壓力機(jī)智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真研究

陳若愚，孫宇，孔令成

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

機(jī)械壓力機(jī)是鍛壓生產(chǎn)常用設(shè)備，其在工作過程中，曲軸與軸承、滑塊與導(dǎo)軌、傳動(dòng)軸前端與軸承以及離合制動(dòng)器中的摩擦片溫度不斷升高，運(yùn)動(dòng)副間隙變小，摩擦力變大，引發(fā)軸承、軸瓦等關(guān)鍵零件失效損壞及離合制動(dòng)器功能不足等問題，造成設(shè)備工作受阻，引發(fā)故障，甚至報(bào)廢[1-2]。壓力機(jī)生產(chǎn)精度需適應(yīng)于不斷提高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，零部件的生產(chǎn)誤差、熱變形、壓力值、運(yùn)動(dòng)副間隙等都是影響其精度的關(guān)鍵因素，其中熱誤差占機(jī)床總誤差40%～70%，成為影響機(jī)床加工精度最重要因素，越來越受到人們的關(guān)注[3]。因此針對(duì)上述問題，圍繞壓力機(jī)關(guān)鍵部位展開溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制，以便了解壓力機(jī)運(yùn)行狀況，確保壓力機(jī)能夠高效、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整體方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 整體方案設(shè)計(jì)框圖

1.2 主要的硬件

要對(duì)壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制，需要配備開關(guān)量輸入8個(gè)，開關(guān)量輸出4個(gè)；模擬量輸出8個(gè)，溫度采集點(diǎn)16個(gè)。

因此就需要選用合適的控制器和溫度傳感器。由于PLC控制性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)和通信實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，所以本文擬選用PLC作為系統(tǒng)的下位機(jī)，觸摸屏用于現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。

a)PLC的選型及配置

選型時(shí)避免貪大求全，要以滿足系統(tǒng)功能需要為原則，需注意以下幾方面：

1)在工作條件良好、工藝不變的場(chǎng)合，考慮選擇整體型結(jié)構(gòu)PLC；其他場(chǎng)合則選用裝配靈活，安裝維修方便的模塊型PLC[4]。

2)對(duì)以開關(guān)量為主、模擬量需求較少并且無需考慮控制速度時(shí)，可選擇帶A/D及D/A轉(zhuǎn)換、簡單邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜋n機(jī)。而對(duì)需要進(jìn)行PID及閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等復(fù)雜控制時(shí)，選擇中檔或者高檔機(jī)較為合理。

3)在大企業(yè)選擇控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量保證PLC型號(hào)一致，不僅同機(jī)型PLC模塊可作備份、方便采購和管理，而且利于管理人員技術(shù)培訓(xùn)、操作水平提高與功能開發(fā)[5]。

4)在確定I/O數(shù)量時(shí)，要考慮到I/O點(diǎn)的損壞、失效等因素，提高10%～20%的備用量，同時(shí)盡可能選用PLC內(nèi)置繼電器和寄存器，以便節(jié)約I/O資源。本文的模擬量對(duì)象是溫度，考慮在PLC上加裝溫度擴(kuò)展模塊[6]。

鑒于以上幾方面的選型原則和壓力機(jī)需要的邏輯控制點(diǎn)數(shù)，擬選擇西門子S7-200 PLC較為合適。

b)溫度傳感器的選型

在熟悉和掌握了某集團(tuán)壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)副溫度測(cè)量的實(shí)際需求后，分析了運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確了溫度測(cè)點(diǎn)的分布和數(shù)量。根據(jù)各個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的安裝位置和結(jié)構(gòu)特征，選取相適應(yīng)的傳感器類型。壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)副溫度測(cè)點(diǎn)分布如表1所示。

表1 壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)副溫度測(cè)點(diǎn)分布

1)支承結(jié)構(gòu)測(cè)溫傳感器

端面型傳感器型號(hào)為WZPM-201B (也可選用A級(jí)鉑電阻)，主要參數(shù)如下：

Pt100鉑電阻，測(cè)溫范圍為-150℃～200℃，允許偏差為B級(jí)±(0.30+0.005|t|)，響應(yīng)時(shí)間≤6s。

安裝尺寸：傳感器結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。保護(hù)管直徑d可選擇Φ8.7或Φ6；保護(hù)管長度L依據(jù)具體安裝位置進(jìn)行選擇；壓緊彈簧Ls自由狀態(tài)為12mm，壓緊后不宜<6mm。其安裝方式見圖3。

圖2 端面熱電阻尺寸規(guī)格

圖3 傳感器安裝示意圖

2)導(dǎo)軌測(cè)溫傳感器

傳感器型號(hào)為WZPT-261PG，主要參數(shù)如下：

Pt100鉑電阻，測(cè)溫范圍為-150℃～200℃，允許偏差為B級(jí)±(0.30+0.005|t|)，響應(yīng)時(shí)間≤6s。

安裝尺寸：導(dǎo)軌實(shí)際壁厚為13mm，選用M6×1的安裝螺紋。傳感器保護(hù)管尺寸L可選擇為20mm，以探頭接近導(dǎo)軌中心為宜，其傳感器結(jié)構(gòu)尺寸和安裝示意圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 導(dǎo)軌測(cè)溫傳感器尺寸規(guī)格

圖5 螺釘式傳感器安裝示意圖

3)飛輪軸承測(cè)溫傳感器

無線模塊：選用PT59-LI-A10型無線Pt100溫度采集器，選用RE59-M-485型多路溫度接收器。

無線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 無線測(cè)溫系統(tǒng)

c)通信的實(shí)現(xiàn)

溫控系統(tǒng)系統(tǒng)硬件組成如圖7所示[7]。

圖7 溫控系統(tǒng)硬件組成圖

PLC通過通信端口1，經(jīng)MPI電纜與觸摸屏相連；觸摸屏經(jīng)PC/PPI電纜和上位機(jī)相接，該電纜也與通信端口2相接；溫度傳感器把測(cè)得溫度信號(hào)通過溫度變送器的信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大傳送到PLC的溫度控制模塊；PLC把溫度控制信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)施溫控操作，并與溫度傳感器相連，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PLC和觸摸屏的組態(tài)通信，同時(shí)上位機(jī)與PLC與觸摸屏可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)控制、信息的上傳與下載，易于管理。

1.3 系統(tǒng)主要控制器的組成

系統(tǒng)的主要控制器包括PLC、觸摸屏和上位機(jī)。

PLC選用西門子S7-200，PLC控制關(guān)鍵是其CPU模塊CPU 224XP CN，其他包括24 V電源模塊PS 207、通信模塊和溫度擴(kuò)展模塊EM 231等。觸摸屏采用西門子SMART 700，包括人機(jī)交互模塊、報(bào)警模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。上位機(jī)采用工業(yè)PC機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體思路如下：首先對(duì)運(yùn)動(dòng)副各測(cè)點(diǎn)設(shè)定溫度閾值，溫度初始值設(shè)為0并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。在實(shí)時(shí)顯示過程中，用溫度傳感器檢測(cè)各測(cè)點(diǎn)溫度并把溫度信號(hào)傳送給PLC，并判斷各測(cè)點(diǎn)溫度是否大于設(shè)定值，如果未超過設(shè)定值，則判定運(yùn)動(dòng)副溫度正常，不采取溫控操作；如果超過設(shè)定值，則判定運(yùn)動(dòng)副溫度異常，發(fā)出溫度過熱報(bào)警信號(hào)。在觸摸屏上顯示過溫測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)構(gòu)件，便于操作人員管理。同時(shí)觸發(fā)溫控信號(hào)，對(duì)下層的潤滑冷卻系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。調(diào)整比例閥開度大小和油泵流量以此來控制潤滑油流量，從而達(dá)到降溫效果。系統(tǒng)把過溫控制的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，發(fā)送給上位機(jī)和遠(yuǎn)程操作平臺(tái)并進(jìn)行顯示[8]。

珠海中建興業(yè)綠色建筑設(shè)計(jì)研究院院長、集團(tuán)總工羅多，作為行業(yè)企業(yè)專家在會(huì)上做《主被動(dòng)巧妙結(jié)合的近零能耗建筑》主題發(fā)言，以實(shí)例項(xiàng)目分析智能建筑的綠色節(jié)能建設(shè)和人性化設(shè)計(jì)。

溫度測(cè)控方案、PLC梯形圖溫控程序(部分)如圖8、圖9所示。

圖8 溫度測(cè)控方案圖

圖9 溫控程序圖(部分)

觸摸屏WinCC Flexible的組態(tài)溫度監(jiān)測(cè)界面和溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型與地址(部分)如圖10和表2所示。

圖10 溫度監(jiān)測(cè)界面

表2 溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型與地址(部分)

3 系統(tǒng)算法仿真與優(yōu)化

PLC溫度控制系統(tǒng)利用PLC中的PID模塊控制潤滑油路比例閥開度大小，從而達(dá)到控制溫度的效果。因此選擇合適的PID算法尤為重要。本文把S7-200 PLC溫控系統(tǒng)作為研究對(duì)象，組建上位機(jī)與PLC間通信網(wǎng)絡(luò)，通過MATLAB軟件完成初始參數(shù)的在線整合、算法程序和M文件的編寫等[9]，將傳統(tǒng)PID與模糊控制PID控制通過MATLAB軟件完成仿真，根據(jù)仿真效果對(duì)比選擇更合適的算法。

傳統(tǒng)PID、模糊PID控制原理分別如圖11、圖12所示[10]。

圖11 傳統(tǒng)PID控制原理圖

圖12 模糊PID控制原理圖

傳統(tǒng)PID與模糊PID仿真模型與其仿真效果分別如圖13、圖14所示。

圖13 傳統(tǒng)PID與模糊PID仿真模型

圖14 傳統(tǒng)PID和模糊PID控制效果圖

根據(jù)仿真效果對(duì)比可知，模糊PID控制較傳統(tǒng)PID控制有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。

2)控制效果好，響應(yīng)速度快、超調(diào)量低。

3)系統(tǒng)魯棒性能好，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)定要求，具有良好的推廣價(jià)值[10]。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，本文選用模糊PID控制算法更為合理。

4 實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)好溫度控制系統(tǒng)的軟硬件后，在實(shí)驗(yàn)室已有條件下搭建溫控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖15)，準(zhǔn)備好不同溫度的同種等量潤滑油液(油液A為25℃、油液B為35℃，室溫大約17℃)、小型油箱、油路比例閥和油管若干。在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)溫度上限為20℃，分別采用傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制算法，通過溫度傳感器測(cè)量A和B的油液溫度，觀察觸摸屏溫度變化曲線并且記錄各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)。由表3可知，模糊PID控制較傳統(tǒng)PID控制的調(diào)節(jié)速度更快，幾乎沒有明顯震蕩，超調(diào)量更小，控制精度更高。

圖15 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表3 兩種PID算法下的油液溫控參數(shù)

5 結(jié)語

本文針對(duì)壓力機(jī)因溫度過高造成的軸承研傷及失效損壞等問題，采用PLC、觸摸屏組態(tài)和模糊PID算法設(shè)計(jì)了機(jī)械壓力機(jī)智能溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力機(jī)溫升部件較為精確的控制。利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)控制算法的仿真并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都表明模糊PID控制算法具備更良好的控制效果，這樣不僅節(jié)約了PLC程序與目標(biāo)硬件的調(diào)配時(shí)間，而且還降低了研發(fā)成本，提高了生產(chǎn)效益。