PLC控制系統設計原理分析

磨頭壓下控制系統中，采用可編程控制器(PLC)為核心，組成一個(gè)閉環(huán)控制系統，主要通過(guò)控制電磁換向閥的通斷和三通比例減壓閥的開(kāi)度，來(lái)控制液壓壓下系統的流量和壓力，完成磨頭的動(dòng)作和控制修磨壓力。磨頭壓下控制系統作為一個(gè)獨立的控制單元通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與上層計算機進(jìn)行通信，和鋼坯修磨機其他系統協(xié)調工作。
1 控制系統硬件配置
鋼坯修磨機控制系統PLC 硬件結構如圖1所示。為便于控制控制工程網(wǎng)版權所有，整個(gè)系統采用基于PROFIBUS 總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )結構。S7-400 作為1 類(lèi)DP 主站是整個(gè)系統的中央控制器，在預定的周期內與分布式的站循環(huán)地交換信息，并對總線(xiàn)通信進(jìn)行控制和管理。PC 機為2 類(lèi)DP 主站，和STEP7 編程軟件做編程設備，和WinCC 組態(tài)軟件做監控操作站。2 類(lèi)DP 主站OP用于操作人員對系統參數的設置與修改、設備的啟動(dòng)和停止，以及在線(xiàn)監視設備的運行狀態(tài)。用于直接控制磨頭壓下系統的S7-300 作為DP從站通過(guò)通信模塊CP342-5 連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )上。其他設備用于控制鋼坯修磨機的其他系統。這種分散性的網(wǎng)絡(luò )結構可以靈活組態(tài)，易于系統的擴建和維護，各個(gè)控制單元安裝在被控設備附近，既節省電纜，又可以提高該設備的控制速度，還可以實(shí)現閉環(huán)控制。

圖1 系統硬件配置框圖

磨頭壓下系統從站 S7-300 由電源模塊PS307、CPU314、通信處理器CP342-5、數字量輸入/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軌上。電源模塊安裝在機架的最左邊，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(gè)模塊通過(guò)背板總線(xiàn)連接起來(lái)。
2 控制系統軟件設計
本系統使用 STEP7 編程軟件，采用模塊化編程與結構化編程相結合，使各部分互不干擾，便于調試，也提高了CPU 的利用率。其控制流程圖如圖2 所示。
系統通電后，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(zhù)啟動(dòng)液壓泵，然后是故障報警判斷，包括油箱油溫過(guò)高，油箱液位過(guò)低，主油路壓力過(guò)低。系統按照程序進(jìn)行邏輯檢查和時(shí)序控制后，通過(guò)實(shí)時(shí)調節三通比例減壓閥和電磁換向閥來(lái)控制液壓缸的位置和輸出力，達到調整磨頭姿態(tài)的目的。根據實(shí)際工況，磨頭壓下系統有2 種控制方式：位置控制和位置壓力復合控制。磨頭下壓時(shí)，為提高工作效率，保證磨頭先以最快的速度平穩運行到指定位置，再平穩地轉換為壓力控制，采用位置壓力復合控制。磨頭抬起和微抬時(shí)，只需采用位置控制，保證磨頭快速抬起。

圖2 控制系統流程圖

3 控制算法的實(shí)現
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設定值，提高了系統的響應速度。而閉環(huán)控制可以調節由位置干擾引起的壓力波動(dòng)，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)現壓力精確控制，保證修磨壓力恒定。增量式PID 算法，在計算時(shí)僅需最近幾次誤差的采樣值，節省了內存和運算時(shí)間。但是，積分作用易導致系統超調量過(guò)大，特別是在系統啟?；虼蠓淖兘o定值時(shí)，積分作用會(huì )引起系統振蕩，響應延遲。在這種情況下，采用積分分離的PID 算法，即當偏差大于某個(gè)規定的門(mén)限值時(shí)，取消積分作用；只有當誤差小于規定門(mén)限值時(shí)才引入積分作用，提高穩態(tài)精度，減少靜態(tài)誤差。