在冷弯型材及板材的连续生产过程中,在线定长切割是一个重要的环节 。直接涉及到后继产品的加工质量，上电科生产的VPC系列PLC具有高速计数和中断处理功能，这一特点能够在定长切割中发挥很好的作用，本文设计并完成了基于PLC 的飞锯在线定长切割控制系统,而且在系统中预留了与管控一体化系统的数据接口,可以根据生产安排自动调整切割长度,并能自动完成产量的统计工作。

 

    

     飞锯主要用来在线定长切割不同直径、不同壁厚、不同长度、不同速度的直缝焊管。控制系统控制飞锯小车的启动、加速、同步运行、锯切、正向减速、反向加速及反向减速制动,等待下一次锯切。该系统运行中需要控制的主要参数有2 个:一是位置,每次锯切时锯切点的偏差要小于设定值;另一个是速度,要求锯切时飞锯小车的运行速度严格与焊管的运行速度相同,即同步控制。采用何种控制模式在如此短的时间内完成这么多的动作,且达到所要求的定长精度是解决问题的关键。

飞锯系统由操作台、飞锯底座、飞锯小车、测长传感器、直流电机、齿轮箱、齿轮齿条传动机构等组成,见下图。

系统有自动、手动、模拟3 种运行方式,正常运行时系统设置为自动方式,在完成1 次人工干预短切后,即进入自动控制状态。飞锯的控制系统兼容了半闭环和全闭环2 种位置控制方式。半闭环采取传统的2 个旋转编码器控制方式,而全闭环在半闭环基础上增加了1 个固定在运行的飞锯小车上的编码器,构成3 个旋转编码器控制方式。在PLC 控制程序中兼容了半闭环、全闭环2 种控制方式,用户只需要在操作台面板上通过“半/ 全”转换开关即可改变PLC1 个输入点的状态,达到切换2 种控制方式的目的。这样可以给用户带来很大的便利。用户可以在飞锯机械设备良好的情况下使用半闭环系统,以求得到稳定的高精度。当飞锯机械设备磨损严重、使用半闭环系统定长误差较大时,可以改用全闭环系统,提高定长精度,从而相应地延长机械使用寿命。但是,采用全闭环系统也不是可以无限延长机械寿命的,过分严重的机械间隙将造成全闭环系统不稳定。

 

     系统以PLC 作为控制核心,将测速装置、锯切设备、传感器、控制器、驱动器、管理系统等控制功能全部集成在计算机上,实现了管理、驱动、信号采集、实时监控、故障诊断等多种功能的综合自动化。控制元器件和执行器件均采用了国际知名企业的产品,为系统的稳定性和可靠性提供了保证,将测长、定位的准确性和生产效率很好地结合起来。上位机通过MPI 总线与PLC 通信,对系统的状态进行实时监控,实现现场参数设置、生产过程监视与报警等功能。上位机监控软件稳定可靠,界面友好,操作简单。

PLC 上电后开始进行初始化,然后进入默认的手动操作状态,在手动状态下可以完成抬锯、落锯、夹紧、松夹、单根锯切、前进、后退等一系列动作。单根锯切用于为焊管切头,同时也是计数的开始,之后进入自动或模拟运行状态。在自动状态下,先使小车回到原位等待追踪信号,当残长达到启动残长时,锯车加速前进,同时各种速度、位移数据被计算、记录,当锯车与焊管同步时发出夹紧信号,这时意味着速度相等且残长为0 ,PLC 记录下相关数据,为下根焊管长度的计算做好准备。当焊管锯断后锯车返回到原位等待下一个工作周期。

 

模糊控制系统设计

    由于系统要求输出的误差尽可能小,笔者专门设计了模糊PI 控制器。这是一种把PI 控制与模糊控制有机地结合在一起,并且能够实现PI 控制器参数根据间接反映系统参数的被控量偏差及其变化率按模糊规则进行在线自动调整的控制。在模糊PI 控制器的调节过程中, 在各采样时刻,模糊参数控制器能够按照所涉及的经验规则进行选择,从而为PI 控制算法提供适当的参数,因此,能起到加速稳定、减小超调量等作用。

模糊PI 控制器原理图见图4

    模糊2PI 控制器,一般选定偏差e 和偏差变化率ec 为控制量,选定比例增益Kp 和积分增益Ki 为控制输出量。其控制思想是:当误差为负大时,若误差变化为负,说明误差有增大趋势,为尽快消除已有的负大误差并抑制误差增大,控制量的变化取正大;当误差为负而误差变化为正时,系统本身已有误差减小的趋势,所以为尽快消除误差且又不超调,应取较小的控制量,所以当误差为负大且误差变化为正小时,控制量的变化取为正中;若误差变化为正中或正大时,控制量不宜增加,否则造成超调而产生正误差,因而此时控制量取为零级;当误差为负中时,控制量的变化应使误差尽快消除,基于这种原则,控制量变化的选取同误差为负大时相同;当误差为负小时,系统接近稳态,若误差变化为负时,选取控制量为正中,抑制误差往负方向变化,若误差变化为正时,系统本身有消除误差的趋势,选取控制量为正小即可。比如在过程的起始阶段,为克服系统的滞后性,提高响应速度,尽快消除偏差,比例系数Kp 应取得大些,而为避免积分饱和应对积分系数Ki 取小值;在过程的中期,为了防止过大的超调量和过多的振荡次数,Kp 值要再减小, Ki 值不变或加大些;在过程的后期,为了改善动态品质和减小静差, Kp 值要再减小些,而Ki 值可取大些。飞锯小车位置跟踪是从误差正小、误差变化率正大或误差负小、误差变化率负大开始的,所以Kp 取大,Ki 取小;而在误差正中,误差变化率正中或误差正中,误差变化率负中,或误差负中,误差变化率负中或误差负中,误差变化率正中情况下,则Kp 取中, Ki 取中;当误差正大,误差变化率正小或负小,或者误差负大,误差变化率正小或负小时,则Kp 取小, Ki 取大;当过程进入到最后阶段,即误差小,误差变化率小,则Kp , Ki均取中。

 

   

    在冷弯型材及焊管的连续生产过程中,在线定长切割飞锯是关键设备,要求速度快、定位精度高、可靠性高、抗干扰能力强。为满足上述要求,其控制系统的研发尤为关键。本课题以PLC 作为控制核心,采用集散型控制结构,把模糊技术与PID 控制技术相结合,研制完成了基于PLC 的在线同步跟踪、定长切割的智能控制系统。经现场测试,飞锯的定长精度、工作速度、切断能力等几项主要指标高于国际上通用的BS 标准(定长精度:0～ + 6 mm) 。