基于PLC的液压拧接机自动控制系统设计.pdf

电 气自 动 化 2 0 1 0 年 第3 2 卷第4 期 可 编 程序 控 制器 应 用 P L CAp p l ic a t i on s 基于 P L C的液压拧接机 自动控制系统设计 辽宁工业大 学电气学院 辽宁 锦州 1 2 1 0 0 1 吴静陈国杰 摘要 针对传统液压拧接机控制精度较低 、 一致性差 、 效率低 的缺点 ， 将 P L C应 用于液压拧接机 自动控制系统 中。选用西门子 s 7 2 0 0 系列P L C的 C P U 2 2 4 X P为核心控制处理器， 采用 E V I E W MT S 0 0 0 触摸屏为人机界面， 电动调节阀精确控制拧接扭矩， 采用模块化编 程 ， P I D控制算法应用于系统 中。从现场实际拧接的效果来看该系统具有抗干扰能力强、 高可靠性 、 控制精度和性价比高等特点。 关键词 液压拧接机 自动控制 系统P L C [ 中图分类号 】 T P 2 7 1 [ 文献标识码 】 B[ 文章编号 】 1 0 0 0 ． 3 8 8 6 2 0 1 0 0 4 0 0 5 0 ． 0 2 De s i g n o f Hy d r au l i c Sc r e wi n g Ma c h i n e Co n t r o l Sy s t e m Ba s e d O n PL C L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , J i n z h o u L i a o n i n g 1 2 1 0 0 1 ， C h i n a Wu J i n g C h e n G u o j i e Abs t r a c t Ai me d a t t h e d e f e c t s o n pr e c i s i o n l o w、c o n s i s t e nc y p o o r a n d e ffic i e n c y l o w o f t r a d i t i o n a l hy dr a u l i c s c r e w ma c h i ne ，P LC wa s a p p l i e d i n h y d r a u l i c s e r e w ma c h i n e a ut o ma t i c c o n t r o l s y s t e m．S I EMENS P LC S 72 00 s e r i e s CPU2 24 XP wa s us e d a s c o r e c o n t r o l pr o e e s s o r ． EVI EW MT50 0 0 t o uc h s c r e e n wa s u s e d a s ma n ma c h i ne i n t e r f a c e ，s c r e wi n g t o r q u e wa s c o n t r o l l e d pr e c i s e l y b y e l e c t r i c c o n t r o l v a l v e ，mo d u l a r i t y p r o g r a m mi n g w e r e u s e d a n d P I D c o n t r o l a l g o ri t h m ． T h e e f f e c t s f r o m t h e s c e n e s h o w t h a t t h e s y s t e m p o s s e s s b e t t e r a n t i - j a m m i n g c a p a c i t y ， h i g h r e l i a b i l i t y ，hi g h c o n t r o l p r e c i s i o n a n d h i g h c o s t e ffe c t i v e ． Ke ywo r d s h y d r a uli c s c r e wi ng ma c hi n e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m PL C 0 引言 液压拧接机是对螺纹连接件进行上 、 卸扣作业 的专业设备 ， 广 泛应用于石油 、 机械 、 化工等行业 ， 特别适用于石油油管 、 套管接箍 的拧接 。 液压拧接机一般 由液压泵站 动力 源 、 主钳 、 背钳 、 压力调节 阀、 机架、 控制柜等组成。 以往常用的液压拧接机都是由手动控制换 向阀门 ， 以拧接压力大小为拧接依据 ， 具有控制精度较低 ， 一致性 差， 效率低下等缺点。 本液压拧接机控制系统采用西门子 s 7 2 0 0 系 列 P L C的 C P U 2 2 4 X P为核心控制处理器 ， 采用 E V I E W M T 5 0 0 0 触摸 屏为人机界面， 电动调节阀精确控制拧接扭矩 实际为压力 。 1 液压拧接机 自动控制 系统硬件组成 液压拧接机在拧接过程中有一路扭矩模拟量输入信号、 一路控 制电动调节阀的模拟量输出信号， 其他为开关量输入、 输出信号， 因 此选用西 门子 s 7 2 0 0系列的 C P U 2 2 4 X P为主机。C P U 2 2 4 X P 具有 1 4 点开关量输入 、 1 0 点开关量输出、 一路模拟量输入、 一路模拟量 输出。拧紧扭矩是通过机械传动与拉压力传感器相结合， 按固有 的 物理特性经过力的换算而得到 ， 具体计算过程为 NF-L 1 式中 Ⅳ为扭矩 ， F为拉压力 ， 为扭矩力臂 。 控制过程为 P L C根据行程位置开关、 控制指令控制进出料， 控 制主钳、背钳的电磁阀动作，将检测到的扭矩值与设定的扭矩值进 行比较 ， 经过 P L C中 P I D算法发 出指令控制电动调节阀开度的大小 来达到精确控制拧接的目的，同时 P L C将检测到的扭矩值 、 各种信 号传送到 MT 5 0 0 0 触摸屏进行实时显示 ， 从而实现监控 自动化。 系统 5 0 1 E l e c t r ic a I Au t o ma 图 1 系统硬件组成框图 硬件组成框 图如图 1 所示。 2 P L C 软件设计 2 ． 1系统工作流程 启动液压拧接机动力源液压泵站 ， 启动控制 系统 电源 ， 在触摸 屏上设定好需要拧紧的扭矩值。如果扭矩设定值不需要改变，每 次启动 控制 电源后 触摸屏上 显示 的为上次设定值 ，具有记忆功 能 。按动 自动开始按钮即按以下工作流程进行 自动拧接工作 。工 作流程如图 2所示 。 2 ． 2系统控制要求 系统控制要求主要包括 所有开关量输出动作均安全互锁； 触 可编 程序 控 制 器 应 用 一PL C Ap p l i c a t io n s ． 图 2工作流 程图 图 3 程序 的整体结构 图 摸屏显示工作状态， 显示扭矩设定和扭矩测量值； 触摸屏上的参数 设定要有加密功能 ， 防止非专业人员改动 ； 用 P I D控制算法 实现对 拧接扭矩 的精确控制等。 2 ． 3 程序结构设计 系统 的整个程序采用模块化编程思想 ，即将 程序 根据 功能分 为不 同的程序块 ，在 主程序块 中根据条件调用不同的子程序块 。 使用这种方 法可 以提 高程序 的开发效率 ，使程 序便于调 试和维 护。程序 的整体结构如图 3所示 ， 程 序流程 图如图 4所示 。 2 ． 4 P I D控制算法 P I D控制算 法是 自动控制系统 中最经典 、 最常用 、 最成熟 的控 制手段 ， 是为 了提高系统的稳定性和响应特性而进行 的调节 。 P L C 的 C P U 2 2 4 X P实现 P I D控制是先将 P I D参数输入存储器组成回路 表， 经数据离散化采样后 ， 再用 中断调用的方法对数据表进行 P I D 控制 。C P U 2 2 4 X P的 P I D指令采用 了被控量微 分位置式 P I D控制 算法 ， 即 I C e le Jjl P 一 1 1 一 P 2 式中 为采样时间第 n时刻回路计算输出 ， ．s p 是 n次 采样的误差值 ，S P ． 和 尸 分别为第 n次采样 时的给定值和反馈 值。 、 和 分别是 P I D回路的比例项、积分项和微分项的系 数。每一次运算 由 P I D指令 自动保存上次 的误差 P 一1 和上一次 的积分项 。 根据设定扭矩与当前测得的扭矩的差值， 由P I D计算 后的输 出转化成电动调节 阀的开度 ， 从 而控制拧接的扭矩 ，达到精 电气 自动化 2 0 1 0年第 3 2卷 第 4期 图 4 程序流程图 ／ 低 ／ ／ ／ ／ J ， 一 一 高 ／ 一 一 一 ／ 一 ／ 一 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 M p a 图 5 液压拧接机对接箍拧接 曲线 确控制的目的。 3 控制效果 采用 本控制 系统 的液压拧 接机对 接箍拧 接的 曲线 如 图 5所 示 。现场实际拧接过程平稳、 控制精度达到 0 ． 5 ％ 、 拧接速度较 快 3 0 S一6 0 S 。 4 结束语 本系统采用西门子新型 P L C的 C P U 2 2 4 X P为主机 ， 在软件设 计 中运用 P I D控制算法 ， 程序简明实用 ， 达到稳定精确的扭矩控制 效果 。系统具有抗干扰能力强 、 高可靠性 、 控制精度和性价 比高等 特点。系统在华 北油 田沧州某 石油管材公 司应用一年多来 ，工作 稳定可靠。 参考文献 [ 1 ] 西门子 s 72 0 0系统手册 ． [ 2 ] 晁阳 ， 胡军 ， 熊伟 ．可编程控制器原理应用与实例解析 【 M】 第 1 版 ． 北京 清华大学出版社 ， 1 9 9 7 [ 作者简介 ] 吴静 1 9 7 6一 ， 硕 士研 究生， 讲师 ； 陈国杰 1 9 6 2一 ， 本 科， 工程师。 Ele c t r i c a l Au t o ma t io n I 51 口 鲫 从 6