閥門生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真

消防閥門是安裝在通風(fēng)、空調(diào)、防排煙系統(tǒng)的風(fēng)管路上，平時(shí)呈開啟狀態(tài)，火災(zāi)時(shí)當(dāng)管道內(nèi)氣體溫度達(dá)到一定溫度時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，起隔煙阻火作用。為了提高消防閥門的整體性能，閥門制造業(yè)必須不斷的提高產(chǎn)品的加工制造工藝水平。傳統(tǒng)的工藝是利用開卷機(jī)將板料沖剪成條料再手動(dòng)焊接成閥門體，靠簡(jiǎn)易定位塊及經(jīng)驗(yàn)定位，準(zhǔn)確度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，閥門焊接位置縫隙大，產(chǎn)生很大的噪聲。而且早期的開卷設(shè)備多用普通剪板機(jī)，經(jīng)常出現(xiàn)各種人身事故，為了保證工人的人身安全，實(shí)現(xiàn)開卷自動(dòng)化，開卷機(jī)結(jié)合電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制是一個(gè)發(fā)展方向，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。本文首先通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外閥門現(xiàn)狀的分析，確定了生產(chǎn)線系統(tǒng)的總體方案。采用交流伺服電動(dòng)機(jī)及與其匹配的驅(qū)動(dòng)器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了交流伺服系統(tǒng)的供電電路和控制電路；板料的沖孔、剪切是通過(guò)沖擊汽缸來(lái)完成。其次生產(chǎn)線中的PLC應(yīng)用三菱FX2N系列和專用的定位模塊作為核心控制器，完成了伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；編制了相應(yīng)的系統(tǒng)控制程序；同時(shí)為了更方便的更改程序、生產(chǎn)不同類型的閥門體，選用了西門子觸摸屏作為人機(jī)界面并對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后為了達(dá)到更好的定位精度，利用SINMULINK模塊通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線的PID調(diào)節(jié)回路進(jìn)行了仿真。

一、消防閥門生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的組成及原理

1.生產(chǎn)線系統(tǒng)的組成

自動(dòng)消防閥門的生產(chǎn)是以閥門體自動(dòng)生產(chǎn)，輔助其他構(gòu)成零件階段生產(chǎn)的生產(chǎn)模式，閥門體自動(dòng)生產(chǎn)是核心。自動(dòng)線是利用PLC把各部分的動(dòng)作按要求協(xié)調(diào)起來(lái)，形成自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程，核心是機(jī)械動(dòng)作和自動(dòng)控制有機(jī)結(jié)合；利用交流伺服電動(dòng)機(jī)形成閉環(huán)控制。

送料裝置由機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)單元和控制單元三部分組成。機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由開卷機(jī)、送料機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成；控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏(HMI)、交流伺服系統(tǒng)和沖擊汽缸等組成；開卷機(jī)把鋼卷展開，通過(guò)送料機(jī)把展開的鋼板校平后送到下一道工序，進(jìn)行去角、切口、沖孔、下料四個(gè)工步，再由輸送裝置送到下一道工序進(jìn)行翻邊、折彎、最后鉚接成型。生產(chǎn)線由PLC進(jìn)行集中控制，使各設(shè)備（如開卷機(jī)、校平機(jī)、沖擊汽缸等）協(xié)調(diào)運(yùn)行；利用觸摸屏(HMI)的良好人機(jī)界面，對(duì)PLC中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄，并控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。

2.各工位自動(dòng)控制原理

以沖孔工位為例說(shuō)明，其他工位（沖三角工位、沖一字口工位、切斷／裁邊工位）自動(dòng)控制原理基本一樣。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣，決定各個(gè)沖孔動(dòng)作距電氣零點(diǎn)的距離，在HMI上設(shè)定實(shí)際伺服電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù)，在本次伺服電動(dòng)機(jī)定位完成后，即沖孔位置已經(jīng)達(dá)到?jīng)_頭下時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)延時(shí)停止，PLC使電磁閥通電，沖擊汽缸以高速推動(dòng)沖頭，沖出一個(gè)孔。在沖擊汽缸到達(dá)最高速后（沖孔完成后），位置開關(guān)動(dòng)作，PLC使電磁閥斷電，汽缸回位，完成一個(gè)工位的控制，這樣汽缸的減速行程和反彈行程減為0，提高了沖孔質(zhì)量。

二、閥門生產(chǎn)線的硬件設(shè)計(jì)

閥門生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的控制任務(wù)為：根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下可靠運(yùn)行，通過(guò)傳感器對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)，確保伺服電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，并應(yīng)具備良好的人機(jī)界面。為了滿足上述要求，采用可編程序控制器作為控制器，在閥門生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，需要48個(gè)輸入點(diǎn)，40個(gè)輸出點(diǎn)，控制一個(gè)交流伺服電動(dòng)機(jī)；根據(jù)要求的

I／O點(diǎn)數(shù)再加上20%～30%的備用量，確定PLC點(diǎn)數(shù)；根據(jù)以上要求，選用三菱電動(dòng)機(jī)的三菱FX2N-48MR可編程序控制器，其配置主要包括CPU模塊、數(shù)字量輸入模塊(DI)、數(shù)字量輸出模塊(DO)、模擬量輸入模塊(AI)、模擬量輸出模塊(AO)以及電源模塊。觸摸屏主要用于PLC的監(jiān)視與控制，可以通過(guò)其顯示屏，以形象的文字、指示燈、動(dòng)畫、曲線等形式監(jiān)視PLC內(nèi)部寄存器或繼電器的數(shù)值及狀態(tài)。與此同時(shí)，也可以通過(guò)輸入單元（如觸摸屏、鍵盤等）向PLC寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，從而使操作人員能夠自如地控制機(jī)器設(shè)備。根據(jù)上述要求，本控制系統(tǒng)采用了SIEMES公司的SIMATICTP170B觸摸屏；人機(jī)設(shè)備和下位機(jī)的通信是通過(guò)PC／MPI適配器和RS232電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

三、Simulink仿真

設(shè)計(jì)工作完成以后，可以利用計(jì)算機(jī)把數(shù)學(xué)模型在各種信號(hào)及擾動(dòng)作用下的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試分析，確定所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能是否符合要求，并且加以修正使其進(jìn)一步完善，以尋求達(dá)到最佳的控制效果。 Simulink是MathWorks公司于1990年推出的產(chǎn)品，主要用于在Matlab下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真與分析。

1.控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的確定

數(shù)學(xué)模型主要的表現(xiàn)形式是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，目前主要的幾種傳遞函數(shù)有以下幾種：

有延遲的一階慣性環(huán)節(jié)：

(1)

有延遲的二階慣性環(huán)節(jié)：

(2)

有延遲的n階慣性環(huán)節(jié)：

(3)

對(duì)于一般的工業(yè)控制系統(tǒng)，并不要求非常精確的被控對(duì)象模型，因此在滿足精度要求的情況下，常采用低階傳遞函數(shù)來(lái)擬合被控對(duì)象。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文選用一階的傳遞函數(shù)。由交流伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)可知傳遞函數(shù)為

PID控制是工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，它將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合來(lái)構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

PID控制規(guī)律為：

(4)

式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為偏差，是控制器的輸入；Kp為比例系數(shù)，無(wú)量綱；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

寫成傳遞函數(shù)的形式為:

(5)

PID控制器各環(huán)節(jié)中的比例環(huán)節(jié)，成比例反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦出現(xiàn)，控制器立刻產(chǎn)生作用，以減小偏差。積分環(huán)節(jié)用于消除靜差，積分作用的強(qiáng)弱主要取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)整時(shí)間。

2.仿真結(jié)果

將實(shí)際參數(shù)代入伺服電動(dòng)機(jī)模型中，用Simulink對(duì)速度系統(tǒng)進(jìn)行仿真的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖

對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真，仿真采用Simulink提供的ode45算法，采樣頻率為1000Hz。施加幅值為1r／min的階躍信號(hào)，得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，如圖2所示。圖中曲線1為未施加PID控制的響應(yīng)曲線，曲線2為施加PID控制的響應(yīng)曲線，P取為3。

圖2所示的是控制系統(tǒng)在PID控制器作用下的單位階躍響應(yīng)，仿真結(jié)果表明，未施加PID控制的響應(yīng)曲線，調(diào)整時(shí)間1.3s(Δ=0.05)。采用PID控制，顯示出好的單位階躍響應(yīng)，上升時(shí)間0.45s，調(diào)整時(shí)間0.75s(Δ=0.05），有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

正常生產(chǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)速度為1500r／min，啟動(dòng)時(shí)速度變化如圖3所示，從圖3可以看出，速度變化趨勢(shì)呈線性化，滿足生產(chǎn)要求。生速時(shí)間小于6s，有更高的穩(wěn)定性，誤差小于0.01s。

圖2階躍響應(yīng)曲線圖

圖3實(shí)測(cè)速度趨勢(shì)圖

但由于參數(shù)誤差以及忽略了一些非線性因素的影響，仿真結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)相比較還是有一些微小的差別的，但從整體看來(lái)所建立的模型的響應(yīng)特性和實(shí)際系統(tǒng)的響應(yīng)特性十分接近。

（作者單位：袁玉蘋，中山市技師學(xué)院；

潘海濤，中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院）