基于PLC技术的锻造加热温度控制系统

・７８・　《测控技术）２ｏ１５年第３４卷第５期　基于ＰＬＣ技术的锻造加热温度控制系统　李文华　，杨子凝　，吕维军　（１．辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新１２３０００；２．阜新广播电视台播出部，辽宁阜新１２３０００）　摘要：工件的加热过程通常采用人工控制的方式，这种方式存在很多不足，不仅浪费了人力资源，而且极　易使工件出现过热或过烧的现象，加工过程的可靠性极低。为了克服以上不足，从控制锻造温度的角度　出发，设计了一种以ＰＬＣ为核心部件的锻造工件自动检温和自动送料系统。详细阐述了控制系统的总　体设计思想，并分别介绍了软硬件的设计过程、模糊ＰＩＤ自整定控制器的设计和组态界面的建立。实际　应用结果表明，本系统在提高锻件的成品率方面表现良好，大大降低了＿Ｔ－件损耗和能耗，系统具有很强　的实用性，为其他温度控制系统的改进提供参考依据。　关键词：温度控制；电磁感应；ＰＬＣ；模糊ＰＩＤ控制　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８８２９（２０１５）０５—００７８—０４　Ｆｏｒｇｉｎｇ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＬＩ　Ｗｅｎ—ｈｕａ　，ＹＡＮＧ　Ｚｉ—ｎｉｎｇ　，ＬＶ　Ｗｅｉ－ｊｕｎ。　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ　１２３０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｂｒｏａｄｃａｓｔ，Ｆｕｘｉｎ　Ｒａｄｉｏ　ａｎｄ　ＴＶ　Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｆｕｘｉｎ　１２３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ　ｉｓ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｍａｎｕａｌｌｙ　ｂｙ　ｈｕｍａｎ　ｅｘｐｅｒｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｅｘｐｏｓｅｓ　ｓｏｍｅ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ　ｉｎ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｎｅ　ｈａｎｄ，ｔｈｅ　ｍａｎｕａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｓ　ｅｎｏｒｍｏｕｓ　ａ—　ｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄ　ｈｕｍａｎ　ｌａｂｏｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ａ　ｈｕｇｅ　ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ　ｉｎ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｈａｎｄ，ｔｈｅ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｌｉｋｅｌｙ　ｔｏ　ｂｅ　ｏｖｅｒｈｅａｔｅｄ　ｏｒ　ｏｖｅｒｂｕｒｎｔ　ｗｈｅｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｈｕｍａｎ　ｏｐｅｒａｔｏｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｄｄｒｅｓｓ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　ｉｓ　ｄｅ—　ｓｉｇｎｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｆｅｅｄｉｎｇ　ｆｏｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ．Ｔｈｅ　Ｏ—　ｖｅｒａｌｌ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ　ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ－　ｌｙ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ　ｒｅｓｕｌａｔｓ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍｓ　ｗｅｌｌ　ｉｎ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｙｉｅｌｄ　ｏｆ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ　ａｎｄ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｅ　ｏｔｈｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅｆｌｅｃｔｓ　ａ　ｓｔｒｏｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ；ＰＬＣ；ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　在现代工业中，锻造工件因其具有良好的机械特　性而被广泛采用。为了使工件具有较高的加工精度及　锻件质量，如何在锻造过程中保证应变速率、变形程　度、锻造温度范围以及加热冷却速度等热力学参数，成　为整个锻造工艺的关键。其中，锻造温度是保证金属　具有较高的塑性和较小的变形抗力的重要指标。在锻　造温度中始锻温度是指钢或合金在加热炉内允许的最　高加热温度，因此保证始锻温度的精确性对金属锻件　的性能具有重要意义。　目前，许多锻造车间中锻造工件还是采用人工加　热的方式，就是通过肉眼去观察加热炉内工件的红热　色度来判断工件的温度，以手动方式把工件从加热炉　内推出。这种方式极有可能使工件的加热温度达不到　相应的精确度，同时整个锻造过程的可靠性不高，人力　资源浪费严重，极易出现工件损耗的情况。考虑到上　述弊端，锻造加热系统应朝着自动化、智能化的方向发　展。笔者介绍了一种基于ＰＬＣ的锻造加热温度控制　系统，该系统用以实现对锻造工件的自动检温和自动　收稿日期：２０１４—０４—０５　作者简介：李文华（１９６４一），男，内蒙古赤峰人，学士，教授，博　士生导师，主要研究方向为流体机械设备测控；杨子凝　（１９８８一），女，辽宁人，硕士研究生，主要研究方向为机电液系　统一体化。　基于ＰＬＣ技术的锻造加热温度控制系统　送料，大大提高锻件的成品率，降低了工件的损耗。　１控制系统总体设计　整套系统由推进机构、感应加热炉（感应线圈组　成）、出料机构、温度传感器以及控制箱等几部分组　成，其中控制箱采用文本显示器作为系统的操控面板，　应用Ｓｔｅｐ７．Ｍｉｃｒｏ／Ｗｉｎ　Ｖ４．０　ＳＰ４实现文本显示器的配　置。系统中，温度传感器用于检测感应炉中工件的加　工温度，ＰＬＣ会对采集到的温度进行分析处理，执行机　构会根据处理结果做出相应的动作。由于加工现场的　工况不同，如待加工棒料的直径不同、外界环境造成的　初始温度不同等，同时要求按照生产节拍将工件在加　热后在规定的时间内进入下一道生产环节，因此当炉　温设定得过高会造成加热工件的烧损和能源的浪费；　反之，炉温过低则不能满足工件出炉所要求的加工温　度，所以对加热炉的炉温也要进行温度调节。当系统　检测到温度传感器的信号时，会将信号反馈给ＰＬＣ，经　模糊自整定ＰＩＤ控制器调节，对感应线圈的功率进行　相应调整。系统也将ＰＬＣ与文本显示器进行通信，从　而实现信息交互和参数设置。控制系统结构图如图１　所示。　图１控制系统设计结构图　推进机构中为了检测待加工的工件是否到达指定　区域而设计了前后止点行程开关，两个行程开关可根　据加热工件长度和感应线圈长度来确定具体位置。机　构的传动动力可根据工件的具体材质、重量、大小以及　现场的环境等情况进行调整，如可选择机械传动、气动　传动或者液压传动。出料机构的设计中采用了传动　轮，目的在于防止工件出料时对感应线圈的撞击，增强　了系统的可运行性及稳定性。控制箱内部包含了控制　按钮、文本显示器、ＰＬＣ、滤波器、电源、控制交流接触　器以及报警器等核心控制部件。　２控制系统的硬件设计　本系统采用Ｓ７．２００　ＰＬＣ作为核心现场控制器。　ｓ７—２００　ＰＬＣ包括独立的￥７－２００　ＣＰＵ及其扩展模块。　本系统中选用ＣＰＵ２２４作为ＰＬＣ的主机模块，ＣＰＵ２２４　集成了１４点输　１Ｏ点输出，共有２４点数字量ｌｆＯ，　最大扩展至１６８点数字量Ｉ／Ｏ或者模拟量１／／０＿】ｊ。同　・７９・　时其具有的３２位浮点运算功能和内置集成的ＰＩＤ调　节运算指令，比较适用于温度控制系统。可在ＰＬＣ的　内部完成温度的调节以及所有的控制逻辑的计算。　由于ＰＬＣ不能直接接收和输出模拟量信号，所以　选取扩展模块ＥＭ２３１和ＥＭ２３２用于实现模拟量的输　入和输出。ＥＭ２３１带有４路模拟输入，集成有１６位转　换器，分辨率达０．１℃，能自动进行线性化处理，具有　冷端补偿功能，不再需要外部变送器，一个模块就能完　成数据采集及数据处理功能　Ｊ。系统温度信号的采　集选用Ｂ型热电偶，其价格低廉、性能可靠、易于更　换，且具有很大的温度量程，满足锻造加热工艺上对测　温元件的要求。当温度传感器监测到感应线圈的温度　值时，经ＥＭ２３　１将采集到的模拟量信号转换成数字信　号，再由ＰＬＣ编程和调理实现对系统的控制以及控制　指令信号的产生，最后经ＥＭ２３２将控制信号转换成模　拟信号，用于调节感应线圈的功率的大小，从而达到控　制感应炉温的目的。系统原理图如图２所示。　图２控制系统原理图　３　ＰＬＣ控制设计　３．１基本功能简述　在经过了解锻造工艺现场的情况以及听取现场工　人的建议后，据此设计系统的功能，将送料过程分为手　动送料和自动送料。当“工作方式”旋扭旋转到“手　动”状态后，通过“前进”与“后退”按钮来控制送料机　构运动，按钮按下时缓冲０．２　Ｓ执行。感应炉需要空　载启动时，使用这种方式，清空炉内的工件；当“工作　方式”旋扭旋转到“自动”状态后，送料机构自动返回　后止点。之后进行工件的温度检测，当工件温度达到　设定值０．５　Ｓ后，送料机构向前运动进行送料，达到前　止点停止经过０．５　Ｓ后，送料机构向后运动，返回到后　止点停止。系统每执行一个周期，会做一次动作记录。　此记录可以在文本显示器的“动作记录”里查看。　同时，本系统还有报警功能，当系统检测到感应炉　内工件的温度值大于设定值时，如果加热的工件在报　警延迟时间之前没有被输送出去，则系统报警且在文　本显示器中对报警计数一次。当物料被输送出去后，　感应炉内温度的检测值小于系统的设定值时，则系统　停止报警。　３．２　ＰＬＣ程序设计　根据系统的控制要求，对各种输入量进行地址分　基于ＰＬＣ技术的锻造加热温度控制系统　・８１・　工件成品率、降低工件过热或者过烧的损耗、避免人力　资源的浪费、提高生产效率等方面大有裨益。未来可　以在此基础上根据不同的生产要求和技术指标进一步　完善和提升系统的控制方法及功能，具有一定的应用　及推广价值。　参考文献：　［１］殷洪义．可编程序控制器选择设计与维护［Ｍ］．北京：机　械工业出版社，２００２：２６—３３．　［２］　西门子（中国）有限公司，自动化与驱动集团．深入浅出　西门子ｓ７－２００　ＰＬＣ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版　社，２００７：１５２—１６９．　［３］　高钦和．可编程控制器应用技术与设计实例［Ｍ］．北京：　人民邮电出版社，２００４：２３２—２３４．　图６感应加热系统控制箱　［４］寇雪芹，谷立臣，马玉．带钢跑偏电液伺服控制系统的　ＰＩＤ控制器设计［Ｊ］．计算机工程与应用，２０１２，４８（７）：　２３５—２３７．　５　结束语　实践证明，对于控制锻造加热温度系统来说，采用　［５］　高鸿斌，孔美静，赫孟合．西门子ＰＬＣ与工业控制网络应　用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００６：２１０—２１２．　［６］魏克新，赵刚．自动控制综合应用技术［Ｍ］．北京：机械工　业出版社，２０１２：９６—１００．　ＰＬＣ控制技术和电子电力技术是理想的选择。该系统　充分利用了￥７－２００　ＰＬＣ控制器所提供的高性能　ＣＰＵ２２４作为核心控制模块，设计出具有自动检温、自　动送料及报警等功能的控制系统，并将其应用于锻造　［７］黄卫华，方康玲．模糊控制系统及应用［Ｍ］．北京：电子工　业出版社，２０１２：５６—６２．　工件的加热过程。同时借助文本显示器，开发友好的　人机界面，组成了操作简便、清楚明了的锻造加热系统　控制箱。实际应用结果表明，该控制系统对提高锻造　［８］诸静．模糊控制理论与系统原理［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，２００５：２１２—２１９．　口　（上接第７７页）　粕　ｃ玳　思想，为ＦＰＧＡ设计者提供了便捷，加速了ＦＰＧＡ设　计。　蝇．　廊　鼬ｑ　参考文献：　［１］ＱＤＲ　Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ．ＱＤＲ　Ｈｉｓｔｏｒｙ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｄｒ—　ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ．ｏｒｇ／ｑｄｒ・ｈｉｓｔｏｒｙ．ｈｔｍ．　缒驷　出　［２］侯晓凡．ＱＤＲＩＩ　ＳＲＡＭ控制器的设计与ＦＰＧＡ实现【Ｄ］．　与ｄＤ瞳有效相　约，１个ｃ墩　北京：北京邮电大学，２００７．　［３］陈飞．基于ＦＰＧＡ的ＱＤＲＩＩ和ＱＤＲＩＩ＋ＳＲＡＭ控制器设计　［Ｄ］．南京：南京大学，２０１２：１３—４３．　［４］　ＣＹＰＲＥＳＳ．ＣＹ７Ｃ１５４３ＫＶ１８：７２－Ｍｂｉｔ　ＱＤＲＩＩ＋ＳＲＡＭ　Ｆｏｕｒ－　图４　ＱＤＲＩＩ＋ＦＩＦＯ读使能与有效数据时序图　铂ｄｋ　舶ｔｄｅｎ　ｗ０ｒｄ　Ｂｕｒｓｔ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ（２．０　Ｃｙｃｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｌａｔｅｎｃｙ）［ｚ］．　２００７．　洳删　［５］Ｘｉｌｉｎｘ，Ｉｎｃ．７　Ｓｅｒｉｅｓ　ＦＰＧＡｓ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　Ｕｓｅｒ　铷蜘　Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］．２０１１．　ｆｄ喃与抽瞳有效相差一个ｄ　［６］　Ｇｏｐａｌａｋｒｉｓｈｎａｎ　Ｌ．ＱＤＲ　ＩＩ　ＳＲＡＭ　Ｉｎｔｅｆｒａｃｅ　ｆｏｒ　Ｖｉｒｔｅｘ一５　Ｄｅ—　图５标准ＦＩＦＯ读使能与有效数据时序图　ｖｉｃｅｓ［Ｚ］．Ｘｉｌｉｎｘ，Ｉｎｃ．，２０１０．　［７］　［美］Ｐａｌｎｉｔｋａｒ　Ｓ．Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ数字设计与综合［Ｍ］．夏宇　闻，胡燕祥，刁岚松，等，译．北京：电子工业出版社，２０１３：　７９—９０．　５　结束语　借鉴标准ＦＩＦＯ设计思想，对ＱＤＲＩＩ＋ＳＲＡＭ控制　［８］Ｘｉｌｉｎｘ，Ｉｎｃ．ＬｏｇｉＣＯＲＥ　ＩＰ　ＦＩＦＯ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｖｌＯ．０　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　Ｖｉｖａｄｏ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｕｉｔｅ［Ｚ］．２０１３．　口　器设计了高效友好的ＱＤＲＩＩ＋ＦＩＦＯ模块，通过试验验　证该模块的功能性和可靠性。本设计符合模块化设计