CN101609339A - 挤压机速度控制的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种实现挤压机速度控制的***，包括：速度给定装置、可编程逻辑控制器PLC、测速装置、执行机构，其中：所述速度给定装置：用于输出作为速度给定信号的电压信号；所述PLC：用于将接收到的所述速度给定信号模数转换后的数字信号和由所述测速装置输出的脉冲信号，进行比较运算后，经过数模转换得到速度控制执行信号，并输出到执行机构，实现对挤压机挤压速度的控制。本发明还公开了与所述***相对应的是实现挤压机速度控制方法。本发明公开的***和方法，通过PLC及其内部程序实现速度的无触点给定，参数调节更加方便，准确度和精度也得到提高；同时，自制的速度检测装置，减少对硬件的维修更换，降低了生产及维护成本。

Description

挤压机速度控制的***和方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，更具体地说，涉及一种挤压机速度控制的***和方法。

背景技术

挤压机是通过自动控制对金属材料进行挤压定性的设备。

挤压机的工作速度控制对于产品生产有着重要的意义。铝挤压机是加工铝制品的专用设备，其速度控制***是90年代初投入使用的步进式电液伺服控制***，采用的是“步进式电液伺服执行机构速度/位置控制器”进行压挤速度控制。“步进式电液伺服执行机构速度/位置控制器”是挤压机步进式电液伺服控制***的核心部件，是针对挤压机速度控制设计的专用设备和基于模拟电子技术设计的非标准化产品。由于该控制器采用大量电子元件，电路板安装在一个狭小的箱子内，散热条件差，电子元件受环境温度的影响常出现故障，不能完全适应工厂环境要求。该控制器早已停产，要维修和更换备件十分困难。

如附图1所示，步进式电动机作为速度控制***的执行元件，根据用户的要求，通过速度给定信号的分段给定(最多是8段)与速度反馈量比较，再进行运算与校正，控制步进电动机运行在一个动态稳定的状态，带动液压伺服机构控制挤压机主机压油缸的进油量，以完成对挤压机挤压速度的控制。由于挤压机各部位动作速度要求不同，为了简化操作，除挤压轴动作速度需要人工控制外，其它动作速度通常为固定值。由于速度控制器只有一个速度信号输入端，不同的速度给定信号要由多个电位器给出，通过多个继电器触点动作来实现电位器间的切换，达到速度的分段给定。挤压机的一部分速度分段给定控制电路如图1所示。这种速度的分段给定方式触点较多，易发生故障，而且线路上存在一定的压降，使输入速度控制器的电压不准确，挤压速度控制精度难以提高。

挤压机速度给定信号和反馈信号在速度控制器内进行的是模拟量的调节。所述步进式电液伺服执行机构速度/位置控制器内部电压种类繁多，有±12V、24V、5V、220V等，调控参数较多，调试程序繁琐，每次检修完液压伺服机构后均要重新调整参数，十分不便。

随着PLC技术在工业自动化控制领域中的广泛应用，运用PLC技术进行模拟量的控制也越来越得到普及。各厂家的PLC均有配套的标准化的模块，采用插接式连接，使硬件的维修、更换也更加简便。通过PLC程序实现速度的无触点给定可以提高速度控制精度，减少***控制线路，也使控制更加准确。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种挤压机速度控制的***和方法，通过PLC及其内部程序实现速度的无触点给定，参数调节更加方便，准确度和精度也得到提高；同时自制的速度检测装置，减少对硬件的维修更换，降低了生产及维护成本。

一种实现挤压机速度控制的***，包括：

速度给定装置，用于输出作为速度给定信号的电压信号；

可编程逻辑控制器PLC，用于将接收到的速度给定信号进行模数转换，得到数字信号，以及，将所述数字信号和接收到的速度反馈信号按照预先编制的程序进行比较运算，并将所述比较运算的结果进行数模转换，得到速度控制执行信号并输出；

测速装置：用于发出脉冲信号，作为速度反馈信号输出到所述PLC；

执行机构：用于接收所述速度控制执行信号，进行挤压轴速度控制。

优选地，所述***还包括：速度显示装置，用于将所述测速装置输出的脉冲信号经内部运算后显示挤压机挤压轴的速度。

优选地，所述测速装置具体包括：力矩电机、脉冲编码器和卷尺，其中：

所述力矩电机固定在挤压机本体后端，用于通直流电后反向产生力矩把卷尺拉紧；

所述脉冲编码器连接在所述力矩电机上，用于将检测到的设置于挤压机上的挤压轴的速度信号转换成脉冲信号，作为速度反馈信号输入至所述PLC，并将所述脉冲信号输出到速度显示装置；

所述卷尺的一端固定在设置于挤压机上的挤压轴的前端，另一端通过所述脉冲编码器的带轮缠绕在所述力矩电机上，用于在挤压轴前进时，通过带轮带动所述脉冲编码器转动。

优选地，执行机构包括：比例放大器、电液比例阀和柱塞变量泵，其中：

所述比例放大器具有用于将所述接收所述速度控制执行信号转换成电流信号的转换单元；

所述电液比例阀用于接收所述比例放大器将所述速度控制执行信号转换成的电流信号，并根据所述电流信号改变输出的角位移；

所述柱塞变量泵用于根据所述角位移的大小输出相应流量，控制挤压轴速度，实现挤压速度控制。

优选地，所述执行机构还包括：位移传感器，用于将检测到的斜盘角位移变量转换为速度精度校正信号，输出至所述比例放大器；

所述比例放大器还具有放大比较单元，用于将所述PLC速度控制执行信号和所述由执行机构输入的速度精度校正信号转换放大比较，将比较结果作为电流信号输出。

优选地，所述速度控制执行信号为电压信号。

优选地，还包括：光电隔离装置，用于排除其他波形对所述脉冲信号的干扰。

优选地，所述脉冲编码器发出的脉冲信号与所述脉冲编码器的转速成正比，反应挤压轴速度的大小。

优选地，所述力矩电机外加的直流电为+15V。

一种挤压机速度控制的方法，包括：

获取速度给定信号，并将所述速度给定信号经过模数转换成数字信号；

将挤压轴的速度信号转换成脉冲信号，作为挤压轴速度信号的反馈；

对所述数字信号与所述脉冲信号按预先编制的程序进行比较运算，得到比较运算结果；

将所述比较运算结果经数模转换，得到速度控制执行信号，依据所述速度控制执行信号确定挤压轴速度，实现速度闭环控制；

优选地，依据所述速度控制执行信号确定挤压轴速度具体包括：所述将所述速度控制执行信号转换成电流信号，依据所述电流信号确定电液比例阀输出的角位移，并依据所述角位移确定柱塞变量泵的输出流量，实现挤压轴速度控制；

优选地，所述方法进一步包括转角位移闭环过程：

执行机构中的位移传感器检测柱塞变量泵斜盘转角位移，将所述转角位移变量转换成速度精度校正信号，输入至比例放大器；

所述比例放大器将所述速度精度校正信号与所述速度控制执行信号比较，依据比较结果对变量泵斜盘转角变量进行校正。

优选地，所述速度精度校正信号与所述转角位移变量成正比。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的挤压机速度控制的***和方法，以通过PLC及其内部程序实现速度的无触点给定，根据实际挤压速度与给定速度比较的差值大小，自动调节主泵的输出流量，实现挤压机的恒速挤压控制，参数调节更加方便，准确度和精度也得到提高；同时自制的速度检测装置：采用力矩电机、光电编码器、常用的钢卷尺、固定装置等分立元件，可替代传统的整体式脉冲检测装置，成本低廉，可靠性高，易于维护更换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的现有技术中挤压机速度控制***的结构示意图；

图2为本发明实施例一公开的一种挤压机速度控制***的结构示意图；

图3为本发明实施例二公开的一种挤压机速度控制***的结构示意图；

图4为本发明实施例三公开的一种挤压机速度控制***的结构示意图；

图5为本发明实施例四公开的一种挤压机速度控制***的结构示意图；

图6为本发明实施例一公开的一种挤压机速度控制方法的流程图；

图7为本发明实施例二公开的一种挤压机速度控制方法的流程图；

图8为本发明实施例三公开的角位移确定柱塞变量泵的输出流量，实现挤压轴速度控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种挤压机速度控制的***和方法，通过PLC及其内部程序实现速度的无触点给定，参数调节更加方便，准确度和精度也得到提高；同时，自制的速度检测装置，减少对硬件的维修更换，降低了生产及维护成本。

图2示出了一种实现挤压机速度控制的***，包括：速度给定装置201、可编程逻辑控制器PLC202、执行机构203、测速装置204、和设置有挤压轴205的挤压机本体，其中：

所述速度给定装置201：用于输出作为速度给定信号的电压信号，速度给定信号来自设置在操作台上的电位器，该电位器可以输出0-10V的电压信号，该电压信号在PLC中经过换算与挤压速度V_o成正比；

所述PLC202：选用西门子S7-300PLC，涉及速度控制方面选用了特殊功能模块，实现了以下功能，包括：

将接收到的速度给定信号进行模数转换，得到数字信号；

将接收的由测速装置204输出的速度反馈信号进行计数；

将输入的所述数字信号和所述速度反馈信号按照PLC预先编制的程序进行比较运算；

将所述比较运算的结果进行数模转换，得到所述速度控制执行信号；

所述测速装置204：用于发出脉冲信号，作为速度反馈信号输出到PLC202；

执行机构203：用于接收由所述速度控制执行信号，实现挤压轴205速度控制。

以上实施例可以看出，通过PLC及其内部程序实现速度的无触点给定，根据实际挤压速度与给定速度比较的差值大小，自动调节主泵的输出流量，实现挤压机的恒速挤压控制，参数调节更加方便，准确度和精度也得到提高。

图3示出了连接有速度显示装置的挤压机速度控制***，在图2基础上还包括速度显示装置306：采用SKY-9300型数显表，将脉冲编码器传送来的脉冲信号PE经内部运算后以七段LED的形式显示出数值，它能直观地反应挤压机挤压轴的速度。

图4示出了连接有自制测速装置的挤压机速度控制***，在图3基础上，自制测速装置具体包括：力矩电机、脉冲编码器4042和卷尺4043，其中：

所述力矩电机固定在挤压机本体后端，用于通直流电后反向产生力矩把卷尺4043拉紧；

所述脉冲编码器4042连接在所述力矩电机上，用于将检测到的设置于挤压机上的挤压轴405的速度信号转换成脉冲信号，作为速度反馈信号输入至所述PLC403，并将所述脉冲信号输出到速度显示装置406；

所述卷尺4043的一端固定在设置于挤压机上的挤压轴405的前端，另一端通过所述脉冲编码器4042的带轮缠绕在所述力矩电机上，用于在挤压轴405前进时，通过带轮带动所述脉冲编码器4042转动。

根据以上实施例可以看出，自制的速度检测装置：采用力矩电机、光电编码器、常用的钢卷尺、固定装置等分立元件，可替代传统的整体式脉冲检测装置，成本低廉，可靠性高，易于维护更换。

图5示出了连接有柱塞变量泵510、电液比例阀508、比例放大器507和位移传感器509的挤压机速度控制***，如图所示，

比例放大器507：用于将所述接收所述速度控制执行信号转换成电流信号，并将所述电流信号输出至所述电液比较阀508；将所述PLC速度控制执行信号和所述由位移传感器输入的速度精度校正信号转换放大比较，将比较后的结果输出到所述电液比较阀。

电液比例阀508：用于接收比例放大器507将所述速度控制执行信号转换成的电流信号，并根据所述电流信号改变输出的角位移；

柱塞变量泵510：用于根据所述角位移的大小输出相应流量，控制挤压轴505速度，实现挤压速度控制。

所述执行机构403还包括位移传感器509：用于根据检测到的斜盘角位移变量转换为速度精度校正信号，该信号为0-24V的电压信号，输出到所述比例放大器507中，实现了精度校正闭环控制。

根据以上实施例，由于该方案选择了美国ParKer公司的PV系列柱塞变量泵及其配套的电液比例阀作为速度控制***的执行机构。由于该泵自带内部转角位移反馈装置，因此该泵的流量控制精度较高，线性度较好，使得压机实现恒速挤压成为可能。

图6示出了实施例一实现挤压机速度控制方法的流程，包括：

步骤601：获取速度给定信号；

步骤602：速度给定信号经过模数转换成数字信号；

步骤603：将挤压轴的速度信号转换成脉冲信号，作为挤压轴速度信号的反馈；

步骤604：数字信号与所述脉冲信号比较运算；

步骤605：比较运算结果经数模转换得速度控制执行信号；

步骤606：依据所述速度控制执行信号确定挤压轴速度。

图7示出了实施例二实现挤压机速度控制方法的流程，步骤701-步骤705与实施例一相同，不再赘述，其中，步骤606可以具体通过步骤706-步骤708实现，具体为：

步骤706：速度控制执行信号转换成电流信号；

步骤707：依据所述电流信号确定电液比例阀的角位移；

步骤708：角位移确定柱塞变量泵的输出流量实现挤压轴速度控制。

图8示出了实施例二实现挤压机速度控制方法的流程，在图7所示的方法流程基础上还包括：

步骤801：执行机构中的位移传感器检测柱塞变量泵斜盘转角位移；

步骤802：将所述转角位移变量转换成速度精度校正信号，输入到比例放大器中；

步骤803：在所述比例放大器中将所述速度精度校正信号与所述速度控制执行信号比较；

步骤804：所述比较结果对变量泵斜盘转角变量进行较正实现转角位移闭环控制。

本发明中PLC预先编制的程序的数学模型为：

挤压速度给定值：闭环电位器给定的电压信号经A/D模块转换为0-27648范围内的数字，记为D1。

挤压速度采集值：高数计数模块每秒计算光电测速装置输出的脉冲数，记为D2。经换算，其对应的挤速度量纲为100对应1mm/sec。

挤压速度给定变化的差值跟随：在闭环投入瞬间检测开环电位器给定值D4和闭环电位器瞬时值D5。在闭环控制投入瞬间，设PLC瞬间输出值为Dvg0。Dvg0≈D4

因为每种规格产品要求的挤压速度不一样，需要调整闭环电位器给定值，故在第一次挤压时D1为变值，Dvg0必须快速的跟随D1变化。设D1的变化值为D6。

D6＝D1-D5    Dvg0＝D4+D6

程序每个扫描周期对D1进行检测，若D1发生变化，则D6跟随变化，可快速提高***的速度响应。

PLC对闭环挤压速度的调整控制：

由于***始终存在扰动，当D6跟随D1变化的同时，还要对D4进行调节来消除扰动。

设ΔD＝|D1-D2|

本发明采用分段式挤压速度闭环调整方式，按控制速度精度要求将ΔD分成多个区间。如ΔD≥2，2＜ΔD≤5，5＜ΔD≤10，10＜ΔD≤15等。在每个区间设置不同的调整频率T，对D4进行加和减一定数值计算。如当ΔD≥2时，可设T＝500，即D4每500ms进行一次+1或-1计算；如当2＜ΔD≤5时，可设T＝300，即D4每300ms进行一次+2或-2计算，以此类推，每个区域实际的T值和加减数根据实际的工况进行编程调试。当ΔD＜2时，则不对D4进行修正。这样挤压速度波动范围就被控制在±0.02mm/sec内。

基于以上数学模型设计速度控制程序。该程序在多台不同规格铝挤压机上应用，挤压速度控制精度达±0.05mm/sec以上，部分压机速度控制精度达±0.02mm/sec，满足了恒速挤压要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1、一种实现挤压机速度控制的***，其特征在于，包括：

速度给定装置，用于输出作为速度给定信号的电压信号；

可编程逻辑控制器PLC，用于将接收到的速度给定信号进行模数转换，得到数字信号，以及，将所述数字信号和接收到的速度反馈信号按照预先编制的程序进行比较运算，并将所述比较运算的结果进行数模转换，得到速度控制执行信号并输出；

测速装置：用于发出脉冲信号，作为速度反馈信号输出到所述PLC；

执行机构：用于接收所述速度控制执行信号，进行挤压轴速度控制。

2、根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：速度显示装置，用于将所述测速装置输出的脉冲信号经内部运算后显示挤压机挤压轴的速度。

3、根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述测速装置具体包括：力矩电机、脉冲编码器和卷尺，其中：

所述力矩电机固定在挤压机本体后端，用于通直流电后反向产生力矩把卷尺拉紧；

所述脉冲编码器连接在所述力矩电机上，用于将检测到的设置于挤压机上的挤压轴的速度信号转换成脉冲信号，作为速度反馈信号输入至所述PLC，并将所述脉冲信号输出到速度显示装置；

所述卷尺的一端固定在设置于挤压机上的挤压轴的前端，另一端通过所述脉冲编码器的带轮缠绕在所述力矩电机上，用于在挤压轴前进时，通过带轮带动所述脉冲编码器转动。

4、根据权利要求1所述的***，其特征在于，执行机构包括：比例放大器、电液比例阀和柱塞变量泵，其中：

所述比例放大器具有用于将所述接收所述速度控制执行信号转换成电流信号的转换单元；

所述电液比例阀用于接收所述比例放大器将所述速度控制执行信号转换成的电流信号，并根据所述电流信号改变输出的角位移；

所述柱塞变量泵用于根据所述角位移的大小输出相应流量，控制挤压轴速度，实现挤压速度控制。

5、根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述执行机构还包括：位移传感器，用于将检测到的斜盘角位移变量转换为速度精度校正信号，输出至所述比例放大器；

所述比例放大器还具有放大比较单元，用于将所述PLC速度控制执行信号和所述由执行机构输入的速度精度校正信号转换放大比较，将比较结果作为电流信号输出。

6、根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述速度控制执行信号为电压信号。

7、根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：光电隔离装置，用于排除其他波形所述脉冲信号的干扰。

8、根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述脉冲编码器发出的脉冲信号与所述脉冲编码器的转速成正比，反应挤压轴速度的大小。

9、根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述力矩电机外加的直流电为+15V。

10、一种挤压机速度控制的方法，其特征在于，包括：

获取速度给定信号，并将所述速度给定信号经过模数转换成数字信号；

将挤压轴的速度信号转换成脉冲信号，作为挤压轴速度信号的反馈；

对所述数字信号与所述脉冲信号按预先编制的程序进行比较运算，得到比较运算结果；

将所述比较运算结果经数模转换，得到速度控制执行信号，依据所述速度控制执行信号确定挤压轴速度，实现速度闭环控制。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，依据所述速度控制执行信号确定挤压轴速度具体包括：所述将所述速度控制执行信号转换成电流信号，依据所述电流信号确定电液比例阀输出的角位移，并依据所述角位移确定柱塞变量泵的输出流量，实现挤压轴速度控制。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括转角位移闭环过程：

执行机构中的位移传感器检测柱塞变量泵斜盘转角位移，将所述转角位移变量转换成速度精度校正信号，输入至比例放大器；

所述比例放大器将所述速度精度校正信号与所述速度控制执行信号比较，依据比较结果对变量泵斜盘转角变量进行校正。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述速度精度校正信号与所述转角位移变量成正比。

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