基于PLC和变频器的监控系统在液压成形工艺中的设计与应用

维普资讯 http://www.cqvip.com 自动化技术与应用》２００７年第２６卷第５期　ＰＬＣ与ＤＣＳ　ＰＬＣ　ａｎｄ　ＤＣＳ　基于Ｐ　Ｌ　Ｃ和变频器的监控系统在液压成形　工艺中的设计与应用　★　刘杰．阳林　（１．番禺职业技术学院机电系，广东广州，５１１４８３；２　广东工业大学材料学院，广东广州，５１０００６）　摘要：本文给出了液压成形工艺中成形力和压边力的实现方案，设计了基于ＰＬＣ和变频器的监控系统软硬件结构，并介绍了ＰＬＣ　程序和上位机程序编制方法，最后使该系统得到成功应用．　关键词：ＰＬＣ；变频器；监控系统；液压成形；ＶＣ＋＋６．０　中图分类号：ＴＰ２７７　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００３—７２４１（２００７）０５—０１０２—０４　ＰＬＣ　ａｎｄ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－Ｂａｓｅｄ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ＬＩＵ　Ｊｉｅ，ＹＡＮＧ　Ｌｉｎ　（１．Ｐａｎｙｕ　ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１１４８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，５１０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ—ｐａｄ　ｆｏｒｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＰＬＣ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｉｓ　ｏｕｔｌｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ；ＶＣ＋＋６．０　１　引言　液压成形属于特种成形工艺，是近年来金属塑性成　形领域发展起来的一项新技术。这种工艺仅需一只凸　模或凹模，另一半被液体介质所代替．所以有研究者又　把这种工艺称为软凸（凹）模技术．如图１（ａ）、（ｂ）所示。　本文的研究对象是板材液压成形中比较复杂的但又极　具应用价值的成对液压成形，如图１（ｃ）。　（Ｃ）板材成对液压成形　■　图１板材液压成形示意图　虽然这种工艺有着传统工艺无可匹敌的优越性，如　极大的节省了模具的成本、减少工序、提高生产效率、　一一　（ａ）液体代替凹模　（ｂ）液体代替凸模　・基金项目：广州市重点科技攻关项目资助（０　２　０　０　４　６）　收稿Ｅｌ期：２　０　０６—１　２—１　８　成形复杂的或难以成形的材料等等。但对于成形过程　的控制至今是一个难点。这也是国内至今还未有成功　的液压成形专用设备的一个重要原因。国内的研究者　大都是在普通液压机上增加一套充液装置，压边仍然是　原来液压机的恒压边。开发液压成形专用设备要解决　的关键技术问题归纳起来是：　（１）板材在成形过程所需成形力是不断变化的，且近　维普资讯 http://www.cqvip.com ＰＬＯ与ＤＯ３　ＰＬＣ　ａｎｄ　ＤＣＳ　自动化按术与应用　２００７年第２６卷第５期　年对于这种工艺的压边力也开始由恒压边向变压边方　向发展…。如何在液压设备上实现这两个力，采用何种　硬件方案。　实现，势必是不经济的。鉴于此，我们设置了增压缸１０，　可以通过适时切换电磁铁１　ＤＴ和２ＤＴ使增压缸在成形　后期工作。在不提高原液压系统规格的条件下解决了　（２）设备能够设定或选择所要施加的成形力和压　边力，可以监控成形过程，可以保存和管理有用数据．这　就涉及到设备的监控问题。　高压问题【引。　２　硬件设计　由于是探索性研究，我们的试验也是对普通液压机　进行改造以实现液压成形工艺要求，但充分考虑了上述　两个关键问题，试验达到了预期的应用效果。　我们的方案是采用一台三菱ＰＬＣ（ＦＸ２Ｎ－８０ＭＴ）　１．油箱２．过滤器３．油泵４．电机５．变频器６．溢流阀　７．压力表８．换向阀９．单向阀１０．增压缸　图３成形力液压系统原理图　由于压边力的变化过程比成形力复杂，本课题的压　边液压系统是在原来液压机压边缸进口加装了比例溢　作为下位机，根据预先编制的工艺程序控制液压机的各　种动作和实现成形力、压边力曲线加载。计算机作为上　位机，用来完成管理级别上的数据采集和流程监控。在　计算机上可以实时监控ＰＬ　Ｃ内软元件工作状态或干预　ＰＬＣ某些具体输入输出信号；可方便的建立、修改或选　择预加载的成形力和压边力曲线形式；可以动态显示加　流阀改造而成的。另外，为了提高控制的精确度，成形　液压系统和压边液压系统都采用了ＰＩＤ闭环控制（均在　ＰＬＣ内实现）。　工过程中现场压力的变化；可以对实验数据进行保存导　出等管理操作。控制系统原理如图２。　３　软件设计　本课题的软件结构如图４，具体可分为以下几个部分。　图２控制系统图　ＰＬ　Ｃ分别闭环控制成形液压系统和压边液压系统。　成形液压系统自行研制，原理如图３。板材在胀形过程　中，所需成形力逐渐升高，提供成形力的液压油流量也　图４软件结构　３．１下位机ＰＬＣ程序设计　监控系统的主要控制功能都是由下位机ＰＬＣ自动　完成的，上位机对加工过程的控制也是通过对ＰＬＣ内软　要逐渐增大，特别是成形中后期。普通恒转速电动机难　以满足这种要求，为解决这个问题，我们在电动机前端　加装变频器，其频率由ＰＬＣ实时给定。在整个成形过程　中，液压泵输出的流量由变频器调节。既满足了工艺要　求，又节约了能量。值得一提的是在成形后期即板料大　元件的读写、置位和复位实现的。ＰＬＣ以扫描方式连续　不断地运行内部事先写入的程序，同时接收上位机的干　预信号并作出反应。所以设计一段完善的ＰＬＣ程序是　本课题的一个重要环节。　加工开始前，板料放入模具，压边梁下行到接触上　部已贴合凹模后，为了成形小圆角需提供一个短时高　压，这一压力的增加是相当显著的。根据我们的实验，　序托午－谲箱用Ｑ０ＡＬ诵　压力迈到ｚ　ｐ叠时ｊ辊料巨　凹模底面，并保持一定的预压紧力（压边力初始值），　上位讥开面赢击“加工开茹”－压　和成形　压系统同　时开始加压，成形力和压边力值定时由存储在寄存器中　凹模大部贴合，但最终成形所需液压力接近了００Ｍｐａ。　由于这个压力是成形后期短暂时间需要，若通过提升整　套液压系统包括液压泵、液压管路和液压阀的规格来　的压力曲线上取出，这两个设定值分别与模拟量采集模　维普资讯 http://www.cqvip.com “自动化技术与应用》２００７年第２６卷第５期　ＰｌＣ与ＤＯＳ　ＰＬＣ　ａｎｄ　ＤＣＳ　块采集到的现场压力值进行ＰＩＤ运算，运算结果分别送　有强大的数据处理功能（处理各种不同类型的数据源、　分布式的数据处理等等）和极其简单、易用的编程接　口，因而得到了广泛的应用。　变频器和比例溢流阀实现闭环控制。上位机界面点击　“加工结束”，上述两个液压系统卸压（为安全起见，应　保证成形力液压系统首先卸压）。随后，压边梁上行复　位，一次加工结束。　４　监控系统应用　使用本系统最终成形的摩托车油箱下壳如图５。实　验中成形力和压边力变化过程一目了然，可与拟定的加　载曲线实时对比。尤其是在一次实验效果不理想的情　况下，可方便快捷地在上位机修改加载曲线形状，即可　开始第二次实验，避免了在ＰＬＣ编程软件中修改曲线的　繁琐步骤，节省了生产时间。另外，本系统的最大的优　势体现在对实验产生数据的可选择性保存和管理，通过　对实验后数据的分析，可对本次实验进行总结和评价，　一根据上述功能要求，ＰＬ　Ｃ程序可划分为四个基本组　成部分，分别为成形力及压边力曲线实现、液压机顺序　动作控制、数据采集和ＰＩＤ控制输出。其中，成形力及　压边力曲线实现这一部分是ＰＬ　Ｃ程序的重点。本课题　的方法是在曲线上等距取３０个压力值点，存人ＰＬＣ的　３０个掉电保持寄存器中，再在ＰＬＣ程序中设置定时器，　每隔若干秒（具体值可由上位机设置）取出一个压力值　作为Ｐ　Ｉ　Ｄ功能指令的设定值，与反馈回来的压力值做　ＰＩＤ运算，实现闭环控制。　并写人数据库保存，为下次实验提供科学依据。　３．２上位机监控管理各模块设计　上位机程序完全采用ＶＣ＋＋６．０实现。利用ＶＣ＋＋６．　０创建的ＭＦ　Ｃ应用程序有三种典型结构，分别是单文档　应用程序、多文档应用程序和对话框应用程序。本系统　偏向于监控，不涉及文档处理，所以选择对话框应用程序　类型。对话框实际是窗口的特例，用户通过对控件（编　图５液压成形的摩托车油箱　辑框、按钮等）的操作，为应用程序提供必要的信息，或　选择应用程序的功能，应用程序通过对控件消息的响应，　完成与用户的交互，它的好处是速度快，代码相对少。根　据本监控系统的功能要求，分别编写了用户权限管理、　加载曲线数据管理、加工工艺选择、采样数据管理、曲　线动态显示、液压机动作及加工过程控制几个模块。　图６变频器对成形力的影响　图６是由监控系统记录数据生成的成形力曲线图。　由图中很明显的看出，引入变频器后，成形力曲线与拟　定曲线基本保持了一致的变化趋势，尤其在成形后期，　３．３数据库设计　本系统以Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋为工具通过ＡＤＯ技术操作　Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ａｃｃｅｓｓ数据库．数据库设计是本研究课题的　重要组成部分之一，是计算机监控系统的基础，系统的　其它一切功能都是直接或间接的与数据库相关。鉴于　本系统的数据量不大，无必要采用诸如ＳｑＬ　Ｓｅｒｖｅｒ、　Ｏｒａｃｌｅ等大型关系数据库，Ａｃｃｅｓｓ数据库完全能够胜任。　变频器对于液体压力的补偿是明显的。这是因为在成　形后期，需要液体压力急剧上升，这时候变频器逐渐提　高频率，单位时间泵人模具型腔的液体量也随之增加。　如果无变频器，单位时间流量在整个成形过程中始终是　一Ａｃｃｅｓｓ作为Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　ｏｆｆｉｃｅ套件之一，已经成为世界上　最流行的桌面数据库系统。与其他数据库开发系统之　个恒定值，很难满足成形后期所需要的急剧上升的液　体压力需求，所以使用变频器能够提供所需的成形力。　关键是要设置好恰当的频率变化范围。　间非常显著的区别是：Ａｃｃｅｓｓ非常小巧，而且它的数据　管理是可视化的。Ａｃｃｅｓｓ不仅是一个数据库，而且它具　有强大的数据管理功能。　根据实验可以得出：设置偏上的频率变化范围，液　压系统响应明显加快，但是对液体压力的闭环控制已不　起作用，液体压力提前达到最大值，零件破裂几率显著　ＡＤＯ（Ａｃｔｉｖｅ　Ｄａｔａ　Ｏｂｊｅｃｔ）是目前在Ｗｉｎｄｏｗｓ环　境中比较流行的客户端数据库编程技术。ＡＤ　Ｏ是建立　增加；而偏下的频率变化范围又导致液压系统明显滞后，　达不到要求压力。所以变频器频率应在工频以上效果　在ＯＬＥ　ＤＢ底层技术之上的高级编程接口，因而它兼具　维普资讯 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ＰＬＣ与ＤＣＳ　ＰＬＣ　ａｎｄ　ＤＣＳ　自动化技术与应用》２００７年第２６卷第５期　较好。本实验过程中变频器频率是由ＰＬＣ自动给定的，　变化范围在５０～ｌ２０ＨＺ之间。　用设备是一次有益的探索和尝试。　参考文献：　５　结论　液压成形工艺自诞生以来就一直受到世界各国研　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｍ．ＺＡＮ　ＡＩ　Ｊ０Ｔ、Ⅱ，Ｎ．ＡＢＥＤＲ　ＢＢ０，Ｆ．ＰＯＵＲＢＯＧＨＲ　ＡＴ．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｓｔａｍｐ　ｈｙｄｒｏ－　究者的关注。与发达国家相较，我国在这一领域还有不　小的差距。本文归纳了当前液压成形设备发展的技术　现状，完成了基于ＰＬＣ和变频器的液压成形设备控制系　统设计，并开发了其监控管理系统软件。板材液压成形　监控系统在生产过程中的应用是成功的，实现了液压成　形过程的柔性化、自动化、信息化。对开发液压成形专　（上接第ｌｌ９页）　数据通过ＲＳ４８５总线传送到数公里以外的井上监控站，　由监控站对井下人员情况进行实时监控，以保证人员安全　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｏｆ　ｓｈｅｅｔ　ｍｅｔａｌｓｌ　Ｊ　Ｉ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　２００３（４５）：１８１５～１８４８．　［２】李明亮．基于普通液压机改造的板材成对液压成形控　制系统研究［Ｄ】．广东工业大学硕士学位论文，２００５．　作者简介：刘杰（１　９　７　４一），男，内蒙古包头人，硕士，助　教。研究方向：版材液压成形及摸具Ｃ　Ａ　Ｄ＼Ｃ　ＡＭ。　择一个最适合本系统的方法。硬件实现虽然电路简单，　速度快，且易于实现，但需要额外的制作电路，增加成　本，因此选用软件实现。本系统数据交换量大、频繁，且　每次数据交换都需要进行ＣＲＣ校验，因此速度快是首　及工作效率。由于井下环境恶劣、干扰因素多变且ＲＳ４８５　总线自身因素决定数据在传输过程中会产生错误，而人员　信息（如姓名）、地点信息均与二进制代码一一对应且井　下人员安全是矿井的中重中之重，因此对数据传输的准确　性要求相当高。本系统选用的ｌ６位ＣＲＣ—ＣＣＩＴＴ可以检　测出所有的单位错、双位错、奇位错及小于等于ｌ　６位的　突发错，ｌ７位的突发错的检错率为９９．９９６９％，大于ｌ７位　要条件。现对两种方法进行比较。我们通过对程序语句　的分析可知，直接计算法需要对待求数据的每个字节依　次移位然后在与相应的数进行异或而得到结果，而查表　法只需在表中找到相应字节的余数在进行少量的异或　计算即可，初步可以判断查表法速度较快。但为了有作　出定量的比较，我们用软件Ｍｅｄｗｉｎ进行测试。同样是　对“１０　１２　０５　０２”这串数据进行求ＣＲＣ码，直接计算　的突发率检错为９９．９９８４％［２】，因此完全符合要求。　例如现要把“张三在五号矿区正常工作”这条信息　送出，对应的数据就是１０　１２　０５　０２，１０１２对应张三，０５　发用时２８０５ｕｓ（见图２左侧），而查表法用时仅为８２５ｕｓ　（见图２右侧），显然两者不在一个数量级上。因此我们　选择更为快速的查表法。　代表地点，０２表示工作状态。在发送前先要对该四个字　节数据进行ｅＲｅ校验，求出ＣＲＣ码为Ｅ９１３（软件仿真　结果见图２观察窗口），将ＣＲＣ码加在该数据后组成一　５　结论　在数据存储和数据通讯领域，为了保证数据的正　确，就不得不采用检错的手段。在诸多检错手段中，ＣＲＣ　是最著名的一种。其特点是：检错能力极强，开销小，易　于用编码器及检测电路实现。从其检错能力来看，它所　不能发现的错误的几率仅为０．００４７％以下。从性能上和　开销上考虑，均远远优于奇偶校验及算术和校验等方　式。因而，在数据存储和数据通讯领域，ｅＲｅ无处不在。　个新的六字节的数据流一并发送，接收数据时在次对数　据进行ｅＲｅ校验，但此时只对前四个数据进行校验，用　求得的ＣＲＣ码与收到得ＣＲＣ码即后两字节进行比较，　如果相等则表示传输正确，如不相等则表示传输错误，　则要求重发刚才数据直到正确为止。　参考文献：　［１】王天宇．Ｃ５１实现单片机ＣＲＣ快速算法［Ｊ】．微计算机信　息２００３．１９（７）：５７—７８．　［２】唐鹏程．ＣＲ　Ｃ校验在单片机中的程序试验及其冗余码　图２软件仿真结果　由于有多种方法可实现ＣＲＣ校验，所以我们要选　的求取［ＪⅡ：业仪表与自动化装置．２００４（３）：５５—５７．　作者简介：盛秋林（１　９　５　４一），男，副教授，研究方向：通信技术。