閥門生產線控制系統的設計及仿真

消防閥門是安裝在通風、空調、防排煙系統的風管路上，平時呈開啟狀態，火災時當管道內氣體溫度達到一定溫度時自動關閉，起隔煙阻火作用。為了提高消防閥門的整體性能，閥門制造業必須不斷的提高產品的加工制造工藝水平。傳統的工藝是利用開卷機將板料沖剪成條料再手動焊接成閥門體，靠簡易定位塊及經驗定位，準確度低，勞動強度大，閥門焊接位置縫隙大，產生很大的噪聲。而且早期的開卷設備多用普通剪板機，經常出現各種人身事故，為了保證工人的人身安全，實現開卷自動化，開卷機結合電子計算機進行自動控制是一個發展方向，在工業生產中得到了廣泛應用。本文首先通過對國內外閥門現狀的分析，確定了生產線系統的總體方案。采用交流伺服電動機及與其匹配的驅動器作為執行機構，并設計了交流伺服系統的供電電路和控制電路；板料的沖孔、剪切是通過沖擊汽缸來完成。其次生產線中的PLC應用三菱FX2N系列和專用的定位模塊作為核心控制器，完成了伺服控制系統的硬件設計；編制了相應的系統控制程序；同時為了更方便的更改程序、生產不同類型的閥門體，選用了西門子觸摸屏作為人機界面并對其進行了設計。最后為了達到更好的定位精度，利用SINMULINK模塊通過對生產線的PID調節回路進行了仿真。

一、消防閥門生產線控制系統的組成及原理

1.生產線系統的組成

自動消防閥門的生產是以閥門體自動生產，輔助其他構成零件階段生產的生產模式，閥門體自動生產是核心。自動線是利用PLC把各部分的動作按要求協調起來，形成自動生產過程，核心是機械動作和自動控制有機結合；利用交流伺服電動機形成閉環控制。

送料裝置由機械系統結構、驅動單元和控制單元三部分組成。機械系統結構由開卷機、送料機、鏈傳動機構等組成；控制系統由PLC、觸摸屏(HMI)、交流伺服系統和沖擊汽缸等組成；開卷機把鋼卷展開，通過送料機把展開的鋼板校平后送到下一道工序，進行去角、切口、沖孔、下料四個工步，再由輸送裝置送到下一道工序進行翻邊、折彎、最后鉚接成型。生產線由PLC進行集中控制，使各設備（如開卷機、校平機、沖擊汽缸等）協調運行；利用觸摸屏(HMI)的良好人機界面，對PLC中的數據進行實時顯示、記錄，并控制整個系統運行。

2.各工位自動控制原理

以沖孔工位為例說明，其他工位（沖三角工位、沖一字口工位、切斷／裁邊工位）自動控制原理基本一樣。根據產品設計圖樣，決定各個沖孔動作距電氣零點的距離，在HMI上設定實際伺服電動機的脈沖數，在本次伺服電動機定位完成后，即沖孔位置已經達到沖頭下時，伺服電動機延時停止，PLC使電磁閥通電，沖擊汽缸以高速推動沖頭，沖出一個孔。在沖擊汽缸到達最高速后（沖孔完成后），位置開關動作，PLC使電磁閥斷電，汽缸回位，完成一個工位的控制，這樣汽缸的減速行程和反彈行程減為0，提高了沖孔質量。

二、閥門生產線的硬件設計

閥門生產線控制系統的控制任務為：根據轉速信號，驅動伺服電動機在給定轉速下可靠運行，通過傳感器對伺服電動機的監測，確保伺服電動機安全運行，并應具備良好的人機界面。為了滿足上述要求，采用可編程序控制器作為控制器，在閥門生產線控制系統中，需要48個輸入點，40個輸出點，控制一個交流伺服電動機；根據要求的

I／O點數再加上20%～30%的備用量，確定PLC點數；根據以上要求，選用三菱電動機的三菱FX2N-48MR可編程序控制器，其配置主要包括CPU模塊、數字量輸入模塊(DI)、數字量輸出模塊(DO)、模擬量輸入模塊(AI)、模擬量輸出模塊(AO)以及電源模塊。觸摸屏主要用于PLC的監視與控制，可以通過其顯示屏，以形象的文字、指示燈、動畫、曲線等形式監視PLC內部寄存器或繼電器的數值及狀態。與此同時，也可以通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤等）向PLC寫入工作參數或輸入操作命令，從而使操作人員能夠自如地控制機器設備。根據上述要求，本控制系統采用了SIEMES公司的SIMATICTP170B觸摸屏；人機設備和下位機的通信是通過PC／MPI適配器和RS232電纜來實現的。

三、Simulink仿真

設計工作完成以后，可以利用計算機把數學模型在各種信號及擾動作用下的響應進行測試分析，確定所設計的系統性能是否符合要求，并且加以修正使其進一步完善，以尋求達到最佳的控制效果。 Simulink是MathWorks公司于1990年推出的產品，主要用于在Matlab下建立系統框圖和仿真環境，可以實現動態系統的建模、仿真與分析。

1.控制系統數學模型的確定

數學模型主要的表現形式是系統的傳遞函數，目前主要的幾種傳遞函數有以下幾種：

有延遲的一階慣性環節：

(1)

有延遲的二階慣性環節：

(2)

有延遲的n階慣性環節：

(3)

對于一般的工業控制系統，并不要求非常精確的被控對象模型，因此在滿足精度要求的情況下，常采用低階傳遞函數來擬合被控對象。根據實際生產線控制系統的特點，本文選用一階的傳遞函數。由交流伺服電動機的參數可知傳遞函數為

PID控制是工程實踐中應用最廣泛的一種控制規律，它將偏差的比例、積分和微分通過線性組合來構成控制量，對被控對象進行控制。

PID控制規律為：

(4)

式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為偏差，是控制器的輸入；Kp為比例系數，無量綱；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

寫成傳遞函數的形式為:

(5)

PID控制器各環節中的比例環節，成比例反映控制系統的偏差信號，偏差一旦出現，控制器立刻產生作用，以減小偏差。積分環節用于消除靜差，積分作用的強弱主要取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環節反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差變得太大之前，在系統中引入一個有效的修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調整時間。

2.仿真結果

將實際參數代入伺服電動機模型中，用Simulink對速度系統進行仿真的結構圖如圖1所示。

圖1伺服電動機系統的仿真結構圖

對伺服電動機系統模型進行了仿真，仿真采用Simulink提供的ode45算法，采樣頻率為1000Hz。施加幅值為1r／min的階躍信號，得到系統的響應曲線，如圖2所示。圖中曲線1為未施加PID控制的響應曲線，曲線2為施加PID控制的響應曲線，P取為3。

圖2所示的是控制系統在PID控制器作用下的單位階躍響應，仿真結果表明，未施加PID控制的響應曲線，調整時間1.3s(Δ=0.05)。采用PID控制，顯示出好的單位階躍響應，上升時間0.45s，調整時間0.75s(Δ=0.05），有更快的動態響應特性。

正常生產時，電動機速度為1500r／min，啟動時速度變化如圖3所示，從圖3可以看出，速度變化趨勢呈線性化，滿足生產要求。生速時間小于6s，有更高的穩定性，誤差小于0.01s。

圖2階躍響應曲線圖

圖3實測速度趨勢圖

但由于參數誤差以及忽略了一些非線性因素的影響，仿真結果和實際系統相比較還是有一些微小的差別的，但從整體看來所建立的模型的響應特性和實際系統的響應特性十分接近。

（作者單位：袁玉蘋，中山市技師學院；

潘海濤，中山職業技術學院）