S7—315T系列PLC在压机大惯性部件高速运动中的应用

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摘 要：本文以PLC控制器为平台，利用变设定值与PID控制相结合，针对超大惯性的机械运动部件，进行短距离的高速运动、高精度定位控制。实践证明，该控制方法是有效的。

关键词：PLC；PID算法；惯性

1 前言

我国是陶瓷生产大国，在陶瓷地板和陶瓷墙地砖的生产中，陶瓷液压自动压砖机（以下简称压砖机）的工作频率直接决定了陶瓷厂的产量。日益激烈的竞争，使得厂家对压砖机的性能要求越来越高。在压砖机中，质量最大的运动部件是压制横梁，压制横梁需要从高位静止向下运动，并承受来自主缸的压力对陶瓷粉料进行施压，再返回高位。如此循环，压制横梁的运动在整个生产过程中占了较多的时间，因此缩短其所用时间显得尤为必要。同时，由于压制横梁轻则几吨，重则十几吨（如恒力泰公司的YP7500L型压砖机的压制横梁重17.5t），其惯性非常大。因此，在运动控制上有一定的难度。本文研究采用变设定值的PID控制方法，对YP系列陶瓷液压自动压砖机的压制横梁进行快速运动控制。

2 液压自动压砖机的系统构成

液压自动压砖机的控制系统主要由PLC、触摸屏HMI等组成。硬件主要包括电源模块、CPU及模块、IM174工艺模块、HMI等[1]。

（1） 电源：西门子PS307，供CPU及其他模块使用。

（2） 控制器：采用西门子315T-2DP，是一款具有工艺/运动控制功能的CPU。

（3） 触摸屏：采用Hakko公司的10寸触摸屏V810C，触摸屏通过RS485通讯电缆与西门子315T-2DP连接，进行参数设置、位置显示等实时交换数据功能。

（4） 分布式I/O-Profibus模块IM174，具有高速等时同步的特性，接受传感器反馈及控制信号输出。

（5） 16点数字量输入模块SM321，3个，8点数字量输出模块SM322，3个，用于液压系统中其他元件。

3 液压自动压砖机的系统控制原理

3.1 压砖机的压制横梁运动控制原理

液压自动压砖机控制系统由上位机触摸屏、PLC、液压阀、执行机构、传感器等组成。本文介绍压砖机的压制横梁运动控制，其控制原理如图1所示。首先通过位移传感器采集数据，然后传送到PLC，PLC运算后通过IM174发出指令，从而改变比例阀的开度控制液压油的流量，实现速度控制。上位机的主要目的是进行参数的设置及数据监控。

3.2 PID闭环控制中目标设定值的设计原理[2]

本设计系统是为了控制压制横梁纵向上下运动，从起点运动到目标位置，其运行过程中的位置变化可以作为速度变化的依据。起步时，应尽可能快速且无振动；中间运行时，应考虑安全进行的最大速度限制；接近目标位置时，则应进行减速。液压油的可压缩性，使得减速不能出现阶跃式的速度变化，否则会发生震荡，并影响液压密封件的寿命。系统设计压制横梁在减速过程中，应用实际位置与爬行开始位置的距离、减速距离、爬行速度等参数进行运算，得到减速过程中的速度变化，可以采用公式（1） 计算减速过程中的设定速度V。

3.3 系统的PID闭环控制设计原理

采用PID闭环控制系统的压制横梁运动控制系统，在315T-2DP的CPU中进行应用，其工作原理如图2所示。

系统目标设定值SV根据压制横梁的当前位置变化进行调整，使得其在整个运动过程中的任何位置都有相对应的速度。闭环控制的反馈值通过绝对值直线编码器（SSI）直接反馈数字到IM174，再通过Profibus-DP通讯电缆传送到CPU，并计算出实际速度，对目标设定值与实际速度相减得到差值进行比例、积分、微分运算，并经过上下限处理和D/A转换，经由IM174输出信号到ATOS比例阀，控制阀的开度，使得压制横梁到达设定的速度。

4 控制程序

4.1 PLC控制程序

系统采用Siemens公司的STEP7编程软件，315T系列CPU需要将s7 Technology V4.2软件包集成到STEP7编程软件中。系统采用了模块化程序设计[3]，主要部分有主程序、自动运行子程序、手动操作子程序、系统错误提示及报警子程序，PID控制子程序、速度计算子程序等。

系统使用西门子编程高级SCL语言进行速度计算子程序的编写，方便快速实现2.2中的公式输出，如图3所示。

为了保证速度计算，以及PID闭环控制的快速和稳定性，系统通过中断调用子程序的方法，在中断程序OB35中实现6s执行一次，该执行速度比液压系统中的ATOS比例阀响应速度要快，保证了硬件输出的快速性，能够最大限度的发挥整体系统的性能。程序中通过中间变量（M1100.7）常闭点切换同一变量的输出，实现与OB35中保持一致的切换频率，进行PLC的PID功能等时调用，从而实现PID闭环控制的变设定值功能，如图4所示。

4.2 人机界面系统

对于一个现场应用的PLC控制系统，方便操作的人机界面（HMI）也是重要的组成部分。HMI系统主要实现过程任务可视化、显示错误操作提示及报警、操作员对参数管理及过程的控制等[4]。利用HMI上的指示灯和按钮显示PLC的数字量输入、输出和代替硬件按钮，避免打开电柜查看模块I/O状态的麻烦，方便错误检查，并能减少硬件需求，降低成本。本系统采用Hakko的V810C触摸屏，触摸屏与PLC交换数据，操作员可以在触摸屏上观察到机器的实时状态。如：当前位置、系统压力、时间统计等，可以通过触摸屏修改相应的参数，调整PID使之适合实际的工况，实现快速优化功能。

5 系统应用结果及分析

本文根据上述设计，将硬件系统实际应用于YP系统陶瓷液压自动压砖机上。以YP7500L型压机为例，使用西门子T-CPU自带Trace功能，压制横梁的运动控制效果如图5所示。给定速度，并且比例阀打开，压制横梁在一段时间后才有速度变化。在运动过程中速度可控，实际位置曲线达到柔和快速的理想效果。如果要在最短时间内完成动作，则将速度设定为最大即可。

6 结论

西门子315t系列plc的PID工艺控制与时变PID目标设定值的相结合，较好地实现了大惯性部件的高速运动，实现运动过程速度可控，并能实现最短时间运动，适用于不同场合的需求，值得推广。

参考文献

[1] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社2004，8.

[2] 王建辉，顾树生.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2007，4.

[3] 廖常初.大中型PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2005，2.

[4] 王文，周苏，涂嘉庆.人机界面设计（第2版）[M].北京：科学出版社，2011，8.