基于S7-300 PLC的內高壓成形機位置同步控制試驗研究

高娟娟，劉麗貞，王立新，劉福才

(1.燕山大學工業計算機控制工程河北省重點實驗室，河北秦皇島066004;2.滄州師范學院機械與電氣工程學院，河北滄州 061001)

0 前言

隨著科技的發展，人們不斷地對工業制造技術提出更高的要求，節能環保、減輕重量、降低成本是現代先進制造技術發展趨勢之一。內高壓正是在這樣的背景下開發出來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，使用專用設備向管件腔內注入超高壓液體，同時軸向進給補料，把管坯壓入模具型腔使其成形為所需工件［2－3］。內高壓成形能有效地降低零件重量、減少模具數量、提高生產效率，因此受到工程技術人員和科研工作者的廣泛重視［4－6］。

內高壓成形控制系統是內高壓成形技術的核心，控制系統是否可靠，直接關系到整個系統的成敗。如果加工的工件是對稱的，則需要軸向兩側缸位置同步。內高壓成形過程中的兩側缸位置同步控制的效果，直接關系到產品質量的好壞，因此，對于這個問題的研究，具有重要的意義。目前，國內對內高壓成形兩側缸位置同步控制方面的研究比較少，其中上海交通大學基于LabVIEW界面仿真工具包進行了內高壓成形兩側缸位置同步控制的實時仿真研究及現場實驗［7－8］;哈爾濱工業大學對內高壓成形液壓設備控制系統進行了試驗研究［9］，以及基于氣液增壓模擬試驗平臺進行了單側缸位置控制的試驗研究［10］。

文中基于多變量協調控制系統，專門開發了兩側缸位置同步控制試驗平臺進行試驗研究。就內高壓成形控制系統的主控制器而言，國內主要采用工控機或者普通PLC如三菱PLC，對于工控機而言，由于沒有集成的算法模塊，編程工作特別繁瑣;而普通PLC可靠性相對差些，編程方式單一，指令復雜，且兼容性差。文中研究的試驗平臺采用德國西門子S7-300 PLC作為主控制器，該PLC具有強大的功能支持，速度快、穩定性高、運算能力強，采用模塊化編程，具有傳統PLC系統無法比擬的強大功能。此外，將S7-300 PLC與WinCC組態軟件相結合，能實現對整個控制系統的在線監控。由于S7-300 PLC編程軟件中集成了PID模塊，因此在進行PID試驗之前，首先對兩側缸位置控制系統進行PID仿真研究，包括建立該系統的數學模型，選擇同步控制策略，搭建仿真模型進行仿真，仿真結果表明了采用PID控制器及同步控制策略的可行性，進而進行了單側缸位置閉環PID控制及兩側缸位置同步PID控制試驗，為基于S7-300 PLC的內高壓成形控制系統的實際應用提供了試驗依據。

1 多變量協調控制系統試驗平臺組成及建模

1.1 多變量協調控制系統試驗平臺組成

多變量協調控制系統試驗平臺主要由液壓泵站、水平缸 (兩側缸)、檢測與反饋元件、計算機控制系統這幾部分組成，如圖1所示。

圖1 多變量協調控制系統試驗平臺

在文中研究的多變量協調控制系統的試驗平臺中，液壓控制元件采用比例方向換向閥，它造價較低、抗污染能力高、性能良好，廣泛應用于需要較高同步精度的主機上［11］。液壓執行元件是左右兩側液壓缸，分別都裝有位移傳感器和力傳感器，通過計算機控制系統進行精確位移控制，圖2所示為多變量協調控制系統試驗平臺的液壓原理圖。

圖2 多變量協調控制試驗平臺液壓原理圖

1.2 多變量協調控制系統的數學建模

圖2所示的多變量協調控制液壓系統由兩路相同的閥控缸液壓回路組成，故在對系統建模分析時以其中一個回路作為研究對象［12－14］。

比例方向換向閥開環數學模型為:

KVSe為等效彈簧剛度:KVSe=Kfe+KVS。

對閥芯位移實現閉環控制，反饋增益為KX，其傳遞函數方框圖如圖3所示。

圖3 比例換向閥控制傳遞函數框圖

當U為輸入時上述回路的開環傳遞函數為:

其閉環傳遞函數為:

由上述所得單側缸比例位置控制系統方框圖如圖4所示。

圖4 單側缸位置控制系統傳遞函數框圖

2 兩側缸位置同步控制系統仿真研究

2.1 控制器及控制策略的選擇

在硬件一定的情況下，影響內高壓成形過程中的兩側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，內高壓成形機是工程性很強的設備，其系統應該在滿足性能指標的前提下，控制方式應當盡量簡單可靠，控制策略易于實現，因此在文中對基于S7-300 PLC的內高壓成形兩側缸位置同步控制試驗平臺的研究中，采用工業控制中結構簡單、調整方便、成熟可靠、應用最為廣泛的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”很難達到較高的靜、動態控制特性，“主從方式”在響應的過渡過程中，存在較大的動態同步誤差。文中采用“同等+主從”控制方式，以保證位置同步控制系統獲得較好的動、靜態品質［15］。

文中的兩側缸位置同步控制系統結構圖如圖5所示。

圖5 兩側缸位置同步控制系統結構圖

圖中，“同等”即給定信號相同，相同的位移給定信號分別與左右位移傳感器反饋位移值的差值作為左右側缸PID控制器的輸入; “主從”即以一側為主，輸出信號去影響另一側的輸出，文中仿真以右側缸位置控制為主，右側輸出位置信號Y1與左側輸出位置信號Y2作比較，差值經PID控制器進行運算，其輸出信號與左側缸位置控制系統的PID控制器的輸出信號相加去控制左側比例換向閥。

2.2 控制系統仿真模型

文中采用PID控制器以及“同等+主從”的同步控制策略，基于得到的內高壓成形單側缸位置控制系統的數學模型，查閱相關系統參數的手冊并進行計算，在Matlab中的Simulink中搭建出兩側缸位置同步控制系統仿真模型，如圖6所示。

圖6 兩側缸位置同步控制系統仿真圖

2.3 仿真結果及分析

基于PID的內高壓成形兩側缸位置同步控制系統，仿真結果分別如圖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，并在15 s及25 s時分別給右缸和左缸加入階躍擾動信號;圖8的給定位移值為斜坡信號，并在25 s及35 s時分別給右缸和左缸加入階躍擾動信號。

由PID仿真圖7可以看出，給定位移信號為階躍信號時，開始兩側缸位移同步，并在8 s左右穩定達給定位移值;在15 s時，右側缸加入階躍擾動信號，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，左側缸加入相同的階躍擾動信號，其位移值有較小變化，并在28s左右回到給定值，期間右側缸位移值不變。

由仿真圖8可以看出，給定位移信號為斜坡信號時，開始兩側缸位置達到同步，但是跟給定值有少許偏差，之后都跟蹤上給定;在達到終值時，兩側缸都有少許超調，并能很快達到給定終值;同樣在加入階躍擾動之后，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，系統能很好很快地跟蹤給定，且超調量較少，并能有效地抑制干擾，降低干擾信號對兩側缸位置同步控制的影響，同步控制精度高，為進行基于S7-300 PLC的兩側缸位置同步PID控制的試驗研究提供了理論依據。

3 兩側缸位置同步控制系統試驗研究

根據研制的多變量協調控制模擬試驗平臺，進行單缸位置PID控制及兩側缸位置同步PID控制試驗，S7-300 PLC與WinCC結構圖如圖9所示。試驗平臺以S7-300 PLC作為下位機，在編程軟件STEP7中進行模塊化編程，包括主程序，電機啟停控制子程序、系統保護子程序、模擬量檢測子程序、手動子程序及自動子程序等，并在組織塊OB35中調用PID模塊對左右缸位置進行閉環控制;以WinCC組態軟件作為上位機進行監控界面的設計，包括啟動畫面、手動畫面、狀態畫面、報警畫面、曲線畫面、參數設置畫面等，WinCC部分監控界面如圖10所示。

圖9 S7-300 PLC與WinCC結構圖

圖10 WinCC監控界面

在內高壓成形過程中，兩側缸在推進時受到的外界負載力是變化的，所以為得到更準確的試驗結果，在進行兩側缸位置控制系統的模擬試驗時，在兩側缸之間加入彈簧模擬變化的負載力［10］。

3.1 單缸位置控制試驗結果分析

對于兩側缸位置控制系統的模擬試驗平臺，兩液壓缸最大行程為200 mm，最大壓力輸出為14 MPa，調節右側電磁比例溢流閥，使右液壓缸輸出壓力控制在10 MPa以內，控制左液壓缸回程到原位，將彈簧左側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，使其上固定的力傳感器與彈簧右側座貼合，此時右位移傳感器讀數為115 mm，彈簧壓縮量為0。測得彈簧壓縮量為50 mm時，力傳感器輸出8.4 kN，考慮到力傳感器最大量程為10 kN，所以在試驗過程中，將彈簧壓縮量控制在50 mm以內。

為模擬內高壓成形加載過程中，側缸推進位移跟蹤不同斜率的斜坡響應信號，利用液壓缸對不同斜率的斜坡信號的響應來測試系統的性能。另外，為了得到在不同范圍負載力下的斜坡響應，分別選擇彈簧壓縮量為0、10 mm時作為位移的零位，通過在線調整PID模塊的3個參數GAIN、TI和TD，最終得到右液壓缸對不同斜坡信號的響應曲線，分別如圖11、12所示，其中實線為給定位移曲線，虛線為右側缸響應曲線。

從單缸試驗結果可以看出，對于不同的斜率以及不同的負載力的條件下，采用位置閉環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 兩側缸位置同步控制試驗結果分析

為進行兩側缸位置同步控制系統的模擬試驗，將彈簧置于兩側液壓缸中間，并控制兩側液壓缸向前移動使其上的力傳感器分別與彈簧左右側座貼合。此時測得左右位移傳感器讀數都為60 mm，彈簧壓縮量為0，以此作為位移的零位進行試驗。

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

從兩側缸位置同步PID控制的試驗結果可以看出，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采用的是手動電磁溢流閥，右側采用的是比例溢流閥造成兩側壓力輸出控制的不同，以及彈簧負載的性能等因素的干擾，在達到最終位置時有時還有一些擾動，兩種方式都能很快的消除擾動，抗干擾能力強。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。

圖13 “同等方式”兩側缸位置同步控制試驗曲線

圖14 “同等+主從”兩側缸位置同步控制試驗曲線

4 結束語

應用自主研制的多變量協調控制系統的試驗平臺，建立了內高壓成形側缸位置控制系統數學模型，采用PID控制器及“同等+主從”的控制策略進行Simulink仿真，仿真結果表明，采用PID控制具有試驗的可行性;基于S7-300 PLC進行單缸位置PID控制試驗及兩側缸位置同步PID控制試驗，試驗結果表明，采用S7-300 PLC作為主控制器，選擇“同等+主從”的控制策略，進行PID位置閉環控制，系統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的內高壓成形控制系統的實際應用提供了試驗依據。

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