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产品描述
威海西门子模块代理商变频器供应商
1 引言
飞机机轮的测试是飞机测试中重要的一环，其中静态性能指标的检测需要一套控制精度高，响应快速的控制系统来完成，本文就是基于可编程控制器(plc)集成的控制系统来实现对机轮的联合载荷试验，并结合上位机对控制系统进行在线控制。
控制系统要求有自动和手动两套系统，其中手动控制系统是为防止由于自动控制系统故障延误试验而设计的。自动控制系统为计算机控制系统，要求其能自动按比例加载测量并纪录试验数据。系统按试验要求能完成两种载荷试验：径向载荷单加载试验和径侧向载荷联合加载试验。径向单加载时，机轮侧向无压力，径向载荷按目标载荷值分十级逐级加载，直至达到目标载荷值，保持10s后回程结束实验。径侧向联合加载时，按径、侧向目标载荷值分别分为10级，按10％增量加载，先加径载，后加侧载，径侧向都到达目标值并保持10s后回程结束实验。
2 控制系统原理及结构
自动控制系统选用s7-300系列plc与触摸屏工业计算机为构成。plc作为下位机负责试验过程的控制工控机作为上位机，应用软件由开物2000系统开发的hmi系统，用以监控试验过程，显示并记录试验数据。系统中需要控制的数字开关量有油泵的启停、径侧向油缸的伸出与回程等，报警信号有电机缺相保护、径侧向加压机构回程伸出的限位、液压系统液位过高、油温过高过低、油路过滤器阻塞等报警信号。系统的模拟量有径侧向试验载荷、径侧向油缸压力、轮毂变形位移三组。其中径侧向的试验载荷是被控对象。载荷传感器将载荷压力值转换为4～20ma的标准模拟信号输送到plc的模拟量输入模块，再由pid程序处理后产生对比例溢流阀的控制量，plc的模拟量输出模块将此信号转换为0～10v的标准信号输出控制比例溢流阀的开度终实现对载荷压力值的控制，如图1所示。
图1 sy02径侧向机轮试验台控制系统控制系统原理框图
径侧向油缸的压力作为一组模拟量输入用来表征液压系统的工作状况，还可作为载荷传感器所测载荷压力值的一个和参照。此外，轮毂的变形位移显示了机轮在施加径侧向载荷后机轮轮毂的性能，也是一组需要记录的试验数据。油缸压力和轮毂位移都输入到plc的模拟量输入模块，如图2所示。
图2 sy02径侧向机轮试验台计算机控制系统实现框图
3 控制系统功能的实现
3.1 下位机程序设计
由于试验台要实现手动加压和自动加压，所以对试验台程序一开始就要判断加压的模式，判断模式后再进行相关的程序动作。是手动加压模式下，在这种模式下，从加压开始就由操作者控制，压力的大小、位移信息的反馈值都是由操作人员直接判断，然后人工控制加压过程直到加压结束回程，回程到位后停止，则整个手动试验完成。接着是自动加压程序，径侧向自动加压分成两种加压方式，一种是径向立加压，另一种是径侧向联合加压。立加压只能加径向压力，因为轮胎不可能在没有承受径向压力的时候就承受了侧向压力，所以在程序中不允许有侧向立加压的情况。联合加压也先加径向，径向先加5s后再加侧向，以保证轮胎承受一定的径向压力后才开始承受侧向压力，避免了轮胎单承受侧向压力或侧向压力大于径向压力的情况。但是这样安排后，径向加压过程会比侧向早5s结束，这是试验所不允许的，所以在联合加压的过程中，径载试验完成了后会一直保持终压力，直到侧载试验也完成。这时径侧向油缸同时回程，联合加载试验结束，如图3所示。
图3 径侧向试验台加压主程序框图
3.2 上位机软件控制流程
组态软件选择的是北京华富公司的controx2000，提供工业软件所需的各种功能，如：现场图、设备和标签、动画连接、趋势图、报警和事件、历史记录、系统等。在与外部通讯方面，提供与各种板卡、变频器、智能仪表以及智能模块的数据通讯连接，如图4所示。
图4 软件设计结构
本系统上位机软件分为2个模块，半自动控制模块和自动控制模块。半自动控制模块是由触摸屏上组态的按钮人工控制径侧向加压机构接触到被测机轮，然后按照输入的目标载荷值分l/o级在plc控制下自动加压，试验完成后再由人工控制径侧向加压机构回程结束。自动控制模块除了紧急情况下的停车按钮外，没有直接控制径侧向机构运动的按钮。其试验的过程如下：
(1)输入目标径侧向载荷值；
(2)点击“试验预备”按钮，径侧向机构自动运行至接触到被测机轮的位置，准备开始试验；
(3)点击“开始试验”按钮，试验台按目标径侧向
载荷值分l/o级自动加压进行试验，记录试验数据；
(4)l/o级加载完成后径侧向机构自动回程；
(5)试验完成并打印试验报告。
4 系统对非线性及误差的处理
由于本系统对精度有较高要求，试验中使用的载荷传感器和位移传感器都经过了标准单位的标定。另信号一旦受到干扰，就会产生错误数据，如果不经处理就传入控制系统中，就会引起试验台的误操作，严重的会导致载荷试验失败。因此在本系统中引入了软件滤波，是系统稳定的一个重要保证。同时考虑到对实时性的要求，在本试验台的监控系统中采用了中位值滤波法，试验效果比较理想。
其次，系统使用的比例溢流阀的非线性也是影响系统性能的一个重要因素。为了将其影响降至小，从硬件、软件两方面人手解决。硬件上选用了意大利atos公司生产的ag-mzo r型比例溢流阀，此种阀配有内装压力传感器及电子放大器，可在阀内实现压力的闭环控制，能够显著的减小阀的滞环和线性误差。软件上在了解阀的特性的基础上，在软件编写中针对阀的非线性修正了模拟量的输出。通过这两方面的调整，可以基本上比例溢流阀的非线性和滞环。
5 结束语
飞机机轮径-侧向联合载荷试验系统对于我国的航空工业以及工业都有着重要的意义。此控制系统大大提高了整体试验装置的操作性能和工作效率，其试验速度快、性能稳定、性高。基于plc和工控机的控制系统结合液压传动机构经实际测试证明能够满足试验台的要求。
1 引言
莱钢1#1000m3高炉2005年投产，矿槽炉上料系统设计采用施耐德公司昆腾系列plc，该控制系统实现了对矿石、球团、烧结、焦碳等原料的自动称量，并完成称量误差的自动补偿；实现了炉各阀门的顺序自动开关，α、β、γ的角度自动设定以及其他相关辅助设备的自动控制；实现了对高炉矿槽炉上料系统的数据采集、数据显示与数据控制。该系统投运以来，运行稳定，效果良好。
2 高炉矿槽炉上料系统工艺流程
2.1 槽上控制工艺流程
高炉槽上设计13个料仓，4个烧结矿仓(3#、4#、5#、6#)，2个焦炭仓（7#，8#），3个球团仓（9#、10#、11#），2个杂矿仓（1#、2#），1个焦丁仓。槽上有3条打料皮带机，每条皮带机对应一辆卸料小车，采用卸料小车可以将胶带机输送的原料卸至不同的料仓，当采用卸料小车进行卸料时，卸料小车先开至所选择的料仓上方，然后启动胶带机，原料就经卸料小车卸到小车下方的料仓内。
2.2 槽下控制工艺流程
高炉槽下设两个大烧结矿仓，两个小烧结矿仓，两个杂矿仓，三个球团仓，一个备用仓。每个矿仓下都有振动筛，筛除小于5mm的碎矿，大烧结矿仓的矿经过筛分后分别进入料坑的左右中间称量斗，小烧结矿仓的矿经筛分后分别进入各自配套的称量斗，然后经矿石皮带机集中运送，经料坑上方的翻板进入料坑中的矿石中间斗，经筛分后的5mm烧结矿经返矿皮带机运到碎矿仓。焦炭设左右两个焦仓，仓下装有振动筛和振动给料机，焦炭经筛分后，大于20mm的块焦，分别直接进入料坑内的左右焦炭称量斗，筛下小于20mm的碎焦经sj1、sj2胶带机倒运到sj3碎焦胶带机上，送至碎焦仓上振动筛，将碎焦分级成8mm以上和8mm以下两种产品，大于8mm的焦丁由sj4胶带机运至焦丁仓，再经焦丁给料机到焦丁称量斗，然后到供料胶带机与烧结矿一起进入料坑中间斗。小于8mm的碎焦落入焦粉仓等待汽车外运。当料车到底后，相应的矿石中间斗或焦炭斗向料车装料。
2.3 炉控制工艺流程
莱钢1#1000m3高炉炉采用无料钟串罐式炉，分为受料斗、料罐、气密箱等组成部分。在上料过程中，炉料先投进受料斗里，随后放入料罐中，在这个过程中，由于高炉不能和大气相通，通过控制炉放散阀、均压阀、上密阀、柱塞阀、下密阀的顺序开关来实现高炉的正常下料，通过控制α、β、γ来实现高炉布料。料面检测设备采用机械探尺与雷达探尺相配合。
2.4 装料流程
焦炭、烧结矿等各种入炉原料由料车运到炉，倒入受料斗中，受料斗多可装4车料。料罐放散完毕后打开上密阀和柱塞阀向料罐装料。装料完成后料罐进行均压。一旦高炉准备接受下一批炉料就进行布料，打开下密阀并将料流调节阀打开至设定开度，料罐中的炉料通过料流调节阀流到旋转的布料溜槽上。在布料期间，通过γ射线探测料流，该装置可发出料罐清空信号。一旦料罐清空，关闭料流调节阀和下密封阀，打开放散阀进行放散，准备下一次装料。
2.5 布料流程
一批料中，允许焦矿设定两个不同的料线位置。当探尺达到规定的料线位置后，自动提升到位，发出布料信号，下密封阀打开，布料溜槽进行启动。β角旋转到设定速度并且到达布料位置，开启料流调节阀，按照批重及规定的布料程序，调节料流调节阀开度和溜槽倾角，使每圈料流均匀、重量相等和尾相接的向炉喉任意布料。为了减少料头料尾不均匀现象，每批料布完后，布料角度自动步进60度。
高炉上料系统工艺流程如图1所示。
图1 高炉上料系统工艺流程图
3 上料自动化系统设计
3.1 控制系统硬件配置
整个上料系统采用一套plc系统，两台上位机完成对整个上料系统的监控及数据采集等。自动控制系统采用schneider tsx quantum 系列plc硬件组成基础自动化系统。采用mp7软件，编程软件采用concept2.6，bbbbbbs 2000作为系统平台界面，组成计算机化的操作系统，实现人机通讯。
控制器与上位机之间采用环形工业以太网进行通讯。主机控制单元接受由i/o接口收集的信号进行开关量和模拟量的处理后,将信号经i/o接口实现对设备的控制，与监控站及上位机通讯。这个系统配置如图2所示。
其中处理器采用昆腾系列140-cpu-534-14a，电源模块采用140-cp14-20，远程通讯模版采用140-noe-771-01，i/o模板配置如下：数字量输入模板为140-dai-753-00、140-ddi-353-00；数字量输出模板为140-ddo-353-00；模拟量输入模板为140-aci-040-00；模拟量输出模板为140-aco-130-00，远程i/o模版采用140 crp 931 10、140 cra 931 00。
3.2 槽下控制功能设计
（1）槽下控制范围及内容：实现对矿石、球团、烧结、焦炭等入炉原料的自动称量，并完成称量误差的自动补偿；实现槽下12个矿仓、12个称量斗、2条成品带、2条碎矿皮带、12台振动筛、4台给料机、1个翻板及碎焦系统的自动控制，实现自动备料和放料；可使用监控画面对上料系统设备的运行状态进行监视，对设备的运行进行软手/自动切换及手动启停设备，进行料单设定及改等；对装料时、放料时、满及设备运行故障等情况在“工艺流程画面”进行报警显示。
图2 控制系统硬件配置
（2）矿石称量斗的称量控制：当排料程序发出后，矿石称量斗闸门开，料排出。当称量值为控制值（初始时为设定值的95%）的5%时，发出料空信号并关闭闸门，当闸门关好并称空好后，振动筛或给料机开始启动。称量值到控制值（经补正）时，振动筛或给料机停机，进行满称量。若达110%控制值（经补正）时发出声光报警信号。振动筛或给料机启动ts后，还未发出斗“满”信号，就发出上卡料报警信号。
（3）矿石称量斗的排料顺序：根据预先选定的装料程序，矿石中间称量斗一“空”且闸门关好，槽下翻板翻到位，矿石皮带机启动后，开始排料。
排料顺序：球团、杂矿单装时按料单内所填仓号的先后顺序进行排料（矿石称量斗排料多不同时过三个）。混装时先排一斗的球团或杂矿（排料单内球团或杂矿对应仓号的个斗），再排小烧或振大烧。当个称量斗闸门开启，发出空信号后，发出下一个斗排料指令。排料斗的闸门开到位延时ts后，还未发出斗“空”信号，则发出下卡料报警信号。
（4）矿石中间称量斗称量控制：矿石中间称量斗称量控制分三种情况：
● 大烧结矿振动筛供料：当矿石中间称量斗“空”，闸门关好，设定好则发出同侧烧结筛运转指令，称量值达到控制值（初始时为设定值的95%）时，烧结筛停机，称量结束。称量值达110%控制值时发出音响报警信号。振筛启动延时ts后，还未发出斗“满”信号，则发出“上卡料”信号。
● 矿石皮带机供料：当矿石中间斗料一“空”，并且闸门关好，槽下翻板翻好，便发出矿石皮带机运转指令，当排料斗均放过料后，发出矿石中间斗装好信号，并发出皮带机停机指令。
● 矿石皮带机和大烧结振动筛完成混装：当矿石中间斗料一“空”，并且闸门关好，槽下翻板翻好，便发出矿石皮带机运转指令，当相应的一个矿石排料斗放过料后，发出大烧结振筛启动指令，同时发出皮带机停机指令。当称量发出“满”信号时，发出矿石中间斗装好信号。
（5）焦炭称量控制：当焦炭称量斗一“空”，闸门关好并设定好后，发出焦炭振动筛运转指令，开始称量，称量值达到控制值时（初始时为设定值的95%），发出振动筛停机指令，称量结束，若达110%控制值时，发出报警信号。振筛启动延时ts后，还未发出斗“满”信号，则发出“上卡料”信号。
3.3 炉控制功能设计
（1）炉控制范围及内容
● 炉上至料罐下至探尺各设备的顺序控制。
● 无料钟串罐式炉的装料及均压、放散控制。
● 料流调节阀开度（γ角）、布料溜槽倾动角（α角）、布料溜槽旋转角（β角）的控制。
（2）炉装料控制：上次布料结束且下密阀关到位后，程序发出申请装料信号，料车开始装料，受料斗满且料罐空，放散阀打开，在放散过程中，一旦打开放散阀并料罐内压力等于大气压力，则认为放散ok。放散ok后开上密阀，上密阀开到位后开柱塞阀，料车开始下料。延时一定时间后柱塞阀关闭，关放散阀，关上密阀，炉料装入料罐中后开均压阀开始均压。这时受料罐发允许料车上行信号。
（3）炉布料控制：料罐满且上密关到位后，程序发出申请布料信号，此时探尺探测到设定料线后提探尺至零位。均压好后关均压阀。探尺提到零位后开始转动α、β。布料溜槽倾动的正常工作角度范围是13-53度。就地操作可以使溜槽倾角达到70度以便于拆卸溜槽。当溜槽倾角小于12度或大于54度时,溜槽停止移动和转动并发出报警,只有在报警后才可以继续移动。一旦降下探尺或探尺在高炉中时，溜槽倾角如果大于45度，锁定溜槽。为了使溜槽的定位精度达到±0.2度的要求，在程序中对溜槽的倾动速度进行处理，溜槽开始以大速度倾动，当与目标位置只相差2度时，以大速度的三分之一倾动，这样可以的定位到目标位置。溜槽的旋转由变频器驱动的交流电机驱动。正常情况下溜槽不停的旋转，如果溜槽的倾角位置达到了上限或下限，或者探尺在炉内时溜槽倾角大于45度，溜槽要立即停止旋转并报警。溜槽每4小时改变一次旋转方向，这样可以确保溜槽磨损平衡。plc根据炉料单和槽下传送来的布料代号给出料流调节阀γ的设定开度，控制料流调节阀打开到设定开度开始布料，当接受到料罐清空信号，料流调节阀打开才能关闭。清空信号由射线检测和plc的定时器共同完成，如果在料流阀打开后规定的时间后发出清空信号，则认为料罐已经清空，如果在规定的时间之前发出清空信号则认为是料罐堵塞，plc将发出报警信号，该信号一直保持，只有料流阀打开并且确保料罐排空后才能解除。料流阀关闭后关下密阀，降下探尺检测料面，布料结束。
4 结束语
本文讨论了基于施耐德昆腾系列plc的高炉矿槽炉上料系统的控制系统的控制情况。控制系统已经在高炉生产得到了实际应用，满足了现场的生产工艺要求。操作画面简单方便，通过对料单设定画面的修改可以实现对矿石、焦碳配料参数及布料参数的设置与修改，并显示工艺所需要的数据。操作方式灵活，操作方式有自动、画面手动和现场就地操作。在该系统中，plc充分发挥了其配置灵活、控制、编程方便和可现场调试的优点，给整个系统的稳定给整个高炉生产带来了较大的作用。
1 引言
简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，各动作由plc控制电磁阀驱动气动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图1为机械手移动物品示意图。
图1 机械手移动物品示意
2 功能与动作流程设计
2.1 功能设计
图1中机械手的任务是将传送带a上的物品搬运到传送带b。为使机械手动作准确，在机械手的限位置安装了限位开关sq1、sq2、sq3、sq4、sq5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。机械手的起、停由sb1（启动）、sb2（停止）按钮控制。
传送带a、b由电动机拖动。传送带a上装有光电开关sp，检测到物品，传送带a停止。传送带b连续运转，将物品送至后工序，不需要用plc控制。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由气动元件（气缸）执行，由六个相应的电磁阀驱动，统一由plc控制。
2.2 动作流程设计
机械手及传送带a 顺序动作的要求是：
（1）按下起动按钮sb1时，机械手系统工作。上升电磁阀通电，手臂上升，至上升限位开关动作；
（2）左转电磁阀通电，手臂左转，至左转限位开关动作；
（3）下降电磁阀通电，手臂下降，至下降限位开关动作；
（4）启动传送带a运行，由光电开关sp检测传送带a上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；
（5）手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；
（6）右转电磁阀通电，手臂右转，至右转限位开关动作；
（7）手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；
（8）放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。
（9）按下停止按钮sb2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。
3 动作时序设计
根据对机械手的顺序动作要求可作出如下所示的机械手动作流程图参见图2。流程设计使用iec61131-3标准顺序功能图sfc语言描述。
图2 机械手动作流程
4 plc硬件设计
4.1 plc的选型
根据系统的设计要求，选用omron公司生产的cpm1a-20cdr-a小型机。该机体积小，功能强、配有标准通讯接口便于计算机对plc进行监控和管理。使用cqm1-pro01手持式编程器可以方便的在生产现场进行维护和监控。该机输入点为12，输出点为8。
4.2 i/o点编号分配
根据机械手动作流程图，可以确定电气控制系统的i/o点分配，如附表所示。
附表 i/o点分配
5 plc软件设计
5.1 编制控制状态转移图
根据流程图和i/o分配表，可以编制出状态转移图如图3所示。
图3 状态转移图
5.2 程序设计及程序运行
（1）用步进指令编程。根据状态转移图及动作要领，编制的步进梯形图程序如图4所示。
图4 步进梯形图程序
其中，在状态由hr0100转移至hr0000的条件中，增加了保持继电器的常闭触点 ，其作用是：当机械手工作在某一中间工步时，若plc断电或停止运行，机械手停止在中间工步上。plc复电或重新投入运行后，由于保持继电器hr具有状态断电保护的功能，因此在重新起动时，其中有某一个是断开的，使得hr0000不能置位，机械手只能从停止前被置位的保持继电器的后续工步继续动作。
（2）程序运行调试。按下起动按钮sb1，输入点00000为on,则作为自锁条件的辅助继电器20000保持为on，分支指令il接通，il与ilc之间的线圈正常工作。开始常闭触点都为on，保持继电器hr0000接通，输出点01003使上升电磁阀得电，手臂上升。当手臂上升到位时，上升限位开关使输入点00005闭合，保持继电器hr0001接通，hr0000复位，上升停止，同时，输出点01001使左转电磁阀得电，手臂左转。以后每当一步动作到位，限位条件满足时，状态转移，进行下一工步动作。当状态转移到hr0008为on时，输出点01006使放松电磁阀得电，机械手放松，同时定时器tim000计时。当计时2（时间可视具体情况调整），状态又转移到hr0000，程序又重新从工步开始循环。停止时，按下停止按钮sb2，00001断开，辅助继电器20000为off，自锁指令断开，全部输出被禁止，但各保持继电器的状态是断电保护的，机械手停在现行的工步上。当重新按起动按钮时，辅助继电器20000为on，停止前的输出被恢复，机械手继续在停止前某保持继电器为on的工步动作。
6 结束语
本设计提出了一个通用的设计方案，介绍了日本omron公司生产的cpm1a系列小型多功能plc在机械手步进控制中的设计应用。包括说明了机械手的动作原理，设计要求，程序设计方法。在实际具体应用中，还可以很方便的通过标准接口与计算机组成plc工业局域网，实现网络通信与网络实时控制。
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