基于S7-300 PLC的內(nèi)高壓成形機(jī)位置同步控制試驗(yàn)研究

高娟娟，劉麗貞，王立新，劉福才

(1.燕山大學(xué)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004;2.滄州師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河北滄州 061001)

0 前言

隨著科技的發(fā)展，人們不斷地對(duì)工業(yè)制造技術(shù)提出更高的要求，節(jié)能環(huán)保、減輕重量、降低成本是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。內(nèi)高壓正是在這樣的背景下開發(fā)出來(lái)的一種利用液體壓力使工件成形的塑性加工新工藝［1］。它以管件為坯料，使用專用設(shè)備向管件腔內(nèi)注入超高壓液體，同時(shí)軸向進(jìn)給補(bǔ)料，把管坯壓入模具型腔使其成形為所需工件［2－3］。內(nèi)高壓成形能有效地降低零件重量、減少模具數(shù)量、提高生產(chǎn)效率，因此受到工程技術(shù)人員和科研工作者的廣泛重視［4－6］。

內(nèi)高壓成形控制系統(tǒng)是內(nèi)高壓成形技術(shù)的核心，控制系統(tǒng)是否可靠，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。如果加工的工件是對(duì)稱的，則需要軸向兩側(cè)缸位置同步。內(nèi)高壓成形過程中的兩側(cè)缸位置同步控制的效果，直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，因此，對(duì)于這個(gè)問題的研究，具有重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)內(nèi)高壓成形兩側(cè)缸位置同步控制方面的研究比較少，其中上海交通大學(xué)基于LabVIEW界面仿真工具包進(jìn)行了內(nèi)高壓成形兩側(cè)缸位置同步控制的實(shí)時(shí)仿真研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)［7－8］;哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)內(nèi)高壓成形液壓設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究［9］，以及基于氣液增壓模擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了單側(cè)缸位置控制的試驗(yàn)研究［10］。

文中基于多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，專門開發(fā)了兩側(cè)缸位置同步控制試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。就內(nèi)高壓成形控制系統(tǒng)的主控制器而言，國(guó)內(nèi)主要采用工控機(jī)或者普通PLC如三菱PLC，對(duì)于工控機(jī)而言，由于沒有集成的算法模塊，編程工作特別繁瑣;而普通PLC可靠性相對(duì)差些，編程方式單一，指令復(fù)雜，且兼容性差。文中研究的試驗(yàn)平臺(tái)采用德國(guó)西門子S7-300 PLC作為主控制器，該P(yáng)LC具有強(qiáng)大的功能支持，速度快、穩(wěn)定性高、運(yùn)算能力強(qiáng)，采用模塊化編程，具有傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)無(wú)法比擬的強(qiáng)大功能。此外，將S7-300 PLC與WinCC組態(tài)軟件相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的在線監(jiān)控。由于S7-300 PLC編程軟件中集成了PID模塊，因此在進(jìn)行PID試驗(yàn)之前，首先對(duì)兩側(cè)缸位置控制系統(tǒng)進(jìn)行PID仿真研究，包括建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，選擇同步控制策略，搭建仿真模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明了采用PID控制器及同步控制策略的可行性，進(jìn)而進(jìn)行了單側(cè)缸位置閉環(huán)PID控制及兩側(cè)缸位置同步PID控制試驗(yàn)，為基于S7-300 PLC的內(nèi)高壓成形控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)組成及建模

1.1 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)組成

多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)主要由液壓泵站、水平缸 (兩側(cè)缸)、檢測(cè)與反饋元件、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)這幾部分組成，如圖1所示。

圖1 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

在文中研究的多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)中，液壓控制元件采用比例方向換向閥，它造價(jià)較低、抗污染能力高、性能良好，廣泛應(yīng)用于需要較高同步精度的主機(jī)上［11］。液壓執(zhí)行元件是左右兩側(cè)液壓缸，分別都裝有位移傳感器和力傳感器，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行精確位移控制，圖2所示為多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的液壓原理圖。

圖2 多變量協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)平臺(tái)液壓原理圖

1.2 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

圖2所示的多變量協(xié)調(diào)控制液壓系統(tǒng)由兩路相同的閥控缸液壓回路組成，故在對(duì)系統(tǒng)建模分析時(shí)以其中一個(gè)回路作為研究對(duì)象［12－14］。

比例方向換向閥開環(huán)數(shù)學(xué)模型為:

KVSe為等效彈簧剛度:KVSe=Kfe+KVS。

對(duì)閥芯位移實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，反饋增益為KX，其傳遞函數(shù)方框圖如圖3所示。

圖3 比例換向閥控制傳遞函數(shù)框圖

當(dāng)U為輸入時(shí)上述回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

其閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

由上述所得單側(cè)缸比例位置控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

圖4 單側(cè)缸位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

2 兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)仿真研究

2.1 控制器及控制策略的選擇

在硬件一定的情況下，影響內(nèi)高壓成形過程中的兩側(cè)缸同步控制精度的因素主要是控制算法和控制策略的選擇。

就控制算法而言，內(nèi)高壓成形機(jī)是工程性很強(qiáng)的設(shè)備，其系統(tǒng)應(yīng)該在滿足性能指標(biāo)的前提下，控制方式應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)單可靠，控制策略易于實(shí)現(xiàn)，因此在文中對(duì)基于S7-300 PLC的內(nèi)高壓成形兩側(cè)缸位置同步控制試驗(yàn)平臺(tái)的研究中，采用工業(yè)控制中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成熟可靠、應(yīng)用最為廣泛的PID控制［10］。

就同步控制策略而言，“同等方式”和“主從方式”是兩種通常采用的控制方式，如果要獲得高精度的同步輸出，這兩種方法都有一定的局限性。“同等方式”很難達(dá)到較高的靜、動(dòng)態(tài)控制特性，“主從方式”在響應(yīng)的過渡過程中，存在較大的動(dòng)態(tài)同步誤差。文中采用“同等+主從”控制方式，以保證位置同步控制系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)［15］。

文中的兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中，“同等”即給定信號(hào)相同，相同的位移給定信號(hào)分別與左右位移傳感器反饋位移值的差值作為左右側(cè)缸PID控制器的輸入; “主從”即以一側(cè)為主，輸出信號(hào)去影響另一側(cè)的輸出，文中仿真以右側(cè)缸位置控制為主，右側(cè)輸出位置信號(hào)Y1與左側(cè)輸出位置信號(hào)Y2作比較，差值經(jīng)PID控制器進(jìn)行運(yùn)算，其輸出信號(hào)與左側(cè)缸位置控制系統(tǒng)的PID控制器的輸出信號(hào)相加去控制左側(cè)比例換向閥。

2.2 控制系統(tǒng)仿真模型

文中采用PID控制器以及“同等+主從”的同步控制策略，基于得到的內(nèi)高壓成形單側(cè)缸位置控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，查閱相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的手冊(cè)并進(jìn)行計(jì)算，在Matlab中的Simulink中搭建出兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。

圖6 兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)仿真圖

2.3 仿真結(jié)果及分析

基于PID的內(nèi)高壓成形兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果分別如圖7、8所示。

圖7 階躍給定PID控制仿真曲線

圖8 斜坡給定PID控制仿真曲線

圖7的給定位移值為階躍信號(hào)，并在15 s及25 s時(shí)分別給右缸和左缸加入階躍擾動(dòng)信號(hào);圖8的給定位移值為斜坡信號(hào)，并在25 s及35 s時(shí)分別給右缸和左缸加入階躍擾動(dòng)信號(hào)。

由PID仿真圖7可以看出，給定位移信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，開始兩側(cè)缸位移同步，并在8 s左右穩(wěn)定達(dá)給定位移值;在15 s時(shí)，右側(cè)缸加入階躍擾動(dòng)信號(hào)，左右位移值都有小幅變化，并在20 s左右回到給定值;在25 s時(shí)，左側(cè)缸加入相同的階躍擾動(dòng)信號(hào)，其位移值有較小變化，并在28s左右回到給定值，期間右側(cè)缸位移值不變。

由仿真圖8可以看出，給定位移信號(hào)為斜坡信號(hào)時(shí)，開始兩側(cè)缸位置達(dá)到同步，但是跟給定值有少許偏差，之后都跟蹤上給定;在達(dá)到終值時(shí)，兩側(cè)缸都有少許超調(diào)，并能很快達(dá)到給定終值;同樣在加入階躍擾動(dòng)之后，都能很快的回到給定終值。

通過分析仿真曲線可以看出，采用“同等+主從”的控制策略及PID控制器，系統(tǒng)能很好很快地跟蹤給定，且超調(diào)量較少，并能有效地抑制干擾，降低干擾信號(hào)對(duì)兩側(cè)缸位置同步控制的影響，同步控制精度高，為進(jìn)行基于S7-300 PLC的兩側(cè)缸位置同步PID控制的試驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。

3 兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究

根據(jù)研制的多變量協(xié)調(diào)控制模擬試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行單缸位置PID控制及兩側(cè)缸位置同步PID控制試驗(yàn)，S7-300 PLC與WinCC結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。試驗(yàn)平臺(tái)以S7-300 PLC作為下位機(jī)，在編程軟件STEP7中進(jìn)行模塊化編程，包括主程序，電機(jī)啟?？刂谱映绦?、系統(tǒng)保護(hù)子程序、模擬量檢測(cè)子程序、手動(dòng)子程序及自動(dòng)子程序等，并在組織塊OB35中調(diào)用PID模塊對(duì)左右缸位置進(jìn)行閉環(huán)控制;以WinCC組態(tài)軟件作為上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，包括啟動(dòng)畫面、手動(dòng)畫面、狀態(tài)畫面、報(bào)警畫面、曲線畫面、參數(shù)設(shè)置畫面等，WinCC部分監(jiān)控界面如圖10所示。

圖9 S7-300 PLC與WinCC結(jié)構(gòu)圖

圖10 WinCC監(jiān)控界面

在內(nèi)高壓成形過程中，兩側(cè)缸在推進(jìn)時(shí)受到的外界負(fù)載力是變化的，所以為得到更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，在進(jìn)行兩側(cè)缸位置控制系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)時(shí)，在兩側(cè)缸之間加入彈簧模擬變化的負(fù)載力［10］。

3.1 單缸位置控制試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于兩側(cè)缸位置控制系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)平臺(tái)，兩液壓缸最大行程為200 mm，最大壓力輸出為14 MPa，調(diào)節(jié)右側(cè)電磁比例溢流閥，使右液壓缸輸出壓力控制在10 MPa以內(nèi)，控制左液壓缸回程到原位，將彈簧左側(cè)座與左液壓缸上固定的力傳感器貼合，然后控制右液壓缸向前移動(dòng)，使其上固定的力傳感器與彈簧右側(cè)座貼合，此時(shí)右位移傳感器讀數(shù)為115 mm，彈簧壓縮量為0。測(cè)得彈簧壓縮量為50 mm時(shí)，力傳感器輸出8.4 kN，考慮到力傳感器最大量程為10 kN，所以在試驗(yàn)過程中，將彈簧壓縮量控制在50 mm以內(nèi)。

為模擬內(nèi)高壓成形加載過程中，側(cè)缸推進(jìn)位移跟蹤不同斜率的斜坡響應(yīng)信號(hào)，利用液壓缸對(duì)不同斜率的斜坡信號(hào)的響應(yīng)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的性能。另外，為了得到在不同范圍負(fù)載力下的斜坡響應(yīng)，分別選擇彈簧壓縮量為0、10 mm時(shí)作為位移的零位，通過在線調(diào)整PID模塊的3個(gè)參數(shù)GAIN、TI和TD，最終得到右液壓缸對(duì)不同斜坡信號(hào)的響應(yīng)曲線，分別如圖11、12所示，其中實(shí)線為給定位移曲線，虛線為右側(cè)缸響應(yīng)曲線。

從單缸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于不同的斜率以及不同的負(fù)載力的條件下，采用位置閉環(huán)PID控制，單缸都能很好的跟蹤位置給定，定位精度保證在±0.05mm，滿足控制要求。

圖11 單缸彈簧壓縮量為0 mm作為初始位移

圖12 單缸彈簧壓縮量為10 mm作為初始位移

3.2 兩側(cè)缸位置同步控制試驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)行兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)，將彈簧置于兩側(cè)液壓缸中間，并控制兩側(cè)液壓缸向前移動(dòng)使其上的力傳感器分別與彈簧左右側(cè)座貼合。此時(shí)測(cè)得左右位移傳感器讀數(shù)都為60 mm，彈簧壓縮量為0，以此作為位移的零位進(jìn)行試驗(yàn)。

由于彈簧壓縮量控制在50 mm以內(nèi)，所以將兩側(cè)缸的位移量都設(shè)為25 mm，分別采用“同等方式”及“同等+主從”這兩種控制策略進(jìn)行兩側(cè)缸位置同步控制試驗(yàn)，分別得到如圖13及圖14所示的響應(yīng)曲線，其中實(shí)線為給定位移曲線，虛線為右側(cè)缸位移響應(yīng)曲線，點(diǎn)線為左側(cè)缸位移響應(yīng)曲線。

從兩側(cè)缸位置同步PID控制的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用“同等方式”和“同等+主從”這兩種控制策略，在不同斜率的條件下，兩側(cè)缸都能較好地跟蹤位置給定，且同步誤差較小;另外，由于外界因素如左側(cè)采用的是手動(dòng)電磁溢流閥，右側(cè)采用的是比例溢流閥造成兩側(cè)壓力輸出控制的不同，以及彈簧負(fù)載的性能等因素的干擾，在達(dá)到最終位置時(shí)有時(shí)還有一些擾動(dòng)，兩種方式都能很快的消除擾動(dòng)，抗干擾能力強(qiáng)。但是相比較而言，采用“同等+主從”的控制策略，同步控制精度更高，控制效果更好，抑制干擾能力更強(qiáng)。

圖13 “同等方式”兩側(cè)缸位置同步控制試驗(yàn)曲線

圖14 “同等+主從”兩側(cè)缸位置同步控制試驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用自主研制的多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)，建立了內(nèi)高壓成形側(cè)缸位置控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用PID控制器及“同等+主從”的控制策略進(jìn)行Simulink仿真，仿真結(jié)果表明，采用PID控制具有試驗(yàn)的可行性;基于S7-300 PLC進(jìn)行單缸位置PID控制試驗(yàn)及兩側(cè)缸位置同步PID控制試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用S7-300 PLC作為主控制器，選擇“同等+主從”的控制策略，進(jìn)行PID位置閉環(huán)控制，系統(tǒng)能很好地跟蹤位置給定，同步控制精度高、誤差小，并能很快地消除外界干擾，能夠滿足控制要求，為基于S7-300 PLC的內(nèi)高壓成形控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

［1］苑世劍，王仲仁 內(nèi)高壓成形的應(yīng)用進(jìn)展［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2002，13(9):783－786.

［2］王陳喜，劉利，莫錦秋.2 000 kN液壓脹形機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2006(7):198－200.

［3］宋楠，王炳德，張士宏，等.管材內(nèi)高壓成形液壓控制系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007，36(2):21－23.

［4］CHARLES C，SHAH S.Hydroforming Process overview and Applications［C］.Proceedings of the 2nd International Conference on Innovations in Hydroforming Technology，OH，USA.1997:B1－B14.

［5］KLAAS F.Innovations in High Pressure Hydroforming［C］.Proceedings of 2th International Conference on Innovations in Hydroforming Technology，Ohio，USA.1997.

［6］KLEINER M，HOMBERG W，BROSIUS A.Processes and Control of Sheet Metal Hydroforming［J］.Advanced Technology of Plasticity，1999，2:1243－1252.

［7］濮丹麗，劉利.基于 SIT的內(nèi)高壓液壓成形機(jī)位置同步系統(tǒng)控制研究［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(6):67－69.

［8］濮丹麗.基于LabVIEW 的內(nèi)高壓液壓成形機(jī)控制系統(tǒng)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［9］曹健，許宏光，吳盛林，等.內(nèi)高壓成型設(shè)備液壓控制系統(tǒng)研究［J］.機(jī)床與液壓，2005(5):69－70.

［10］牟曉勇.基于氣液增壓的內(nèi)高壓成形設(shè)備控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［11］陳翀宇.內(nèi)高壓脹形機(jī)側(cè)缸電液控制系統(tǒng)的建模與控制策略的研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2007.

［12］路甬祥，胡大.電液比例控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［13］李洪人.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

［14］黃卉.關(guān)于比例閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)的建模問題［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000(4):43－45.

［15］韓波，王慶豐.電液比例位置同步控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)研究［J］.機(jī)床與液壓，1997(1):7－10.