卷板機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

鄭愛(ài)權(quán)

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院中德工程學(xué)院，蘇州 太倉(cāng) 2 1 5 4 1 1）

卷板機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

鄭愛(ài)權(quán)

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院中德工程學(xué)院，蘇州 太倉(cāng) 2 1 5 4 1 1）

目前，卷板機(jī)應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，對(duì)卷板機(jī)的智能化改造力度也在不斷加大。本文介紹了基于P L C的三輥卷板機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和卷板機(jī)的工作原理，對(duì)于三輥卷板機(jī)的電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

三輥卷板機(jī)；電氣控制系統(tǒng)；P L C

現(xiàn)代容器產(chǎn)品制造已經(jīng)離不開(kāi)卷板機(jī)等機(jī)械設(shè)備。卷板機(jī)的工作原理就是通過(guò)對(duì)金屬板材的多次擠壓彎曲，使板材成為塑性變化的新產(chǎn)品，板材的變形往往是不可逆的永久性變化。目前市面上常見(jiàn)的卷板機(jī)主要制造O型、U型等不同形狀不同規(guī)格的板材產(chǎn)品，基本能夠?qū)崿F(xiàn)厚度在1 8 c m左右的板材卷制。本文通過(guò)設(shè)計(jì)新型三輥卷板機(jī)電氣控制系統(tǒng)，力求提升卷板機(jī)工作能力，便于卷制厚度更高、強(qiáng)度更大、承壓更強(qiáng)的產(chǎn)品。

1 三輥卷板機(jī)工作原理

本文設(shè)計(jì)的三輥卷板機(jī)主要由機(jī)械元件、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。在液壓系統(tǒng)中，主要有多個(gè)傳感器構(gòu)成，通過(guò)對(duì)卷板機(jī)不同部位的壓力、溫度等指標(biāo)感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的反饋與執(zhí)行。機(jī)械元件中主要包括上輥、下左輥、下右輥、驅(qū)動(dòng)裝置、減速裝置等器件。如圖1所示，上輥為主驅(qū)動(dòng)輥，通過(guò)上輥在水平和垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生機(jī)械能效應(yīng)，從而完成精準(zhǔn)控制。機(jī)床通過(guò)固定移動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)了對(duì)輥件動(dòng)作的同步數(shù)字控制。當(dāng)然，這些按鍵的功能同樣可在人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)觸摸顯示，便于人工直觀控制。

圖1 三輥卷板機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖

控制系統(tǒng)中主要采用P L C控制器為主平臺(tái)，通過(guò)各種強(qiáng)電低壓元器件、開(kāi)關(guān)電源與繼電器組的組合構(gòu)成控制回路，同時(shí)外部裝配可觸摸人機(jī)交互界面便于人工控制。同時(shí)，配置有控制輥件正向或逆向旋轉(zhuǎn)的編碼器和控制上輥水平與垂直運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)磁柵編碼器。

2 三輥卷板機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制構(gòu)成

本文的三輥卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)核心采用OMRONC P 1 H智能型P L C控制器。卷板機(jī)的外部總電源為3 8 0 V動(dòng)力電壓，頻率為5 0～6 0 H z，而控制系統(tǒng)則配置2 2 0 V交流電壓，選擇用NT OUC HT P C系列的觸摸嵌入式一體化工控機(jī)界面屏，通過(guò)數(shù)字技術(shù)貫通附站與MC G S工控一體機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流渠道，從而能對(duì)整個(gè)卷板機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。卷板機(jī)在P L C控制下能實(shí)現(xiàn)一些控制流程。本文設(shè)計(jì)的卷板機(jī)，全部電氣控制操作基于P L C實(shí)現(xiàn)。在工控一體上，設(shè)置上、下兩層位機(jī)體系，通過(guò)遞階式的控制形式完成通信控制。上位機(jī)即為MC G S工控一體機(jī)，將整合整個(gè)系統(tǒng)資源，對(duì)各種運(yùn)動(dòng)展開(kāi)管理，通過(guò)程序來(lái)調(diào)度下位機(jī)運(yùn)動(dòng)和指令響應(yīng)。上、下位機(jī)之間保持實(shí)時(shí)通信后，強(qiáng)化人機(jī)可視化交互功能。

本系統(tǒng)的下位機(jī)就是P L C控制單元。P L C作為現(xiàn)代工業(yè)中通用的可編程邏輯控制裝置，能夠通過(guò)順序控制，實(shí)現(xiàn)邏輯分析判斷等功能，同時(shí)也能夠有效地發(fā)揮計(jì)數(shù)定時(shí)和分析記憶運(yùn)算功能。P L C常會(huì)通過(guò)不同結(jié)構(gòu)的模擬量與數(shù)字開(kāi)關(guān)量，與計(jì)算機(jī)之間完成必要的實(shí)時(shí)通信，從而形成由計(jì)算機(jī)控制，P L C響應(yīng)控制并分散執(zhí)行的管控風(fēng)格。通常情況下，選擇P L C能夠良好地隔絕不良干擾，確保穩(wěn)定可靠的運(yùn)行控制。P L C的優(yōu)化控制能夠?qū)戆鍣C(jī)各種運(yùn)行構(gòu)件的相對(duì)位置、相對(duì)速度等形成必要的輔助操控。本文中的MC G S工控一體機(jī)與P L C所構(gòu)成的上、下位機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)控制過(guò)程的OP C協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。采用這樣的方式后，能夠提升控制靈敏度，以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)構(gòu)建強(qiáng)大功能。

2.2 電氣控制的位移控制設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)在電氣控制過(guò)程中，上輥與下側(cè)的兩輥之間的運(yùn)動(dòng)都會(huì)通過(guò)必要的液壓裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)完成。而在確定輥件是否運(yùn)動(dòng)到位時(shí)，需要通過(guò)必要的編碼控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）上輥上下位移的閉環(huán)控制（圖2)。卷板工作啟動(dòng)后要控制上輥的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)穩(wěn)定下側(cè)的左右兩輥相對(duì)位置不變，需要考慮采用位移閉環(huán)控制。

圖2 上輥上下位移的閉環(huán)控制

以上輥的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，工作人員通過(guò)工控機(jī)的控制界面將需要上輥進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置輸入后，即通過(guò)控制系統(tǒng)輸入激勵(lì)信號(hào)，P L C系統(tǒng)讀取該信號(hào)后通過(guò)智能控制器將上輥到達(dá)的實(shí)際位置按信號(hào)進(jìn)行反饋，對(duì)比前后的位置信號(hào)，如果目標(biāo)值與實(shí)際值之間存在偏差就需要進(jìn)行必要的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。采用比例調(diào)節(jié)器后，這些誤差就能夠被積極消除。調(diào)節(jié)完成后的信號(hào)進(jìn)入到比例閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)大小，控制進(jìn)入到液壓裝置中的油量，從而讓液壓裝置自動(dòng)驅(qū)動(dòng)完成上輥的上下位移運(yùn)動(dòng)。

圖2中的智能控制器，將考慮使用HNC 1 0 0同步控制器。此型號(hào)可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的周期掃描，同時(shí)比例閥要求完成信號(hào)響應(yīng)的頻率控制在2 0 Hz。上輥的上下位置變動(dòng)若收到外界不良干擾，就會(huì)影響初始位置值與實(shí)際位移變動(dòng)值之間的差異，只有通過(guò)HNC實(shí)現(xiàn)比例—積分—微分調(diào)節(jié)。在這樣的上輥運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)后，卷板工藝能大幅度提升精度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高規(guī)格要求。

（2）下輥正反旋轉(zhuǎn)的速度控制。在本次設(shè)計(jì)中，三輥卷板機(jī)的上輥被設(shè)定為主驅(qū)動(dòng)輥，但同時(shí)下側(cè)的兩個(gè)輥件被設(shè)置為需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，即上輥開(kāi)始向下擠壓，下輥的正向旋轉(zhuǎn)將鋼板向上輸送。旋轉(zhuǎn)時(shí)，下側(cè)兩輥都要用力，由于板材在卷制過(guò)程中的曲率半徑在不斷變化，因此兩側(cè)輥件的旋轉(zhuǎn)線速度需要保持一致具有難度，為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度的平穩(wěn)運(yùn)行同步，則需要采用速度閉環(huán)自適應(yīng)控制旋轉(zhuǎn)。下輥正反旋轉(zhuǎn)的速度閉環(huán)控制原理如圖3所示。

本文的下輥正反旋轉(zhuǎn)的速度控制同樣采用P I D（比例—積分—微分）參數(shù)控制。這些參數(shù)將同時(shí)確保速度控制的連續(xù)性，速度想慢時(shí)P I D參數(shù)調(diào)節(jié)也慢，這時(shí)整體狀態(tài)穩(wěn)定且無(wú)超調(diào)，反之亦然。通過(guò)調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)下輥正反旋轉(zhuǎn)的良好效果。

3 卷板機(jī)電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖3 下輥正反旋轉(zhuǎn)的速度閉環(huán)控制

3.1 程序設(shè)計(jì)

本文的卷板機(jī)電氣控制系統(tǒng)屬于數(shù)控系統(tǒng)。因而在P L C功能基礎(chǔ)上，控制更加復(fù)雜，這就需要為控制系統(tǒng)提供必要的程序。數(shù)控卷板機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)程序在其中發(fā)揮著重要的作用。首先要對(duì)具體的鋼材板件參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量和計(jì)算，對(duì)所有的參數(shù)要準(zhǔn)確錄入到工控機(jī)中，同時(shí)也要將預(yù)制卷材的產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確輸入。完整的上位機(jī)程序能夠根據(jù)已知的輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)與之匹配的數(shù)學(xué)模型，從而區(qū)分出對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)與工藝參數(shù)，完成計(jì)算后將整體結(jié)果傳送到P L C。P L C按照工控上位機(jī)所提供的控制參數(shù)，全面控制卷板機(jī)的機(jī)械電機(jī)、液壓泵缸運(yùn)動(dòng)，完成了三輥系統(tǒng)中的上、下輥卷板動(dòng)作。

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本文的7英寸觸摸嵌入式一體化工控機(jī)所提供的人機(jī)交互界面，通過(guò)建立可視化的界面，簡(jiǎn)潔美觀地向工作人員展示卷板機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間的信息交流。界面中，菜單模式為電腦式操作菜單模式，主要功能菜單畫(huà)面為：開(kāi)機(jī)畫(huà)面、數(shù)顯控制、操作中心、元件狀態(tài)、工藝參數(shù)、報(bào)警記錄、企業(yè)簡(jiǎn)介、操作規(guī)程。人機(jī)交互界面便于讓操作人員通過(guò)畫(huà)面按操作員口令進(jìn)入操作系統(tǒng)，對(duì)卷板機(jī)的上下輥前運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字定位控制，隨時(shí)監(jiān)控狀態(tài)，保障數(shù)據(jù)傳輸及參數(shù)編輯修改，進(jìn)行板材卷制的專(zhuān)業(yè)安全操作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的卷板機(jī)基于P L C控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成，無(wú)論是硬件選型、結(jié)構(gòu)配置、程序優(yōu)化上都做到簡(jiǎn)化流程，提高操作靈活性，從而使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

[1]楊艷偉，向濤，向樹(shù)民，張勁.基于P L C的重型全液壓四輥卷板機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造，2 0 1 5(3 3):1 4 2~1 4 3.

[2]于海龍，石東東，趙秀美.基于P L C的數(shù)控卷板機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2 0 1 1(1):1 3 3~1 3 4.

T G 3 3 3.2 4；T P 2 7 3

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 1（上）-0 1 6 6-0 2