PLC和電液比例閥在數(shù)控軋輥磨床工件頂持控制中的應(yīng)用

王 宇

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PLC和電液比例閥在數(shù)控軋輥磨床工件頂持控制中的應(yīng)用

王 宇

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240）

簡(jiǎn)要闡述了PLC結(jié)合電液比例閥在數(shù)控軋輥磨床工件頂持控制中的應(yīng)用，其中主要闡述了控制原理、硬件功能、介紹了機(jī)床頂持控制的設(shè)計(jì)，主要電氣元件的選型等，使軋輥磨床的頂持力在磨削工件時(shí)，達(dá)到可控，避免因頂持力過(guò)大而使工件磨削精度走失。

電液比例閥 PLC 數(shù)控軋輥磨床

軋輥是鋼鐵行業(yè)用于鋼板軋制的關(guān)鍵零件，數(shù)控軋輥磨床是專門(mén)用于冶金、造紙、橡膠、印機(jī)等行業(yè)，磨削各類工作輥及支承輥、各種壓機(jī)的金屬、非金屬壓延輥等的專用磨削加工設(shè)備。因軋輥磨削過(guò)程中需磨削圓柱形、圓錐形、輥面、輥頸、中凸、中凹、正弦曲線，拋物線、弧線、CVC曲線等各類曲線，且要求精度很高，磨削過(guò)程大多通過(guò)機(jī)床頭架及尾架對(duì)軋輥進(jìn)行頂持磨削。在此過(guò)程中，一方面需要保證軋輥在頂持過(guò)程中的安全，另一方面，需要控制軋輥在頂持過(guò)程中的變形以避免由變形引起的工件磨削精度走失。所以，控制對(duì)軋輥的頂持力度將直接影響軋輥的加工安全及加工精度，數(shù)字式電液比例閥就是理想的控制元件。

數(shù)字式電液比例閥是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)電液比例控制的新型元件，主要包含數(shù)字式流量閥、數(shù)字式壓力閥、數(shù)字式方向流量閥等類型。電液比例閥控制同開(kāi)關(guān)控制相類似，用電液比例閥的電磁鐵代替機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，將電信號(hào)變?yōu)閴毫蛭灰菩盘?hào)。由于電液比例閥具有較強(qiáng)的抗污染能力，控制精度及可靠性較高，所以其廣泛適用于現(xiàn)代液壓控制系統(tǒng)中?？删幊炭刂破鱌LC與電液比例閥的組合，非常適合于軋輥的頂持力控制，其能夠根據(jù)工件頂持情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，由電液比例閥控制數(shù)控軋輥磨床對(duì)工件頂持力控制，可以大大改善系統(tǒng)性能，具有反應(yīng)靈敏、控制精確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

1 電氣控制系統(tǒng)及硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS 840D系統(tǒng)，并集成SIEMENS S7-300 PLC機(jī)床狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控并進(jìn)行機(jī)床動(dòng)作控制，根據(jù)機(jī)床控制的要求，機(jī)床頂持控制設(shè)計(jì)選用圖1所示的控制方案。

圖1 電氣控制系統(tǒng)及硬件結(jié)構(gòu)

由圖1可見(jiàn)，該系統(tǒng)的控制核心是SIEMENSS7-300 PLC，其主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、濾波、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動(dòng)輸出等功能。在整個(gè)頂持執(zhí)行過(guò)程中，CPU將給定的控制量通過(guò)模擬量模送給電液比例閥，電液比例閥根據(jù)電壓值控制液壓缸的輸出壓力，頂持壓力反饋傳感器的反饋信號(hào)輸入電液比例閥，實(shí)現(xiàn)電液比例閥的閉環(huán)控制。

2 具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要液壓元器件選型

伺服液壓缸作為動(dòng)力元件，承受負(fù)載并實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此處考慮頂持動(dòng)作需通過(guò)尾架套筒的伸縮動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，在此選用單桿雙作用液壓缸，其活塞兩個(gè)腔體的面積為1:2，選擇和計(jì)算液壓缸的參數(shù)為：最大頂持力200 kN；液壓缸前端直徑Φ250mm，安裝壓力傳感器；有效活塞面積e=2π/4=49 087.4（mm2）；系統(tǒng)供油壓力s=12 MPa。另外，電液比例閥的選取，電液比例閥所需的流量為[1,2]

其中Q為電液比例閥空載流量（L/min），Q為電液比例閥負(fù)載流量（L/min）這樣，實(shí)際選取的電液比例閥額定流量為200 L/min。

2.2 主要電氣元件選型

根據(jù)實(shí)際工況及系統(tǒng)性指標(biāo)要求和對(duì)應(yīng)的液壓元器件選型，電氣控制系統(tǒng)采用德國(guó)SIEMENS P7-300PLC系統(tǒng) ，其具體選型如下：

（1）控制單元：CPU314附帶256KB儲(chǔ)存卡。

（2）數(shù)字輸入模塊：SM321模塊，具有16點(diǎn)的24VDC輸入接口。

（3）數(shù)字輸出模塊：SM322模塊，具有16點(diǎn)的24VDC輸出接口。

（4）模擬量輸入模塊：SM331，具有16位AD精度，1ms采樣速度的四通道模擬輸入接口。

（5）模擬量輸出模塊：SM332，具有12位AD精度，1ms轉(zhuǎn)換周期的2通道模擬輸出接口。

2.3 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)含兩部分內(nèi)容，上位機(jī)界面操作控制和下位機(jī)PLC控制軟件[3]。

首先，為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面操作控制，我們?cè)跀?shù)控軋輥專用磨削OEM軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改動(dòng)，界面采用VB及C++聯(lián)合開(kāi)發(fā)，在原有界面的基礎(chǔ)上增加了尾架頂持力設(shè)定窗口，如圖2所示，

圖2 數(shù)控軋輥磨床OEM操作軟件及頂持控制后臺(tái)程序

其次，下位機(jī)PLC控制，主要完成液壓缸的驅(qū)動(dòng)工作。該程序主要在OB35循環(huán)中斷組織塊中運(yùn)行（中斷周期100ms），各參數(shù)格式見(jiàn)表1。

Block: OB35 "Cyclic Interrupt"

CALL "CONT_C" , DB255

COM_RST :=

MAN_ON :=M255.0

PVPER_ON:=

P_SEL :=

I_SEL :=

INT_HOLD:=

I_ITL_ON:=

D_SEL :=

CYCLE :=T#100MS

SP_INT :=MD256

PV_IN :=MD258

PV_PER :=

MAN :=MD260

GAIN :=MD262

TI :=MD264

TD :=

TM_LAG :=

DEADB_W :=MD266

LMN_HLM :=

LMN_LLM :=

PV_FAC :=

PV_OFF :=

LMN_FAC :=

LMN_OFF :=

I_ITLVAL:=

DISV :=

LMN :=

LMN_PER :=

QLMN_HLM:=

QLMN_LLM:=

LMN_P :=

LMN_I :=

LMN_D :=

PV :=

ER :=

表1 OB35循環(huán)中斷組織各參數(shù)格式表

通過(guò)以上程序段對(duì)各給定控制量以及控制信息的處理，PLC完成了對(duì)電液比例閥的控制工作[4]。

其具體程序原理如圖3所示，由壓力反饋檢測(cè)模塊、曲線發(fā)生器模塊和PID運(yùn)算模塊組成。圖3中，代表壓力曲線設(shè)定值，代表實(shí)際壓力反饋值，1表示點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度值，s是控制時(shí)間間隔，是自動(dòng)運(yùn)行時(shí)速度增量值，PIDOUT為PID控制運(yùn)算輸出值，Pout為PID控制運(yùn)算的比例控制項(xiàng)值，Iout為PID控制運(yùn)算的積分控制項(xiàng)值，Dout為PID控制運(yùn)算的微分控制項(xiàng)值，p為比例控制參數(shù)，Ki為積分控制參數(shù)，d為微分控制參數(shù)，e(t)為誤差，e(t)=-。其中，壓力反饋檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)將液壓缸的實(shí)時(shí)壓力情況反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)由模擬數(shù)據(jù)到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[5]；曲線發(fā)生器模塊由點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行曲線發(fā)生器和自動(dòng)運(yùn)行曲線發(fā)生器組成，分別給出點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的液壓缸指令曲線；PID運(yùn)算模塊則根據(jù)指令曲線與實(shí)際運(yùn)行曲線誤差，給出電液比例閥的控制輸入。

圖3 PLC控制軟件原理

3 結(jié)語(yǔ)

隨著當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)的提高，人們開(kāi)始對(duì)機(jī)床的多功能和先進(jìn)性的要求越來(lái)越高，高速、高效、智能化、精確化是相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間機(jī)床行業(yè)發(fā)展的方向，數(shù)控軋輥磨床作為鋼鐵、冶金行業(yè)的主要精加工設(shè)備，其頂持機(jī)構(gòu)的好壞直接關(guān)系到軋輥磨削質(zhì)量。根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)的PLC和電液比例閥控制數(shù)控軋輥磨床工件頂持機(jī)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，達(dá)到性能指標(biāo)，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng),響應(yīng)速度快,自動(dòng)化程度高。該系統(tǒng)已在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行三年,系統(tǒng)運(yùn)行良好,持續(xù)為用戶創(chuàng)造著較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 王侃夫.機(jī)床數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3] 楊蕊,安宏生.電液比例位置控制技術(shù)在連軋管設(shè)備上的應(yīng)用[J].天津冶金,2003(2).

[4] 段仁君.CS-165E型潛孔鉆機(jī)PLC電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[C].長(zhǎng)沙礦山研究院50周年慶論文集,2006,10.

[5] 周欣.電液伺服系統(tǒng)同步控制研究[D].北京:北京交通大學(xué),2007.