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1、精品论文推荐PLC 闭环控制钢坯修磨机磨头压下系统试验研究1宁振雷，权 龙太原理工大学 机械电子工程研究所，太原(030024）E-mail：nzhl007摘要：针对砂轮位置扰动引起的多余惯性力，及其磨头自身重力、摩擦力和惯性力对系统 输出力的影响，采用开环控制，系统压力波动较大的问题，提出在三通比例减压阀控制压力 的基础上叠加闭环控制的方法进行改进。研制了以可编程控制器(PLC)为核心的磨头压下控 制系统，压下过程中采用位置、压力复合控制，提高了工作效率。引入带积分分离的增量式 PID 控制器，闭环控制压力，实现了对磨头压下力的精确控制，使该系统在位置扰动下能够 保持良好的跟随特性，满足了性
2、能要求，并已成功应用于国产 MG215-H5 板坯修磨机上。 关键词：钢坯修磨机；液压压下系统；PLC；闭环控制；PID中图分类号：TH137；TG5800引言为了保证钢材制品的最终质量和钢材的成才率，在轧制之前，去除钢坯表面的缺陷、氧 化皮、脱碳层是十分重要的工艺流程，主要的方法是采用砂轮修磨技术。钢坯表面一般是起 伏不平的，而钢坯表面氧化皮的厚度基本一样。所以，在修磨时，为了能彻底清除钢坯表面 的氧化皮并且使磨去的金属量尽可能少，避免不必要的浪费，就要求砂轮能适应钢坯表面起 伏不定的变化，即要求钢坯修磨机磨头压下系统具有良好的跟随特性，实现等厚修磨。而修 磨深度与修磨压力成正比，因此，在修
3、磨过程中就要求保持砂轮与钢坯表面的压力恒定。目前，国产钢坯修磨机主要是计算机集中控制，将工业现场的成百上千信号的检测、数 据处理、显示和控制集中于一台计算机上，控制循环周期长，不能实现闭环控制。基于此， 本文提出分层控制思想，其底层是分散的、独立的控制单元，可以方便地把不同设备的控制 功能按设备分配到合适的控制单元上，这样可以根据需要对各个控制单元进行模块化的功能 修改和调试，便于管理。各个控制单元安装在被控设备附近，既节省电缆，又可以提高该设 备的控制速度，还可以实现闭环控制，而且其采样周期不受其他控制单元的影响。上层是操 作与监视计算机系统，向底层计算机发布操作命令和运行参数，接受底层计算
4、机发送来的数 据和信息。它们之间通过数据总线交换信息。1液压压下系统的工作原理钢坯修磨机磨头压下系统力控制非常困难，影响系统输出力恒定的主要原因是砂轮的位 置扰动，位置扰动不仅给系统带来了多余惯性力，而且使机构本身的重力、摩擦力及惯性力 对系统的输出力也产生了较大的影响。采用开环控制压力时系统输出力波动较大，提出在三 通比例减压阀控制压力的基础上叠加闭环控制的方法进行改进。用三通比例减压阀控制压力时，压力上升时间和下降时间基本相同，能够保证负载流量 较小、为零甚至为负流量时的压力控制性能，具备双向通流的能力，而且可以在两个方向上 对压力进行控制，具有过载保护功能2。由于钢坯表面起伏不平，在修磨
5、过程中，当遇到坯 面下降时，液压缸被迫下行，无杆腔压力瞬时变小，三通比例减压阀的 P 口与 A 口相通，A 口压力被调节到设定值：当遇到坯面上升时，液压缸被迫上行，无杆腔压力瞬时变大，三通1 国家教育部博士点基金资助项目(20070112007)。-6-比例减压阀的 A 口与 T 口相通，A 口压力再次被调节到设定值。该系统的工作原理如图 1所示。图 1 磨头液压压下系统原理图Fig.1 Principle of grinding head hydraulic loading system系统由恒压式变量泵 1、溢流阀 2、蓄能器 3、磨头 4、三通比例减压阀 5、液压缸 6、 位移传感器 7
6、、压力传感器 8、电磁换向阀 9 及液压管道组成。由于磨头自重较大，为避免 磨头砸向钢坯表面，液压缸有杆腔压力保持不变，只需调整液压缸无杆腔压力，就可以使磨 头上下运动。磨头压下系统是钢坯修磨机的关键系统之一，主要完成磨头上抬、微抬、下压动作以及 保持修磨压力恒定。（1）快速抬起时，采用开环控制，只需给三通比例减压阀 5 一定的开度，此时三通比 例减压阀的阀口 A 与 T 通流，起到溢流阀的作用，有较好的等压特性，而且其压力是受控 的，保证了磨头快速平稳地抬起。（2）微抬时，采用位置闭环控制，当磨头运动到指定位置时，电磁换向阀 9 得电，锁 住磨头。（3）磨头下压时，为提高工作效率，防止磨头砸
7、向钢坯，采用位置、压力复合控制， 即磨头快速平稳地运行到转换点位置，再转换为压力控制。液压缸 6 中的内置位移传感器 7 实时检测磨头位置，转化成电信号传到 PLC 与位置设定值进行比较，当磨头运行到转换点 位置时自动转换为压力控制。因为压力是靠外负载建立起来的，所以压力的控制过程是在磨 头接触到钢坯之后才开始进行的，而在接触之前，液压缸只受惯性力和摩擦阻力作用。（4）修磨时，为了保证恒力修磨，必须实时控制液压缸输出力。控制力时，由于结构 设计的原因，常常用压力控制代替，检测信号取自液压缸无杆腔的压力，液压缸有杆腔的压 力为系统调定压力。此时可由压力传感器 8 检测液压缸 6 的无杆腔的压力，
8、转化成电信号传 到 PLC，与设定值比较，经过运算后输出到三通比例减压阀 5 上。2PLC 控制系统设计磨头压下控制系统中，采用可编程控制器(PLC)为核心，组成一个闭环控制系统，主要 通过控制电磁换向阀的通断和三通比例减压阀的开度，来控制液压压下系统的流量和压力， 完成磨头的动作和控制修磨压力。磨头压下控制系统作为一个独立的控制单元通过现场总线 与上层计算机进行通信，和钢坯修磨机其他系统协调工作。2.1 控制系统硬件配置钢坯修磨机控制系统 PLC 硬件结构如图 2 所示。为便于控制，整个系统采用基于 PROFIBUS 总线的网络结构。S7-400 作为 1 类 DP 主站是整个系统的中央控制
9、器，在预定的 周期内与分布式的站循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理。PC 机为 2 类 DP 主 站，和 STEP7 编程软件做编程设备，和 WinCC 组态软件做监控操作站。2 类 DP 主站 OP 用于操作人员对系统参数的设置与修改、设备的启动和停止，以及在线监视设备的运行状态。 用于直接控制磨头压下系统的 S7-300 作为 DP 从站通过通信模块 CP342-5 连接到 PROFIBUS 网络上。其他设备用于控制钢坯修磨机的其他系统。这种分散性的网络结构可以灵活组态， 易于系统的扩建和维护，各个控制单元安装在被控设备附近，既节省电缆，又可以提高该设 备的控制速度，还可以实现闭环
10、控制。图 2 系统硬件配置框图Fig.2 Hardware configuration of system磨头压下系统从站 S7-300 由电源模块 PS307、CPU314、通信处理器 CP342-5、数字量 输入/输出模块 SM323、模拟量输入模块 SM331、模拟量输出模块 SM332 组成，这些模块 都安装在导轨上。电源模块安装在机架的最左边，CPU 模块紧靠电源模块，向右依次是 CP342-5、SM323、SM331、SM332。除电源模块之外各个模块通过背板总线连接起来。2.2 控制系统软件设计本系统使用 STEP7 编程软件，采用模块化编程与结构化编程相结合，使各部分互不干 扰
11、，便于调试，也提高了 CPU 的利用率。其控制流程图如图 3 所示。系统通电后，PLC 采用循环扫描方式，首先是模块初始化，主要包括模拟量输入模块和模拟量输出模块的初始化。接着启动液压泵，然后是故障报警判断，包括油箱油温过高，油箱液位过低，主油路压力过低。系统按照程序进行逻辑检查和时序控制后，通过实时调节 三通比例减压阀和电磁换向阀来控制液压缸的位置和输出力，达到调整磨头姿态的目的。根据实际工况，磨头压下系统有 2 种控制方式：位置控制和位置压力复合控制。磨头下 压时，为提高工作效率，保证磨头先以最快的速度平稳运行到指定位置，再平稳地转换为压 力控制，采用位置压力复合控制。磨头抬起和微抬时，只
12、需采用位置控制，保证磨头快速抬 起。2.3 控制算法的实现图 3 控制系统流程图Fig.3 Flow chart of control system压力控制为前馈加闭环控制，前馈控制可以使压力快速到达设定值，提高了系统的响应速度。而闭环控制可以调节由位置干扰引起的压力波动，压力闭环控制采用了带积分分离的 增量式 PID 控制器，实现压力精确控制，保证修磨压力恒定。增量式 PID 算法，在计算时 仅需最近几次误差的采样值，节省了内存和运算时间。但是，积分作用易导致系统超调量过 大，特别是在系统启停或大幅改变给定值时，积分作用会引起系统振荡，响应延迟。在这种 情况下，采用积分分离的 PID 算法，
13、即当偏差大于某个规定的门限值时，取消积分作用； 只有当误差小于规定门限值时才引入积分作用，提高稳态精度，减少静态误差。3. 试验结果分析图 4 是磨头下压时位移和液压缸无杆腔压力试验结果。如图 4（a）所示，a b 段为位置 控制，行程为 0.2 m，耗时 2 s 。b c 段为压力控制，行程为 0.05 m，耗时 2 s。可见，采用 位置、压力复合控制可以提高工作效率。c d 段为磨头接触坯面后，位置干扰引起的响应曲 线。相应地，图 4（b）的 c d 段为磨头接触坯面后，液压无杆腔压力响应曲线，可知压力基 本不变，保持恒定。试验结果表明，液压缸无杆腔压力存在小幅波动，原因是实际系统中本身就
14、存在压力波 动，再经过微分处理，就在控制信号上叠加了这一振动信号，引起压力的波动，但液压缸位 置并不改变，所以并不影响控制效果，压力波动就相当于在控制信号上叠加颤振信号，对提高系统的灵活性、减小死区和减小静摩擦力是有益的。（a）位移响应曲线（b）液压缸无杆腔压力响应曲线(a) Response of displacement(b) Response of pressure at rear chamber of cylinder图 4 磨头下压时试验结果Fig.4 Result of experiments in the down process研究进一步表明，位置、压力复合控制转换时, 如果过
15、早地转入压力控制, 在未接触坯 面之前有一段空行程, 由于压力控制回路的增益较低, 将使液压缸运动的速度很慢,0.05 m 的行程要耗时 2s,而如果采用位置控制则只需 0.5 s, 若压力设定值较低, 缸的速度还要慢, 若 压力设定值较大, 在砂轮接触坯面瞬间就会造成大的冲击, 造成修磨缺陷。4. 结束语本文对钢坯修磨机磨头压下系统进行了试验研究，控制系统采用了 PLC，组成了控制 精度高，响应速度快的电液比例闭环控制系统，其中 PID 控制算法在程序中实现，灵活性 高，成本低。试验结果表明：（1）磨头下压时，采用位置、压力复合控制可以提高工作效率，避免磨头砸向钢坯，具有输出力保护功能。（2
16、）在三通比例减压阀控制压力的基础上叠加闭环控制，使该系统在位置扰动下能够 保持良好的跟随特性。（3）采用积分分离的 PID 控制思想，减少了系统超调，缩短了调节时间，使磨头运动 平稳，提高了系统的控制性能。（4）分层控制，可实现各个功能模块的闭环控制，改善了控制效果，提高了设备的可 靠性。实际应用表明，该 PLC 控制系统能实时准确地调整磨头位置，保证液压系统输出力恒 定，与钢坯修磨机其他系统协调工作，达到了预期设计要求。参考文献1 廖常初S7-300/400 PLC 应用技术M北京:机械工程出版社，20042 王永进，权 龙，杨付生，大型钢坯修磨机恒力加载系统的研究J，工程设计学报，2006
17、（1）3 权龙，许小庆，李敏，等电液伺服位置、压力复合控制原理的仿真及试验研究J机械工程学报，2008，44（9）：100-1054 高金源，夏洁计算机控制系统M清华大学出版社，2007Test Research on Grinding Head Loading System of Steel Grinding Machine Controlled by PLC in Closed-loop Ning Zhenlei，Quan LongInstitute of Mechatronic Engineering Taiyuan University of Technology，Taiyuan（03
18、0024）AbstractAs the location interference of grinding wheel not only brought redundant inertia force, but also made gravity, friction and inertia force of grinding head to influence output force of system, therewas pressure fluctuation to control pressure in open loop. So it was put forward using cl
19、osed-loop to control pressure in the basis of three-way proportional pressure reduce valve. A system controlled by Programmable Logic Controller (PLC) was developed. The position and pressure compound control was put forward in the down process, increasing efficiency. The incrementalPID controller s
20、eparating with integrator was brought in to control pressure in closed-loop, achieving accurate force control of grinding head and making system to keep the good follow characteristics under the influence of the location interference. That achieved performance requirement and had been successfully applied to domestic steel grinding machine MG215-H5.Keywords：Steel grinding machine; Hydraulic Loading system; PLC; Hybrid control; PID作者简介：宁振雷（1983），男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：电液伺服及比例 控制技术。
