PLC-APC位置控制技术在盘卷移送机的应用

PLC-APC位置控制技术在盘卷移送机的应用袁浪，李红侠（方大特钢科技股份有限公司，南昌330012）摘要：本文介绍了大盘卷移送机的位置APC自动控制原理，对系统的基本要求、程序控制算法进行了描述，并提出了在实际运用过程出现的问题的解决方法。关键词：盘卷移送机；位置APC；CoilTransmissionDevicetoPLC-APCControlTechnologyYuanlang，LiHong-Xia（FangdaSpecialSteelTechnologyCo.,Ltd，NanChang.,330012）Abstract：Tointroducethepositionofthemachine,automaticcontrolprincipleofAPCthebasicrequirementofthesystemandprogramcontrolalgorithmisdescribed,andputsforwardthepracticalapplicationintheprocessofsolvingtheproblemsoftheparty.KeyWord：coiltransmissiondevice；positionAPC盘卷移送机是盘卷生产线上重要的关键设备，其功能是把盘卷从两台加勒特卷取机移送（以下简称盘卷移送机）至步进梁式风冷运输线控制风冷（以下简称步进梁）。盘卷移送机必须在指定的时间内将盘卷的位置自动地控制到预先给定的目标位置上，使控制后的实际位置与目标位置值之差保持在允许的偏差范围之内，从而保证盘卷能够顺利移送至步进梁。1位置控制系统1.1位置控制的基本要求由于盘卷机的机械手位置的改变是通过电动机、减速箱来实现的，不同的工作情况下，如机械手上带有盘卷或者空载，由于系统负荷的改变，为获得较短的定位时间和定位精度，最优的速度给定大小是不一样的，图1是本系统采用的速度梯形图，图中的最高速度Vmax是在系统所允许的最大加速度和最大减速度范围之内的，这样既保证设备的正常运行，也满足了生产需要。图1速度梯形图为了准确对机械手进行位置控制，必须对位置控制提出以下几点要求：（1）实际电动机输出转矩不得超过电动机和机械系统的最大允许转矩，当机械手载有盘卷时，必须考虑盘卷带来的影响。（2）控制过程不能产生超调现象，系统应当稳定。（3）定位时间应最短，以满足生产工艺需要，并且定位精度符合规定的精度要求。.（4）定位超过误差允许范围，系统应能自动调整到目标位置，保证定位误差在系统允许的范围之内。（5）为了定位准确以及在接卷过程中，机械手不会发生位移，必须采用抱闸。1.2基于PLC-APC位置控制系统的基本组成及原理在盘卷移送的位置控制过程中，盘卷移送机目标行程在PLC内人工设定好，机械手是通过电动机来传动的，所以机械手的位置可借助于与电动机同轴传动的光电脉冲编码器来检测，而高速计数器读入脉冲编码器的码值并传送给CPU，CPU通过坐标计算程序，将脉冲数转换成实际的位置信息。PLC周期性地根据位置设定值与实际位置值进行计算，按照一定规律发出速度控制信号，并输出系统所需要的速度到西门子交流传动装置，控制电机的运行，直到机械手到达预先设定的目标位置后方停下。图2是PLC控制下的盘卷移送机位置APC控制系统的控制框图：图2APC装置控制框图由图2可知，位置自动控制是一个闭环控制系统。在位置控制过程中，控制对象的位置信号，通过检测对象的位置信息与PLC设定的目标值进行比较，然后根据偏差信号的大小，PLC计算出系统所需要的速度控制信息，由交流调速装置去驱动电动机，对机械手的位置进行调节，这个过程是个循环的过程，直到目的为止。机械手运行的一个周期中，在初始位置安装有一个高速接近开关，PLC采集接近开关的下降沿信号，用来给初始位置清零，以确保不会因为累计误差影响系统的定位。2位置控制量的控制算法与程序2.1定位控制算法[1，2]考虑到机械设备的强度，PLC采样时间以及传动装置的滞后影响，机械手的减速定位过程采用图3所示速度整定曲线进行速度控制。图3盘卷机速度整定曲线图在位置偏差很小的情况下，如果按照理想减速过程所需系统的开环放大系数很大，因此，如果减速点选择的时机不好，则在()vfs在到达精度范围时，速度可能还会很高，这就不允许使用抱闸，否则，抱闸是极易磨损的，而如果等速度降下来，则又超过了精度范围，所以必须选择一个准确的减速切换点。为使在位置偏差的小范围内dvdt较小，且等于一个合适的常数k，令Vks,则dvdsk,于是在目标位置附近，v的变化就不大，可以保证机械手容易进入抱闸作用范围。因此，采用这种控制方式就必须选择一个合适的k值，k值越小则定位精度越准确，但k值如果过小，就会延长定位时间。在实际系统使用中，为了保证设备的使用安全，经过实际测试，我们将系统的最大运行速度Vset限制在电机最高速度的一半，按照图三所示的速度曲线，系统在达到最大设定速度后，先以等速度移动到S2，然后切换到Vks,，直到进入S1后，按照Vmin继续运行，直至进入设定的位置精度范围。由S2到S1的曲线方程为：Vks切换点的坐标值为：2setsvk从S2到S1的减速时间：11(())tkInVks上式中，ｋ值取值的依据是：DEAD为目标值与实际值的最小误差，也即精度范围，V是APC位置环给定速度，通过设定最小位移速度Vmin和运行点S1求出k值，依据公式S2=V/k，在机械手最大运行速度Vset确定后，就可以求出S2，即机械手开始减速的位置坐标值。2.2位置控制程序[3，4]在实际控制程序中，由于机械手有多个目标位置，因此要多次调用多个APC回路，但其控制思路是一样的，只不过是控制的参数有所不一样，如减速转换点、最大运行速度，目标位置等。为减少程序的运算量，便于程序的理解，在PLC内只通过一组APC程序来统一处理，对于控制参数，在PLC内设立了一种“表格”，每个目标位置对应一个APC参数表，表中存放该APC的目标值、允许误差、速度曲线参数等，通过不同的位置目标值调用不同的控制参数，图4是位置自动控制程序流程图。图4位置自动控制程序流程在图4中，△S是位置偏差值，S2是开始减速点，S1是最小速度切换点，Vset与Vmin是设定的最大和最小运行速度，Dead是位置精度。3提高位置控制精度和可靠性的措施3.1齿隙的消除由于机械手是通过电动机经过减速齿轮箱传动，因而不可避免的存在齿隙，使电动机的转角不能精确地反映机械手的实际位置，而盘卷移送区域设备众多，各设备运行配合要求高，定位的不准确都会影响相关联的设备的正常运行，因此，为保证较高精度的定位控制，就必须尽可能的消除齿隙的影响，这一点可以通过提高减速箱的制造精度来实现。3.2APC装置的重复调零由于电气和机械的原因，机械手在往返的运动过程中，机械手的实际位置与脉冲编码器检测的信号之间产生偏差，导致初始位置发生变化。因此最好能在每循环一个周期能对位置的初始值有个调零操作，而且也是作为APC开机的必要条件。调零的方法就是，当设备初始上电时，必须调零一次，否则设备就处于未准备好状态，这个动作由操作工在操作室实现，APC装置输入调零设定值后，便能自动进行调零的运算。现场有一个接近开关，PLC采用接近开关的下降沿对高速计数器的计数值清零。这样自动调整CPU的零位起始值。当初始调零操作通过人工完成后，机械手在自动运行的时间段，都是通过机械手运行到初始位置后自动调零一次，这样，防止了累计误差对系统的定位影响。4结语在盘卷生产过程中，保证盘卷移送机准确的定位是生产过程中的关键一环，通过对盘卷移送机的位置APC控制的优化及合理选用，使之更好的适应于生产。参考文献：[1]埃利斯.控制系统设计指南[M]。刘君华，汤晓君，译。北京：电子工业出版社，2006.[2]丁修堃.轧制过程自动化[Ｍ].北京:清华大学出版社，2009[3]边春元，程立英，任双艳等.实例解析S7-300/400PLC系统设计基础与开发技巧[Ｍ].北京:机械工业出版社，2008[4]刘华波，张赟宁.基于SIMATICS7的高级编程[Ｍ].北京:电子工业出版社，2007【作者简介】袁浪（1973-），男，汉族，江西安义人，大学本科，硕士学位，工程师，从事电气自动化技术工作，（电话）18007083359（电子信箱）[e-mail].