基于S7-300 PLC的内高压成形机位置同步控制试验研究

高娟娟，刘丽贞，王立新，刘福才

(1.燕山大学工业计算机控制工程河北省重点实验室，河北秦皇岛066004;2.沧州师范学院机械与电气工程学院，河北沧州 061001)

0 前言

随着科技的发展，人们不断地对工业制造技术提出更高的要求，节能环保、减轻重量、降低成本是现代先进制造技术发展趋势之一。内高压正是在这样的背景下开发出来的一种利用液体压力使工件成形的塑性加工新工艺［1］。它以管件为坯料，使用专用设备向管件腔内注入超高压液体，同时轴向进给补料，把管坯压入模具型腔使其成形为所需工件［2－3］。内高压成形能有效地降低零件重量、减少模具数量、提高生产效率，因此受到工程技术人员和科研工作者的广泛重视［4－6］。

内高压成形控制系统是内高压成形技术的核心，控制系统是否可靠，直接关系到整个系统的成败。如果加工的工件是对称的，则需要轴向两侧缸位置同步。内高压成形过程中的两侧缸位置同步控制的效果，直接关系到产品质量的好坏，因此，对于这个问题的研究，具有重要的意义。目前，国内对内高压成形两侧缸位置同步控制方面的研究比较少，其中上海交通大学基于LabVIEW界面仿真工具包进行了内高压成形两侧缸位置同步控制的实时仿真研究及现场实验［7－8］;哈尔滨工业大学对内高压成形液压设备控制系统进行了试验研究［9］，以及基于气液增压模拟试验平台进行了单侧缸位置控制的试验研究［10］。

文中基于多变量协调控制系统，专门开发了两侧缸位置同步控制试验平台进行试验研究。就内高压成形控制系统的主控制器而言，国内主要采用工控机或者普通PLC如三菱PLC，对于工控机而言，由于没有集成的算法模块，编程工作特别繁琐;而普通PLC可靠性相对差些，编程方式单一，指令复杂，且兼容性差。文中研究的试验平台采用德国西门子S7-300 PLC作为主控制器，该PLC具有强大的功能支持，速度快、稳定性高、运算能力强，采用模块化编程，具有传统PLC系统无法比拟的强大功能。此外，将S7-300 PLC与WinCC组态软件相结合，能实现对整个控制系统的在线监控。由于S7-300 PLC编程软件中集成了PID模块，因此在进行PID试验之前，首先对两侧缸位置控制系统进行PID仿真研究，包括建立该系统的数学模型，选择同步控制策略，搭建仿真模型进行仿真，仿真结果表明了采用PID控制器及同步控制策略的可行性，进而进行了单侧缸位置闭环PID控制及两侧缸位置同步PID控制试验，为基于S7-300 PLC的内高压成形控制系统的实际应用提供了试验依据。

1 多变量协调控制系统试验平台组成及建模

1.1 多变量协调控制系统试验平台组成

多变量协调控制系统试验平台主要由液压泵站、水平缸 (两侧缸)、检测与反馈元件、计算机控制系统这几部分组成，如图1所示。

图1 多变量协调控制系统试验平台

在文中研究的多变量协调控制系统的试验平台中，液压控制元件采用比例方向换向阀，它造价较低、抗污染能力高、性能良好，广泛应用于需要较高同步精度的主机上［11］。液压执行元件是左右两侧液压缸，分别都装有位移传感器和力传感器，通过计算机控制系统进行精确位移控制，图2所示为多变量协调控制系统试验平台的液压原理图。

图2 多变量协调控制试验平台液压原理图

1.2 多变量协调控制系统的数学建模

图2所示的多变量协调控制液压系统由两路相同的阀控缸液压回路组成，故在对系统建模分析时以其中一个回路作为研究对象［12－14］。

比例方向换向阀开环数学模型为:

KVSe为等效弹簧刚度:KVSe=Kfe+KVS。

对阀芯位移实现闭环控制，反馈增益为KX，其传递函数方框图如图3所示。

图3 比例换向阀控制传递函数框图

当U为输入时上述回路的开环传递函数为:

其闭环传递函数为:

由上述所得单侧缸比例位置控制系统方框图如图4所示。

图4 单侧缸位置控制系统传递函数框图

2 两侧缸位置同步控制系统仿真研究

2.1 控制器及控制策略的选择

在硬件一定的情况下，影响内高压成形过程中的两侧缸同步控制精度的因素主要是控制算法和控制策略的选择。

就控制算法而言，内高压成形机是工程性很强的设备，其系统应该在满足性能指标的前提下，控制方式应当尽量简单可靠，控制策略易于实现，因此在文中对基于S7-300 PLC的内高压成形两侧缸位置同步控制试验平台的研究中，采用工业控制中结构简单、调整方便、成熟可靠、应用最为广泛的PID控制［10］。

就同步控制策略而言，“同等方式”和“主从方式”是两种通常采用的控制方式，如果要获得高精度的同步输出，这两种方法都有一定的局限性。“同等方式”很难达到较高的静、动态控制特性，“主从方式”在响应的过渡过程中，存在较大的动态同步误差。文中采用“同等+主从”控制方式，以保证位置同步控制系统获得较好的动、静态品质［15］。

文中的两侧缸位置同步控制系统结构图如图5所示。

图5 两侧缸位置同步控制系统结构图

图中，“同等”即给定信号相同，相同的位移给定信号分别与左右位移传感器反馈位移值的差值作为左右侧缸PID控制器的输入; “主从”即以一侧为主，输出信号去影响另一侧的输出，文中仿真以右侧缸位置控制为主，右侧输出位置信号Y1与左侧输出位置信号Y2作比较，差值经PID控制器进行运算，其输出信号与左侧缸位置控制系统的PID控制器的输出信号相加去控制左侧比例换向阀。

2.2 控制系统仿真模型

文中采用PID控制器以及“同等+主从”的同步控制策略，基于得到的内高压成形单侧缸位置控制系统的数学模型，查阅相关系统参数的手册并进行计算，在Matlab中的Simulink中搭建出两侧缸位置同步控制系统仿真模型，如图6所示。

图6 两侧缸位置同步控制系统仿真图

2.3 仿真结果及分析

基于PID的内高压成形两侧缸位置同步控制系统，仿真结果分别如图7、8所示。

图7 阶跃给定PID控制仿真曲线

图8 斜坡给定PID控制仿真曲线

图7的给定位移值为阶跃信号，并在15 s及25 s时分别给右缸和左缸加入阶跃扰动信号;图8的给定位移值为斜坡信号，并在25 s及35 s时分别给右缸和左缸加入阶跃扰动信号。

由PID仿真图7可以看出，给定位移信号为阶跃信号时，开始两侧缸位移同步，并在8 s左右稳定达给定位移值;在15 s时，右侧缸加入阶跃扰动信号，左右位移值都有小幅变化，并在20 s左右回到给定值;在25 s时，左侧缸加入相同的阶跃扰动信号，其位移值有较小变化，并在28s左右回到给定值，期间右侧缸位移值不变。

由仿真图8可以看出，给定位移信号为斜坡信号时，开始两侧缸位置达到同步，但是跟给定值有少许偏差，之后都跟踪上给定;在达到终值时，两侧缸都有少许超调，并能很快达到给定终值;同样在加入阶跃扰动之后，都能很快的回到给定终值。

通过分析仿真曲线可以看出，采用“同等+主从”的控制策略及PID控制器，系统能很好很快地跟踪给定，且超调量较少，并能有效地抑制干扰，降低干扰信号对两侧缸位置同步控制的影响，同步控制精度高，为进行基于S7-300 PLC的两侧缸位置同步PID控制的试验研究提供了理论依据。

3 两侧缸位置同步控制系统试验研究

根据研制的多变量协调控制模拟试验平台，进行单缸位置PID控制及两侧缸位置同步PID控制试验，S7-300 PLC与WinCC结构图如图9所示。试验平台以S7-300 PLC作为下位机，在编程软件STEP7中进行模块化编程，包括主程序，电机启停控制子程序、系统保护子程序、模拟量检测子程序、手动子程序及自动子程序等，并在组织块OB35中调用PID模块对左右缸位置进行闭环控制;以WinCC组态软件作为上位机进行监控界面的设计，包括启动画面、手动画面、状态画面、报警画面、曲线画面、参数设置画面等，WinCC部分监控界面如图10所示。

图9 S7-300 PLC与WinCC结构图

图10 WinCC监控界面

在内高压成形过程中，两侧缸在推进时受到的外界负载力是变化的，所以为得到更准确的试验结果，在进行两侧缸位置控制系统的模拟试验时，在两侧缸之间加入弹簧模拟变化的负载力［10］。

3.1 单缸位置控制试验结果分析

对于两侧缸位置控制系统的模拟试验平台，两液压缸最大行程为200 mm，最大压力输出为14 MPa，调节右侧电磁比例溢流阀，使右液压缸输出压力控制在10 MPa以内，控制左液压缸回程到原位，将弹簧左侧座与左液压缸上固定的力传感器贴合，然后控制右液压缸向前移动，使其上固定的力传感器与弹簧右侧座贴合，此时右位移传感器读数为115 mm，弹簧压缩量为0。测得弹簧压缩量为50 mm时，力传感器输出8.4 kN，考虑到力传感器最大量程为10 kN，所以在试验过程中，将弹簧压缩量控制在50 mm以内。

为模拟内高压成形加载过程中，侧缸推进位移跟踪不同斜率的斜坡响应信号，利用液压缸对不同斜率的斜坡信号的响应来测试系统的性能。另外，为了得到在不同范围负载力下的斜坡响应，分别选择弹簧压缩量为0、10 mm时作为位移的零位，通过在线调整PID模块的3个参数GAIN、TI和TD，最终得到右液压缸对不同斜坡信号的响应曲线，分别如图11、12所示，其中实线为给定位移曲线，虚线为右侧缸响应曲线。

从单缸试验结果可以看出，对于不同的斜率以及不同的负载力的条件下，采用位置闭环PID控制，单缸都能很好的跟踪位置给定，定位精度保证在±0.05mm，满足控制要求。

图11 单缸弹簧压缩量为0 mm作为初始位移

图12 单缸弹簧压缩量为10 mm作为初始位移

3.2 两侧缸位置同步控制试验结果分析

为进行两侧缸位置同步控制系统的模拟试验，将弹簧置于两侧液压缸中间，并控制两侧液压缸向前移动使其上的力传感器分别与弹簧左右侧座贴合。此时测得左右位移传感器读数都为60 mm，弹簧压缩量为0，以此作为位移的零位进行试验。

由于弹簧压缩量控制在50 mm以内，所以将两侧缸的位移量都设为25 mm，分别采用“同等方式”及“同等+主从”这两种控制策略进行两侧缸位置同步控制试验，分别得到如图13及图14所示的响应曲线，其中实线为给定位移曲线，虚线为右侧缸位移响应曲线，点线为左侧缸位移响应曲线。

从两侧缸位置同步PID控制的试验结果可以看出，采用“同等方式”和“同等+主从”这两种控制策略，在不同斜率的条件下，两侧缸都能较好地跟踪位置给定，且同步误差较小;另外，由于外界因素如左侧采用的是手动电磁溢流阀，右侧采用的是比例溢流阀造成两侧压力输出控制的不同，以及弹簧负载的性能等因素的干扰，在达到最终位置时有时还有一些扰动，两种方式都能很快的消除扰动，抗干扰能力强。但是相比较而言，采用“同等+主从”的控制策略，同步控制精度更高，控制效果更好，抑制干扰能力更强。

图13 “同等方式”两侧缸位置同步控制试验曲线

图14 “同等+主从”两侧缸位置同步控制试验曲线

4 结束语

应用自主研制的多变量协调控制系统的试验平台，建立了内高压成形侧缸位置控制系统数学模型，采用PID控制器及“同等+主从”的控制策略进行Simulink仿真，仿真结果表明，采用PID控制具有试验的可行性;基于S7-300 PLC进行单缸位置PID控制试验及两侧缸位置同步PID控制试验，试验结果表明，采用S7-300 PLC作为主控制器，选择“同等+主从”的控制策略，进行PID位置闭环控制，系统能很好地跟踪位置给定，同步控制精度高、误差小，并能很快地消除外界干扰，能够满足控制要求，为基于S7-300 PLC的内高压成形控制系统的实际应用提供了试验依据。

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