一種基于PROFINET總線的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)

姚 彬，陳志華,2

（1.上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，上海 201111；2.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

近年來，大型薄壁形狀零件的應(yīng)用越來越廣泛，這類零件具有形狀復(fù)雜、加工精度要求高、剛度較低的特征[1]。由于薄壁件極容易變形，在加工過程中很容易影響薄壁件的加工精度，所以在支撐側(cè)需要引入頂撐壓力，用于支撐，防止加工過程中由于薄壁件的變形影響加工精度。

PROFINET是PROFIBUS國際組織推出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的開放的現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)。使用PROFINET，可以將分布式I/O設(shè)備直接連到工業(yè)以太網(wǎng)，與PLC進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。PROFINET可以運(yùn)用于對實(shí)時(shí)性要求更高的自動(dòng)化解決方案。它的實(shí)時(shí)通訊功能適用于對信號傳輸時(shí)間有嚴(yán)格要求的場合，例如傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳輸。其響應(yīng)時(shí)間比PROFIBUS更短，更新循環(huán)時(shí)間為1～10ms，完全能滿足現(xiàn)場級的要求。

壓力閉環(huán)控制是檢測數(shù)控機(jī)床的Z軸和薄壁件表面的壓力，支撐側(cè)的壓力過小會(huì)導(dǎo)致支撐作用減小，支撐側(cè)壓力過大會(huì)導(dǎo)致薄壁件變形。所以需要對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，使壓力保持在某一恒定值左右，壓力傳感器有兩個(gè)，對稱分布于裝置中。本文著重介紹了PMX（測量放大器系統(tǒng)）的組態(tài)和與壓

力傳感器的配置。PMX首先采集壓力信號，隨后通過網(wǎng)口PROFINET實(shí)時(shí)把壓力信號傳輸?shù)轿鏖T子PLC中，信號不衰減。隨后通過PLC中的PID算法，從而控制數(shù)控機(jī)床的Z軸運(yùn)動(dòng)，使支撐側(cè)的實(shí)際壓力值接近于設(shè)定壓力值，從而達(dá)到薄壁件的高精度要求。

1 測量環(huán)境及實(shí)驗(yàn)元器件的介紹

測量環(huán)境如圖1所示，是十軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，加工側(cè)有5根軸（3根移動(dòng)軸和2根旋轉(zhuǎn)軸），支撐側(cè)有5根軸（3根移動(dòng)軸和2根旋轉(zhuǎn)軸）。

圖1 測量環(huán)境

圖2 壓力傳感器

壓力傳感器如圖2所示。壓力傳感器的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值的變化。壓力傳感器的量程為0～2.5kN，輸出是0～100mV，這么小的信號是很容易衰減的，所以需要通過PMX把壓力信號采集下來。壓力傳感器的目的是為了檢測當(dāng)前數(shù)控機(jī)床Z軸和薄壁件之間的壓力，可以實(shí)現(xiàn)反饋。

PMX是一種專門為工業(yè)生產(chǎn)和測試臺(tái)使用而研發(fā)的測量放大器系統(tǒng)。其功能強(qiáng)大、精確、可靠、高效。高精度受益于低噪聲的24位A/D轉(zhuǎn)化，擁有更高的信號分辨率和更高的測量帶寬。通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行快速的處理和管理，采用PMX可以帶來更高的數(shù)據(jù)傳輸率和診斷率。PMX如圖3所示。

圖3 PMX

PMX的作用是通過PX455采集壓力信號，然后通過PX01PN（PROFINET網(wǎng)口）與西門子S7 300的CPU的PROFINET口相連，從而把采集的壓力信號傳給PLC，從而得以進(jìn)行PID控制。

2 壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)參與控制的控制方式。由于干擾的存在，系統(tǒng)自身便利用負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差去消除偏差，使系統(tǒng)輸出量恢復(fù)到期望值上。由此可見，閉環(huán)控制具有較強(qiáng)的抗干擾能力[2]。即閉環(huán)控制能在有外部干擾的環(huán)境下精確調(diào)節(jié)定位[3]。壓力閉環(huán)控制原理圖如圖4所示。

通過PMX，達(dá)到了實(shí)時(shí)響應(yīng)壓力的效果。

圖4 壓力閉環(huán)控制原理圖的優(yōu)化

通過壓力傳感器實(shí)時(shí)的讀取當(dāng)前的壓力值，該壓力信號通過PMX采集，隨后通過PROFINET總線傳輸?shù)轿鏖T子S7 300的PLC中，進(jìn)行PID控制，隨后把PID的輸出傳輸給Z軸，從而控制Z軸的移動(dòng)，最終使實(shí)際壓力值維持在設(shè)定壓力值附近跳動(dòng)。若實(shí)際壓力值大于設(shè)定壓力值，則Z軸會(huì)往遠(yuǎn)離工件的方向運(yùn)動(dòng)，從而減小實(shí)際壓力值；若實(shí)際壓力值小于設(shè)定壓力值，則Z軸會(huì)往靠近工件的方向運(yùn)動(dòng)，從而增大壓力值。

3 PMX的組態(tài)與配置

1）組態(tài)

PMX的組態(tài)是在西門子PLC編程軟件STEP7中進(jìn)行的。

硬件組態(tài)要求在軟件STEP7中的組態(tài)與硬件PMX的元器件的多少及順序要一樣，否則PLC會(huì)報(bào)警。PMX中有PX01PN和PX455，所以對應(yīng)的軟件中也只能有這兩樣，且順序要一致。若組態(tài)正確，PLC不會(huì)報(bào)警。

圖5 PMX的硬件組態(tài)

2）壓力傳感器的配置

組態(tài)完成后，PLC是讀不到實(shí)時(shí)的壓力信號的。需要在網(wǎng)頁中對壓力傳感器的參數(shù)進(jìn)行配置。將PMX的ETHERNET網(wǎng)口與調(diào)試電腦的網(wǎng)口相連，在電腦網(wǎng)頁的地址欄輸入pmx，如圖6所示。

圖6 PMX的網(wǎng)頁

一般需設(shè)置：傳感器的類型、物理單位、2電氣點(diǎn)、2物理點(diǎn)。根據(jù)目前的傳感器（ELAF、500L），傳感器類型是全橋100mv/v，物理單位N，2電氣點(diǎn)（20mv/v、傳感器的靈敏度）、2物理點(diǎn)（2500N）。設(shè)置完后，對應(yīng)的PMX上的端子排上會(huì)亮綠燈，則可以實(shí)時(shí)讀取壓力值。

綜上，PMX調(diào)試完成。

4 PID控制

PID控制由于其算法簡易、安全性高和魯棒性好等而被應(yīng)用在各種領(lǐng)域[4]。隨著控制的發(fā)展，PID控制仍在控制領(lǐng)域占有非常重要的位置即使許多先進(jìn)控制方法不斷出現(xiàn)，目前依然廣泛應(yīng)用于交通、電力、冶金、重工等控制中[5]。隨著自動(dòng)控制的發(fā)展，PID控制依然在控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。

在工程中應(yīng)用最廣泛的控制器為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。實(shí)際上PID控制就是誤差、誤差的積分、誤差的微分。其輸入、偏差信號e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為：

其中Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

比例（P）控制能快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）控制能消除穩(wěn)態(tài)誤差，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地累加，從而消除誤差。微分（D）控制可以加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

5 壓力閉環(huán)控制PLC程序流程圖

基于西門子系統(tǒng)，通過STEP7軟件對壓力閉環(huán)控制進(jìn)行控制。壓力傳感器檢測到當(dāng)前實(shí)際壓力值，PMX采集壓力傳感器的值，通過PROFINET現(xiàn)場總線傳給PLC，在PLC中編寫PID算法，PID的輸出給機(jī)床的Z軸，從而控制Z軸的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)壓力的效果，使支撐側(cè)的壓力在加工過程中維持在設(shè)定壓力值附近。PLC流程圖如圖7所示。

圖7 PLC流程圖

支撐側(cè)Z軸進(jìn)給過程：當(dāng)實(shí)際壓力值小于設(shè)定壓力值時(shí)，通過PID控制使Z軸朝靠近薄壁件的方向運(yùn)動(dòng)。支撐側(cè)Z軸抬升的過程：當(dāng)實(shí)際壓力大于設(shè)定壓力值時(shí)，通過PID控制使Z軸朝遠(yuǎn)離薄壁件的方向運(yùn)動(dòng)。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用PID控制后，導(dǎo)出實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)，通過MATLAB畫出實(shí)際壓力隨時(shí)間變化的曲線圖如圖8所示。

圖8 實(shí)際壓力隨時(shí)間變化

采樣點(diǎn)是3000個(gè)。通過PID控制，在加工過程中，支撐側(cè)的壓力值基本維持在180～230N之間，達(dá)到了較好的控制效果。

對比有支撐側(cè)和無支撐側(cè)的加工厚度效果，如圖9所示。

圖9 厚度對比結(jié)果

當(dāng)有支撐側(cè)時(shí)，厚度加工精度高，薄壁件厚度數(shù)據(jù)在5.56～5.58mm之間跳動(dòng)。當(dāng)無支撐側(cè)時(shí)，厚度加工精度差，薄壁件厚度數(shù)據(jù)基本上在5.23～5.7之間。

7 結(jié)束語

本文通過PMX采集壓力值，通過PROFINET實(shí)時(shí)把壓力信號傳給PLC，在STEP7中編寫PID程序。壓力傳感器、PMX和五軸機(jī)床的Z軸組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且通過PID控制，可以使支撐側(cè)在加工過程中達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的壓力。通過對比有支撐側(cè)和無支撐側(cè)的厚度加工效果，證明了支撐側(cè)壓力控制的可行性。