阀门生产线控制系统的设计及仿真

一、消防阀门生产线控制系统的组成及原理

    1．生产线系统的组成

    自动消防阀门的生产是以阀门体自动生产，辅助其他构成零件阶段生产的生产模式， 阀门体自动生产是核心。自动线是利用PLC把各部分的动作按要求协调起来， 形成自动生产过程， 核心是机械动作和自动控制有机结合；利用交流伺服电动机形成闭环控制。

    送料装置由机械系统结构、驱动单元和控制单元三部分组成。机械系统结构由开卷机、送料机、链传动机构等组成；控制系统由PLC、触摸屏(HMI)、交流伺服系统和冲击汽缸等组成；开卷机把钢卷展开， 通过送料机把展开的钢板校平后送到下一道工序， 进行去角、切口、冲孔、下料四个工步，再由输送装置送到下一道工序进行翻边、折弯、最后铆接成型。生产线由PLC进行集中控制，使各设备(如开卷机、校平机、冲击汽缸等)协调运行；利用触摸屏(HMI)的良好人机界面， 对PLC中的数据进行实时显示、记录，并控制整个系统运行。

    2．各工位自动控制原理

    以冲孔工位为例说明，其他工位(冲三角工位、冲一字口工位、切断／裁边工位) 自动控制原理基本一样。根据产品设计图样，决定各个冲孔动作距电气零点的距离，在HMI上设定实际伺服电动机的脉冲数，在本次伺服电动机定位完成后， 即冲孔位置已经达到冲头下时，伺服电动机延时停止，PLC使电磁阀通电，冲击汽缸以高速推动冲头，冲出一个孔。在冲击汽缸到达最高速后(冲孔完成后)，位置开关动作，PLC使电磁阀断电，汽缸回位，完成一个工位的控制，这样汽缸的减速行程和反弹行程减为0， 提高了冲孔质量。

二、阀门生产线的硬件设计

    阀门生产线控制系统的控制任务为：根据转速信号，驱动伺服电动机在给定转速下可靠运行，通过传感器对伺服电动机的监测， 确保伺服电动机安全运行，并应具备良好的人机界面。为了满足上述要求，采用可编程序控制器作为控制器， 在阀门生产线控制系统中， 需要48个输入点，40个输出点， 控制一个交流伺服电动机；根据要求的I／O点数再加上20％~30％的备用量，确定PLC点数； 根据以上要求， 选用三菱电动机的三菱FX2N一48MR可编程序控制器，其配置主要包括CPU模块、数字量输入模块(DI)、数字量输出模块(DO)、模拟量输入模块(AI)、模拟量输出模块(AO)以及电源模块。触摸屏主要用于PLC的监视与控制，可以通过其显示屏， 以形象的文字、指示灯、动画、曲线等形式监视PLC内部寄存器或继电器的数值及状态。与此同时，也可以通过输入单元(如触摸屏、键盘等)向PLC写入工作参数或输入操作命令，从而使操作人员能够自如地控制机器设备。根据上述要求，本控制系统采用了sIEMES公司的SIMATICTP170B触摸屏；人机设备和下位机的通信是通过Pc／MPI适配器和RS232电缆来实现的。

三、Simulink仿真

    设计工作完成以后，可以利用计算机把数学模型在各种信号及扰动作用F的响应进行测试分析， 确定所设计的系统性能是否符合要求， 并且加以修正使其进一步完善，以寻求达到最佳的拧制效果。 Simulink是MathWorks公司于1990年推出的产品，卞要用于在Matlab下建立系统框图和仿真环境，可以实现动态系统的建模、仿真与分析。

    1．控制系统数学模型的确定

    数学模型丰要的表现形式是系统的传递函数， 目前主要的几种传递函数有以下几种：

     

    PID控制器各环节中的比例环节，成比例反映控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立刻产生作用， 以减小偏差。积分环节用于消除静差， 积分作用的强弱主要取决十积分时问常数Ti,Ti越大，积分作用越弱， 反之则越强。微分环节反映偏差信号的变化趋势， 并能在偏差变得太大之前， 在系统中引入一个有效的修正信号， 从而加快系统的动作速度，减少调整时间。

    2．仿真结果

    将实际参数代入伺服电动机模型中，用Simul ink对速度系统进行仿真的结构图如图1所示。

图1 伺服电动机系统的仿真结构图

    对伺服电动机系统模型进行了仿真， 仿真采用Siraulink提供的ode45算法，采样频率为1000Hz。施加幅值为lr／min的阶跃信号，得到系统的响应曲线，如图2所示。图中曲线I为末施)JHPID控制的响应曲线， 曲线2为施力加PID控制的响应曲线，P取为3。

    图2所示的是控制系统在PI啪制器作用下的单位阶跃响应，仿真结果表明，未施加PID控制的响应曲线，调整时间1．3s(△=0．O5)。采用PID控制， 显示出好的单位阶跃响应， 上升时间0．45s，调整时间0．75S(A=0．05) ，有更快的动态响应特性。

    正常生产时， 电动机速度为1 500r／min，启动时速度变化如图3所示， 从图3可以看出，速度变化趋势呈线性化，满足生产要求。生速时间小于6S，有更高的稳定性，误差小于0．O1S。

图2 阶跃响应曲线图

图3 实测速度趋势图

    但由于参数误差以及忽略了一些非线性因素的影响，仿真结果和实际系统相比较还是有一些微小的差别的，但从整体看来所建立的模型的响应特性和实际系统的响应特性十分接近。