使各輸入輸出域?qū)?yīng)各變量的地址。建立的 online trend control分別對(duì)輸出值設(shè)定、壓力設(shè)定、實(shí)際壓力變量的地址建立連接[6]。

圖7 壓力設(shè)定值規(guī)格化程序

Fig.7 Normalization program of pressure setting value

圖8 壓力實(shí)際值規(guī)格化程序

Fig.8 Normalization program of pressure actual value

圖9 PID 指令

Fig.9 PID instruction

圖10 數(shù)值轉(zhuǎn)換程序

Fig.10 Numeric conversion program

圖11 電液比例控制器

Fig.11 Electro-hydraulic proportional controller

圖12 壓力輸出值程序

Fig.12 Pressure output value program

表1 WinCC過(guò)程變量

Tab.1 WinCCProcess variable

變量名稱數(shù)據(jù)類型地址分配輸出值設(shè)定32位浮點(diǎn)數(shù)MD2000壓力設(shè)定32位浮點(diǎn)數(shù)DB1.DBD20死區(qū)寬度32位浮點(diǎn)數(shù)DB41.DBD36實(shí)際壓力32位浮點(diǎn)數(shù)MD304比例因子32位浮點(diǎn)數(shù)DB41.DBD20積分時(shí)間有符號(hào)32位數(shù)DB41.DBD24手動(dòng)值開(kāi)關(guān)二進(jìn)制變量DB41.DBX0.0積分項(xiàng)開(kāi)關(guān)二進(jìn)制變量DB41.DBX0.4

4 參數(shù)整定

在PID控制中P與I參數(shù)一般采用理論法與試湊法，理論法參數(shù)調(diào)整較為精確，但計(jì)算復(fù)雜，試湊法簡(jiǎn)單易于操作，也能夠取得較好的效果，今采用試湊法。首先對(duì)比例P參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使P參數(shù)由小到大變化，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)量小的曲線。接著對(duì)積分項(xiàng)I進(jìn)行調(diào)整，先將積分時(shí)間設(shè)定一個(gè)比較大的值，然后將已調(diào)整好的比例系數(shù)稍微縮小，然后減小積分時(shí)間，使系統(tǒng)在消除靜態(tài)誤差的情況下得到較好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)。此過(guò)程中，可反復(fù)調(diào)整比例系數(shù)與積分時(shí)間。

5 結(jié)論

圖13紅色線表示液壓壓力設(shè)定值參數(shù)，設(shè)定為5 MPa，藍(lán)色線為液壓缸的實(shí)際液壓壓力變化曲線，黑色線為輸出值變量的液壓壓力變化曲線。從圖13可知，液壓壓力設(shè)定值曲線保持不變，而液壓缸實(shí)際壓力變化曲線隨著輸出值變化曲線的增加而增加，最后都趨于穩(wěn)定值，此時(shí)，液壓缸實(shí)際壓力值曲線與設(shè)定值曲線幾乎重合，達(dá)到了閉環(huán)控制的目的。

圖13 PID控制曲線

Fig.13 PIDControl curve