PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理分析

磨頭壓下控制系統(tǒng)中，采用可編程控制器(PLC)為核心，組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要通過控制電磁換向閥的通斷和三通比例減壓閥的開度，來控制液壓壓下系統(tǒng)的流量和壓力，完成磨頭的動作和控制修磨壓力。磨頭壓下控制系統(tǒng)作為一個獨(dú)立的控制單元通過現(xiàn)場總線與上層計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，和鋼坯修磨機(jī)其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。
1 控制系統(tǒng)硬件配置
鋼坯修磨機(jī)控制系統(tǒng)PLC 硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。為便于控制控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，整個系統(tǒng)采用基于PROFIBUS 總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。S7-400 作為1 類DP 主站是整個系統(tǒng)的中央控制器，在預(yù)定的周期內(nèi)與分布式的站循環(huán)地交換信息，并對總線通信進(jìn)行控制和管理。PC 機(jī)為2 類DP 主站，和STEP7 編程軟件做編程設(shè)備，和WinCC 組態(tài)軟件做監(jiān)控操作站。2 類DP 主站OP用于操作人員對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與修改、設(shè)備的啟動和停止，以及在線監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。用于直接控制磨頭壓下系統(tǒng)的S7-300 作為DP從站通過通信模塊CP342-5 連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上。其他設(shè)備用于控制鋼坯修磨機(jī)的其他系統(tǒng)。這種分散性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以靈活組態(tài)，易于系統(tǒng)的擴(kuò)建和維護(hù)，各個控制單元安裝在被控設(shè)備附近，既節(jié)省電纜，又可以提高該設(shè)備的控制速度，還可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 系統(tǒng)硬件配置框圖

磨頭壓下系統(tǒng)從站 S7-300 由電源模塊PS307、CPU314、通信處理器CP342-5、數(shù)字量輸入/輸出模塊SM323、模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332 組成，這些模塊都安裝在導(dǎo)軌上。電源模塊安裝在機(jī)架的最左邊，CPU 模塊緊靠電源模塊，向右依次是CP342-5、SM323、SM331、SM332。除電源模塊之外各個模塊通過背板總線連接起來。
2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用 STEP7 編程軟件，采用模塊化編程與結(jié)構(gòu)化編程相結(jié)合，使各部分互不干擾，便于調(diào)試，也提高了CPU 的利用率。其控制流程圖如圖2 所示。
系統(tǒng)通電后，PLC 采用循環(huán)掃描方式，首先是模塊初始化，主要包括模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊的初始化。接著啟動液壓泵，然后是故障報警判斷，包括油箱油溫過高，油箱液位過低，主油路壓力過低。系統(tǒng)按照程序進(jìn)行邏輯檢查和時序控制后，通過實(shí)時調(diào)節(jié)三通比例減壓閥和電磁換向閥來控制液壓缸的位置和輸出力，達(dá)到調(diào)整磨頭姿態(tài)的目的。根據(jù)實(shí)際工況，磨頭壓下系統(tǒng)有2 種控制方式：位置控制和位置壓力復(fù)合控制。磨頭下壓時，為提高工作效率，保證磨頭先以最快的速度平穩(wěn)運(yùn)行到指定位置，再平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換為壓力控制，采用位置壓力復(fù)合控制。磨頭抬起和微抬時，只需采用位置控制，保證磨頭快速抬起。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

3 控制算法的實(shí)現(xiàn)
壓力控制為前饋加閉環(huán)控制，前饋控制可以使壓力快速到達(dá)設(shè)定值，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而閉環(huán)控制可以調(diào)節(jié)由位置干擾引起的壓力波動，壓力閉環(huán)控制采用了帶積分分離的增量式PID 控制器，實(shí)現(xiàn)壓力精確控制，保證修磨壓力恒定。增量式PID 算法，在計(jì)算時僅需最近幾次誤差的采樣值，節(jié)省了內(nèi)存和運(yùn)算時間。但是，積分作用易導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量過大，特別是在系統(tǒng)啟停或大幅改變給定值時，積分作用會引起系統(tǒng)振蕩，響應(yīng)延遲。在這種情況下，采用積分分離的PID 算法，即當(dāng)偏差大于某個規(guī)定的門限值時，取消積分作用；只有當(dāng)誤差小于規(guī)定門限值時才引入積分作用，提高穩(wěn)態(tài)精度，減少靜態(tài)誤差。