基于PLC的模糊控制在雷管装管机中的应用 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１５. ０５. ０１０ 基于 ＰＬＣ 的模糊控制在雷管装管机中的应用 ❋ 朱维璐 安国庆 河北科技大学电气工程学院河北石家庄,０５００１８ [摘 要] 针对雷管生产过程中传统的人工装管过程繁琐、工作量大、效率低的状况,研制了雷管装管机。 该装置 在机械结构设计的基础上,提出了一种基于 ＰＬＣ 的模糊控制方法,该方法以装管机中的主要变量装管速度、传送带 速度和推模速度为被控对象,通过模糊推理、离散计算和在线查表的模糊控制方法,以 ＰＬＣ 控制步进电机的装管速 度作为基本控制依据,以 ＰＬＣ 控制推模速度,同时控制变频器频率,进而调节传送带的速度为被控参数,使装管机 的各部分工作协调一致,并保持在最佳状态。 应用结果表明,该装置不但性能可靠,而且还操作方便。 [关键词] 雷管装管机；模糊推理；离散计算；模糊控制；步进电机；变频器 [分类号] ＴＤ２３５. ２ ＋２；ＴＰ２７３＋ . ４ 在我国,虽然民爆企业的自动化水平越来越高, 但发展并不平衡,如在雷管装管过程中,有些企业还 停留在手工作坊式操作上[１],为此本文研制了基于 ＰＬＣ 模糊控制的雷管装管机[２]。 １ 对装管机的性能要求 １装管规格长度 ４５ １１０ ｍｍ,金属管壳。 ２装管正向率管口向上,１００％。 ３工作效率≥２ 万发/ 小时。 ４操作简单,工作可靠,要有故障报警及自保 护功能。 ２ 装管机的工作原理 其原理结构如图 １ 所示,将某一规格的散装空 管壳倒入料斗 １ 中,按下启动按钮,振动电机 ２、拖 动电机 １６ 工作,调节料斗底部的漏管阀 ２１,可使适 量的管壳漏出并沿滑板 ２０ 落在传送带 １９ 上；同时 电磁离合器 １７ 带电而闭合,通过驱动轮 １８ 带动传 送带运转。 当传送带向前运行 ５０ 个槽的距离后,电 磁离合器断电分离,传送带停止运行,同时漏管阀自 动关闭。 传送带停止运行后,安装在其两侧的进给支架 ４ 及支架上的步进电机 ３、旋转轴 ５ 及插针 ６ 同时向 内侧运动,将插针插进传送带上的管壳内；接着步进 电机带动旋转轴及插针旋转 ２４０,将雷管管壳放入 漏管器 １５ 中；而后进给支架复位,步进电机反转带 动插针复位,完成正向工作。 雷管管壳通过漏管器１５进入装管上模１４,在 位 置１和位置２分别给组合模１０装入３０个和 １ － 料斗；２ － 振动电机；３ － 步进电机；４ － 进给支架； ５ － 旋转轴；６ － 插针；７、１３ － 气缸；８ － 存模盒；９ － 传 送带；１０ － 组合模；１１ － 滑道；１２ － 装模平台；１４ － 装 管上模；１５ － 漏管器；１６ － 拖动电机；１７ － 电磁离合 器；１８ － 驱动轮；１９ － 传送带；２０ － 滑板；２１ － 漏管 阀；２２ － 刮板；２３ － 居中板 图 １ 整体结构示意图 Ｆｉｇ. １ Ｗｈｏｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ２０ 个管壳。 延时 ２ ｓ 后装模平台 １２ 向下运动,当其 平面与存模盒 ８ 的底板平齐后停止下行。 延时 ２ ｓ, 气缸 ７ 动作,将待装的组合模再次从存模盒中推出, 并将原来在位置１和位置２的组合模分别向前 推动一个组合模的距离,使其位于位置２和位置 ３,当到达位置４时,气缸 １３ 动作,经滑道 １１ 将 已装好管壳的组合模推到雷管组装生产线传送带 ９ 􀅰０４􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ５ 期 ❋ 收稿日期２０１４￣１２￣０１ 作者简介 朱维璐１９５７ ,男,教授,主要从事电机及其自动控制方向的教学研究。 Ｅ￣ｍａｉｌｚｈｕｗｌ１８８８＠１６３. ｃｏｍ 上,完成自动装模和送模工作。 ３ 模糊控制在自动装管机中的应用 该系统的输入量为雷管管壳和空组合模,输出 量为已装满管壳的组合模,由于系统容易受到诸如 漏管阀开启量的大小、漏管的顺利度、传送带速度、 输入电压波动等因素的干扰,随机性较大,系统难以 建立准确的 ＰＩＤ 数学模型[３￣４],因此不宜采用经典 控制理论进行控制,由于模糊控制对解决该类问题 有着独特的控制优势[５￣６],为此将其应用在雷管自动 装管机中。 ３. １ 模糊控制系统中控制参数的选取 在该系统中,控制变量较多,包括漏管速度、传 送带速度、装管包括插管、步进电机转动和管壳在 漏管器中的传递速度、推模速度等,但解决问题的 关键在于寻找那些既能在线监测、又能反映装管机 工作进程的物理量。 经反复研究它们之间的关系及 对系统的影响程度,得出装管速度能够反映整机的 工作速度及工作状态,因此以它作为基本控制参数。 ３. ２ 模糊控制器的结构 本设计由两个双输入单输出的模糊控制器组 成[７￣８]即传送带模糊控制器和推模模糊控制器。 传 送带模糊控制器的输入为传送带速度 ｖｓ和装管速 度 ｖｚ,输出为拖动电机的转速即调整后的传送带 速度。 推模模糊控制器的输入为推模速度 ｖｔ和装 管速度 ｖｚ,输出为调整后的推模速度即气缸的推 模频率。 当两个模糊控制器的输出速度不同步 时,应进行协调,方法是维持推模速度,调整传送带 速度,以确保整个机械各部分同步动作。 模糊控制 系统结构如图 ２ 所示。 图 ２ 模糊控制器结构 Ｆｉｇ. ２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ３. ３ 论域变换 在时域中若输入变量为 ｘ０,变化区间为[ｘｍａｘ, ｘｍｉｎ],在论域中对应的输入变量为̇ｘ０,变化区间为 [̇ｘｍａｘ,̇ｘｍｉｎ],经变换可得 ̇ｘ０＝ ̇ｘｍａｘ＋̇ｘｍｉｎ ２ ＋ ｋｘ０－ ｘｍａｘ＋ ｘｍｉｎ ２ ；１ ｋ ＝ ̇ｘｍａｘ＋̇ｘｍｉｎ ｘｍａｘ＋ ｘｍｉｎ。 ２ 式中本设计中输入变量 ｘ０可以是传送带速度或推 模速度。 根据设计提出的工作效率不低于 ２ 万发/ 小时 的要求,本系统中装管速度设定为 ９ 秒/ 盘,根据传 送带凹槽的距离,传送带速度设定为 １００ ｍｍ/ ｓ,推 模速度设定为 ９ 秒/ 盘；在时域里模糊控制器中推模 速度 ｖｔ的偏差 ｅｔ为{ －２. ０, － １. ５, － １. ０, － ０. ５, ０,０. ５,１. ０,１. ５,２. ０}秒/ 盘,模糊化为 Ｅｔ取值为 { －４, －３, －２, －１,０,１,２,３,４}；传送带速度 ｖｓ的 偏差 ｅｓ为{ －８, －６, －４, －２,０,２,４,６,８}ｍｍ/ ｓ,模 糊化为 Ｅｓ取值为{ －４, －３, －２, －１,０,１,２,３,４}。 由于传送带速度 ｖｓ是通过变频器控制拖动电机而 得到的,故模糊控制器的输出量 ｕ 只需控制变频器 的输出频率 ｆ 即可,此时变频器的频率输出范围为 ４０, ４２, ４４, ４６, ４８, ５０, ５２, ５４, ５６Ｈｚ,拖动电机 采用 ＹＶＦ１００Ｌ２￣８ 型,对应的转速范围为５７０, ６００, ６３０, ６６０, ６９０, ７２０, ７５０, ７８０, ８１０ｒ/ ｍｉｎ。 ３. ４ 隶属函数的确定及模糊化 传送带速度 ｖｓ偏差,推模速度 ｖｔ偏差及模糊控 制器的输出量 ｕ 的模糊语言变量均为{ＮＬ,ＮＢ,ＮＭ, ＮＳ,Ｚ,ＰＳ,ＰＭ,ＰＢ,ＰＬ},其中对于传送带速度 ｖｓ、推 模速度 ｖｔ,其模糊语言变量定义如下ＮＬ、ＮＢ、ＮＭ、 ＮＳ 分别表示比设定值小许多、小较多、小一点、略 小,Ｚ 表示与设定值相当,ＰＳ、ＰＭ、ＰＢ、ＰＬ 分别表示 比设定值略大、大一点、大较多、大许多；对模糊控制 器的输出 ｕＮＬ、ＮＢ、ＮＭ、ＮＳ 分别表示输出量即变 频器的频率、推模速度比设定值低许多、低较多、 低一点、略低,Ｚ 表示输出量与设定值相当,ＰＳ、ＰＭ、 ＰＢ、ＰＬ 分别表示比设定值略高、高一点、高较多、高 许多。 传送带速度 ｖｓ模糊控制器、推模速度 ｖｔ模糊控 制器的输入模糊函数采用均匀分布的三角形隶属度 函 数,如图３所示。模糊控制器的输出量模糊函数 采 用不均匀的三角形隶属度函数,如图４所示。这 样就做到了在装管速度较低时尽量采用偏高的转 速,而在装管速度较高时,又尽量采用偏低的转速, 图 ３ 输入变量的隶属度函数图 Ｆｉｇ. ３ Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｐｕｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ 􀅰１４􀅰２０１５ 年 １０ 月 基于 ＰＬＣ 的模糊控制在雷管装管机中的应用 朱维璐,等 图 ４ 输出量隶属度函数图 Ｆｉｇ. ４ Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ 其优点是可使系统的转速波动范围尽可能的小,比 较平稳,动作协调一致。 ３. ５ 模糊控制规则的确立及模糊推理 由于该设备在装模时要求定位准确、误差小,故 本设计模糊控制器输入变量采用了级数较多的 ９ 级 模糊划分,共 ８１ 条语句,虽管控制语句较多,有些繁 琐,但控制精度较高。 以传送带模糊控制器为例,模 糊语句表示为 Ｉｆ ＥＳｉｓ ＮＢ ａｎｄ ＥＺｉｓ ＮＢ, ｔｈｅ ＵＳｉｓ ＮＢ； Ｉｆ ＥＳｉｓ ＮＢ ａｎｄ ＥＺｉｓ ＮＭ, ｔｈｅ ＵＳｉｓ ＮＢ； Ｉｆ ＥＳｉｓ ＮＢ ａｎｄ ＥＺｉｓ ＮＳ, ｔｈｅ ＵＳｉｓ ＮＭ； ⋮ 应用 Ｍａｍｄａｎｉ 推理,可得模糊矩阵 Ｒ１＝ ＮＢＥＳ ＮＢＥＺ ＮＢＵＳ； Ｒ２＝ ＮＢＥＳ ＮＭＥＺ ＮＢＵＳ； Ｒ３＝ ＮＢＥＳ ＮＳＥＺ ＮＳＵＳ； ⋮ 该矩阵也可以表示成Ｒ ＝ ∪ ８１ ｉ ＝１Ｒｉ,这是一个９ ９ ９ 的模糊矩阵。 对拖动电机而言,输出转速的 模糊量 ＝ ＥＳ ＥＺ􀅰Ｒ。 ３. ６ 模糊判决 由加权平均法可得输出量的计算公式为 Ｕｉ＝ ∑ ｎ ｉ ＝１ｕｉμＵｉ ∑ ｎ ｉ ＝１μＵｉ 。３ 式中ｎ 为单节点数目,ｕｉ为离散论域的点,μＵｉ为相 应点的隶属度函数值。 据此可得出模糊控制输出查 询表,见表 １。 再经变换可得变频器的最终输出频 率[９]为 ｆ ＝ Ｕｉ取 ０. ５ 倍数 ＋４８ Ｈｚ,由此传送带的 转速也就随之而定了。 ４ 模糊控制的实现 根据雷管装管机的分步动作,控制系统需要采 集的信号数量和输出信号的数量,并考虑到其他部 分的控制要求及扩展余量,决定 ＰＬＣ 采用 ＦＸ２Ｎ￣ ６４ＭＲ￣００１ 型,模拟量输入模块采用 ＦＸ２Ｎ￣２ＡＤ 型, 模拟量输出模块采用 ＦＸ２Ｎ￣２ＤＡ 型,变频器采用台 安 Ｖ２系列。 步进电机驱动器采用 ２Ｍ４２０ 型,步进 电机采用 ４２ＨＳ２Ａ４７ 型。 控制电路主接线图如图 ５ 所示。 正常工作时,为使推模速度与装管速度同步,通 过传感器对推出气缸 ＨＶ１的动作时间进行检测,并 经 Ｋ３送入 ＰＬＣ；为使传送带速度与装管速度同步, 由测速发电机将反映速度高低的电压信号送入 ＦＸ２Ｎ￣２ＡＤ 模块,经 Ａ/ Ｄ 转换后送给 ＰＬＣ,在 ＰＬＣ 中 ＣＰＵ 依靠软件程序对其送来的信号进行算术运算 和逻辑控制后,一方面从 Ｙ１５输出,控制 ＨＶ１的动作 时间,另一方面通过 ＦＸ２Ｎ￣２ＤＡ 模块输出０ １０ Ｖ 的 模拟电压调节变频器的频率,这样就达到了使推模 速度和传送带速度与装管速度同步的目的。 当装管 速度选择开关 Ｋ 分别置于位置 Ｘ４ Ｘ８时,可选择 ５ 种不同的装管速度。 对步进电机的正反转控制是通 表 １ 模糊控制输出查询表 Ｔａｂ. １ Ｏｕｔｐｕｔ ｑｕｅｒｙ ｔａｂｌｅ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ＥＣＳ ＥＳ －４－３－２－１０１２３４ －４－８. ０－６. ５－４. ０－２. ０－１. ００. ５１. ０１. ５２. ０ －３－６. ５－４. ０－２. ５－１. ５－０. ８０. ６１. ２１. ８２. ５ －２－６. ０－３. ５－２. ０－１. ３－０. ５０. ７１. ５２. ３３. ０ －１－４. ０－２. ０－１. ５－０. ８－０. ２０. ８２. ０３. ０４. ０ ０－２. ０－１. ５－１. ０－０. ５０１. ０２. ５３. ５４. ５ １－１. ５－１. ２－０. ８－０. ２０. ５１. ５３. ０４. ０５. ０ ２－０. ８－０. ３０. ５０. ２１. ５２. ５３. ５４. ５５. ５ ３０. ５１. ０１. ５２. ０２. ５３. ５４. ５５. ５６. ５ ４１. ５２. ０２. ５３. ０３. ５４. ０５. ０６. ５８. ０ 􀅰２４􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ５ 期 图 ５ 控制电路接线图 Ｆｉｇ. ５ Ｗｉｒｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ 过 ＰＬＣ 的 Ｙ２端输出高低电平来达到的,对其转动 角度大小的控制是由 Ｙ５端输出的脉冲频率来达 到的[１０]。 ５ 应用 某企业甲班 ２０１４ 年 ７ 月和 ９ 月每周 ６ 个工作 日,每个工作日 ６ ｈ的装铜管速度如表 ２ 所示。 表 ２ 中,９ 月 １０ 日产量明显小,查其生产记录可知 是有一个 ８０ ｍｍ 管壳混入了 ５８ ｍｍ 管中,发生了卡 壳,排除故障耗时约半小时所致。 由表 ２ 可知平均 装管速度为２. １３万发/ 小时；查其工作记录可知,装 管正向率为 １００％；装管操作人数由 ６ ７ 人减少为 １ ２人,且操作方便,具有故障报警功能,可与雷管 装药环节形成一个完整的生产线。 ６ 结束语 经近一年的使用说明在 ＰＬＣ 中写入模糊算 法,并以此驱动步进电机,进而实现对雷管管壳的正 向控制。同时以装管速度作为基本变量,通过控制 变频器的频率,以实现对传送带速度的适时调控和 对推管速度的适时调控,保证了装管机从进管、输 管、正向、漏管、装模到送模的整个工作过程做到了 􀅰３４􀅰２０１５ 年 １０ 月 基于 ＰＬＣ 的模糊控制在雷管装管机中的应用 朱维璐,等 表 ２ 装管速度 Ｔａｂ. ２ Ｔｕｂｉｎｇ ｓｐｅｅｄ万发/ 班 日期７ 月１２３４５７８９１０１１１２１４１５ 装管速度８０ ｍｍ 管１２. ７５１２. ７８１２. ７２１２. ７２１２. ８１１２. ８４１２. ７５１２. ７５１２. ８１１２. ８１１２. ７５１２. ８１１２. ８１ 日期９ 月１２３４５６９１０１１１２１３１５１６ 装管速度５８ ｍｍ 管１２. ７８１２. ８４１２. ８４１２. ８１１２. ７９１２. ８４１２. ８１１１. ７７１２. ７８１２. ８１１２. ８４１２. ８４１２. ８４ １６１７１８１９２１２２２３２４２５２６２８２９３０３１ １２. ７２１２. ７２１２. ７５１２. ７５１２. ８１１２. ８１１２. ８１１２. ８４１２. ７５１２. ７５１２. ７８１２. ８１１２. ８４１２. ７５ １７１８１９２０２２２３２４２５２６２７２９３０ １２. ８１１２. ８７１２. ８７１２. ８１１２. ８４１２. ８４１２. ８１１２. ８７１２. ８４１２. ７８１２. ８４１２. ８１ 同步动作,协调一致,达到了满意的效果。 参 考 文 献 [１] 徐衍海,惠蕾. 火工系统新技术的发展动向[Ｊ]. 火工 品,２００１１３７￣４１. 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Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｌｉａｂｌｅ, ｂｕｔ ａｌｓｏ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｅ ｏｐｅｒａｔｅｄ. [ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ｄｅｔｏｎａｔｏｒ ｔｕｂｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｆｕｚｚｙ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ；ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ；ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ；ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ 􀅰４４􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ５ 期