第５期 杭柏林等．基于ＰＬＣ的液压站精确定位ＰＩＤ控制系统 ３Ｏ７ 基于ＰＬＣ的液压站精确定位ＰＩＤ控制系统 杭柏林 ，吕浦伟 ，高国威 （１＿青岛科技大学机电工程学院，山东青岛２６６０６１；２．软控股份有限公司，山东青岛 ２６６０４２） 摘要：利用可编程控制器（ＰＬＣ）内嵌的ＰＩＤ控制功能设计轮胎均匀性试验机的液压站精确定位系统。介绍定位 系统的结构、液压站模块的硬件组成以及ＰＩＤ控制算法实现。实践表明采用ＰＬＣ内嵌的ＰＩＤ功能并增设位置误差判 断后，完全满足定位精度要求，轮辋定位精度可控制在０．０５ ｍｍ以内。 关键词：ＰＬＣ；ＰＩＤ；精确定位 中图分类号：ＴＱ３３０．４叶。９２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００—８９０Ｘ（２０１１）０５—０３０７—０３ 液压站为轮胎均匀性试验机的重要组成部 分。传统液压站控制系统通常利用液压站生产厂 家提供的控制器实现上轮辋轴的精确定位，而液 压站控制器内嵌的控制程序大多为生产厂家编 写，利用计算机高级语言以及对应的板卡完成控 ｌ Ｉ 制过程，因而普通的技术人员掌握困难，不利于调 试，可靠性也较差。为满足检测类设备发展状况 Ｑ０２ＨＣＰＵ Ｑ６４ＤＡ Ｑ６４ＡＤ ＱＪ７１Ｅ７１—１００ 对轮胎均匀性试验机液压站的要求，本工作采用 具有可靠性的可编程控制器（ＰＬＣ）作为控制中 心，利用数字ＰＩＤ控制算法实现液压站的精确定 位。该控制系统具有液压站精确定位过程中的自 动、自动保护和故障报警等功能，可将整个定 比例阀组 伺服阀组 图１液压站精确定位ＰＩＤ控制系统结构 模块负责液压站定位过程中的数字量的输入和输 出控制，模拟量控制模块具有４路模拟量输入，负 责定位过程中液压缸位置和阀组开度的采集和控 位过程中的各种数据进行显示、存储，并可使用计 算机管理系统通过ＱＪ７１Ｅ７１－ＩＯＯ以太网模块将 制，将液压站现场的电流、电压信号进行Ａ／Ｄ转 换，并将转换结果送至ＣＰＵ处理。 上位机实现参数设定、远程控制、数据存储和 报警处理等功能。触摸屏用于手动动作、实时数 数据下传至ＰＬＣ，便于操作人员随时根据轮胎规 格调整轮辋宽度和设备工作状况。 １ 系统结构 据动态显示及监控等功能。为实现可靠稳定的传 输和通信，系统采用Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通信传输协议，因 液压站精确定位ＰＩＤ控制系统结构如图１ 所示。 此通信模块选择具有该传输协议的ＱＪ７１Ｅ７１－１００ 模块。 ＰＬＣ的ＣＰＵ模块采用Ｉ／０点数为４ ０９６的 Ｑ０２ＨＣＰＵ。由于控制系统涉及到数字量和模拟 量相互转换，因此需采用数字量输入／输出和模拟 ２硬件结构 量输入／输出模块扩展系统。ＣＰＵ和数字量扩展 基金项目：国家科技支撑项目（２００７ＢＡＦ１４Ｂ００） 作者简介：杭柏林（１９５９一），男，内蒙古通辽人，青岛科技大 液压站定位过程中其位移传感器测得的位置 值会逐渐变化，当液压站运动至上位机设置的轮 胎所需段宽时，要保证段宽恒定不变，必须相应地 调整伺服阀组的开度，通过调整阀组的开度可维 学研究员，硕士，主要从事管控一体化、机电一体化、智能控制及 轮胎检测设备的研究与开发。 持上轮辋的精确位置。系统将液压缸的位移作为 ３Ｏ８ 橡胶工业 ２０１１年第５８卷 反馈信号实施闭环控制，上位机设定的段宽位置 与实际液压缸所处位置比较得到误差ｅ，误差信 号经过ＰＬＣ内部的ＰＩＤ调节器计算后通过模拟 量输出模块控制伺服阀组，可使实际的液压缸位 置跟踪设定位置，从而实现液压站的准确定位。 液压站精确定位ＰＩＤ控制系统主要由控制 电路、驱动电路、保护电路、光电隔离及伺服阀等 组成，其硬件结构如图２所示。 ｉ！ 卜 驱ｌ故障电路ｌ动电路 ＰＬＣ Ｐ 一ｌ＾ Ｌ，ｒ 电流电压ｋ 信号采集ｆ 图２ 液压站精确定位ＰＩＤ控制系统硬件结构 定位过程中，上轮辋与下轮辋之间距离构成 茎妻１。 。 。 的段宽直接影响着轮胎均匀性试验机所测参数及 设备本身的精度。在生产过程中要求轮胎均匀性 试验机上轮辋定位精度控制在０．０５ ｍｍ之内，系 统自动检测液压缸位置，当段宽大于设定范围时， 会立即停止工作，同时蜂鸣器声光报警，上位机显 示故障信息。 ３ 定位控制 用ＰＬＣ对模拟量进行ＰＩＤ控制时，可使用 ＰＩＤ过程控制模块，一个模块可以控制几路甚至 几十路闭环回路，但模块价格较贵，一般应用于大 型复杂控制系统，因此液压站定位控制系统使用 ＰＩＤ算法嵌入型ＰＬＣ提供的ＰＩＤ功能指令实现 ＰＩＤ闭环控制，完成液压站的精确定位。 ３．１ ＰＩＤ控制算法Ｌｌ 典型的基于数字ＰＩＤ的闭环控制系统结构 如图２所示。其中虚线部分在ＰＬＣ内部实现。 ＰＬＣ的ＰＩＤ控制器设计以连续系统的ＰＩＤ控制 规律为基础，将其数字化为离散形式的ＰＩＤ控制 方程，再根据离散方程控制程序设计。在执行 ＰＩＤ指令前，需要建立ＰＩＤ参数表。三菱Ｑ系列 的ＰＩＤ运算回路变量表（变量均为双字实数）如 表１所示。 应用ＰＬＣ的ＰＩＤ功能时，其中ＰＩＤＩＮＩＴ是 回路表的起始地址，回路表中装入过程变量、设定 值、输出值和增益等ＰＩＤ运算所需参数，设ＰＩＤ 表１ ＰＩＤ运算回路变量 变量 类型 描述 启动指令ＰＩＤＩＮＩＴ 输入 启动ＰＩＤ 周期内闭环数量 输入 ＬＯＯＰ回路号 动作方向 输入／输出 ０为正方向，１为负方向 采样常数（ ） 输入 应为０．０１～６０ Ｓ 比例常数（ ） 输入 单位为０．０１，可正可负 积分时间（ｔ１） 输入 单位为１００ ｍｓ，正数 微分时间（ｔＤ） 输入 单位为１０ ｍｓ，正数 过程变量（Ｐ ） 输入／输出 应为～５Ｏ～２ ０５０ 输出值（Ｍ ） 输人／输出 应为～５Ｏ～２ ０５０ 参数表的首地址为Ｄ９００，则Ｄ９０４装比例常数， Ｄ９０６装微分时间，依序按回路表装载其他参数。 在ＰＩＤ控制开始之前，应使用ＭＯＶ指令将位置 设定值预先写人数据寄存器中。 ３．２精确定位ＰＩＤ控制 常规ＰＩＤ控制系统是按偏差比例、积分和微 分线性组合进行控制的，主要在获取对象数学模 型的基础上，根据某一整定原则，适当地整定ＰＩＤ 的ｋ ，ｔ 和ｔ。参数，以获得比较满意的控制效果。 实践证明，这种参数整定的过程实际上是对比例、 积分、微分３个部分控制作用的折衷，这种控制无 法解决稳定性与准确性之间的矛盾。加大控制作 用可使误差减小、准确性提高，但降低了控制的稳 定性。反之，为保证系统的稳定性，控制作 用，又会降低控制的准确性。 ＰＩＤ控制算法程序框图如图３所示。液压站 定位控制系统采用扩充的临界比例算法，利用Ｑ 图３ ＰＩＤ控制算法程序框图 第５期 杭柏林等．基于ＰＬＣ的液压站精确定位ＰＩＤ控制系统 ３０９ 系列ＰＬＣ的ＣＰＵ内部的自整定ＰＩＤ功能整定参 算法功能模块，在轮胎均匀性试验机上的应用表 数。为提高稳定精度，控制系统设置一个位置控 明，系统全过程能够实现精确定位，定位误差不大 制的限位值Ａｅ。ＰＬＣ对从现场采集的电流和电 于０．０５ ｍｍ，完全满足轮胎均匀性试验机对设备 压信号进行处理后得到ｅ值，进行判断，若『ｅ ｌ＞ 参数的要求。该系统灵敏度高，可以准确地测量 △ｅ，则实行比例控制，使液压缸位置 液压缸的定位位置；可靠性也较高，定位过程无需 迅速靠近目标值，改善控制系统的动态特性；当 人工干预；智能化程度较高，主要采用ＰＬＣ指令 ＜Ａｅ时，实行ＰＩＤ控制，保证定位精度满足设 完成整个控制，方便维修人员维护。 备所需测量参数要求。 参考文献： ４ 结语 １－１３刘金琨．先进ＰＩＤ控制及其ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：北京 基于ＰＬＣ的液压站精确定位ＰＩＤ控制系统， 电子工业出版社，２００３． 充分利用了ＰＬＣ的控制能力和内嵌的ＰＩＤ控制 收稿日期：２ＯＬＯ一１１一ｌＯ 双星集团两项目获青岛市 位胶料硫化程度的平衡匹配，可有效地提高轮胎 科学技术进步奖 内在质量，降低轮胎在行驶过程中的温升，提高轮 中图分类号：ＴＳ９４３．２６；Ｕ４６３．３４１＋．６ 文献标志码：Ｄ 胎使用性能、延长轮胎寿命。保压节能硫化新工 ２０１１年３月２８日，双星集团技术开发中心 艺可减少工厂及社会的物料消耗，提高生产效率， 与青岛大学合作开发的Ｊ２ＯｌＯ一２－２０鞋类产品和 产品满足市场需求，具有十分显著的社会和经济 谐智能计算机辅助概念设计（ＣＡＣＤ）系统项目获 效益以及广阔的市场前景。 青岛市科学技术进步二等奖；双星集团有限责任 （双星集团 王开良耿丽红） 公司完成的Ｊ２ＯＬＯ一３—１２子午线轮胎保压节 能硫化新技术项目获青岛市科学技术进步三 埃克森美孚化工上海研发中心投入运营 等奖。 中图分类号：Ｆ２７６．７ 文献标志码：Ｄ 鞋类产品和谐智能计算机辅助概念设计 ２０１１年３月３０日，埃克森美孚化工公司在 （ＣＡＣＤ）系统是用于鞋类产品研发的概念创新项 上海紫竹科学园区举行仪式，庆祝其上海研发中 目，主要通过建立知识库，使设计人员在短时间内 心（ＳＴＣ）投入运营。该中心投资９ ０００万美元， 实现产品快速设计，从配方、款式、楦型方面实现 将在新型高端产品的开发中发挥至关重要的作 智能化，对提高我国制鞋业产品设计开发能力和 用，而这些产品将在全球生产或销售。 水平具有重要促进作用。 埃克森美孚化工公司总裁裴力浩说，上海研 子午线轮胎保压节能硫化新技术是通过调整 发中心投入运营是一个重要的里程碑，充分显示 介质硫化温度，在正硫化到一定时间后，保持并恒 了埃克森美孚化工对中国和该地区的承诺。埃克 定硫化所需的内压力，充分利用橡胶具有传热后 森美孚化工预计高端产品将大幅度增长，而该中 效性的特点，通过整个温度场各部位不同温度之 心将通过为客户提供创新解决方案支持这种 间自身的相互热传递和硫化介质的余热继续进行 增长。 硫化，尤其是轮胎内部不同部位、不同胶料温升积 该中心占地２．７万ｍ ，拥有先进的实验室分 聚的热能之间的相互传递，使轮胎各部位的硫化 析和测试仪器以及生产规模的产品加工设备，包 程度更趋于平衡。这样不仅可以提高生产效率、 括吹膜和流延膜、注射成型、共混加工和包装。该 节约能源、降低消耗，而且可以使轮胎外表面硫化 中心是埃克森美孚化工全球第三大研发中心。 程度有效降低、提高胎冠胶的硫化质量；同时各部 （本刊编辑部黄丽萍）
