CN111930068B - 一种立式径向挤压制管设备的控制*** - Google Patents

Abstract

本发明一种立式径向挤压制管设备的控制***，其特征在于，该***包括定位感知模块、控制模块、执行模块、智能人机交互模块和网络数据库；所述定位感知模块与控制模块的输入端连接，实现信号的输入；控制模块与执行模块连接，实现控制信号的输出；所述控制模块与智能人机交互模块进行通讯连接；所述智能人机交互模块通过串口服务器与网络数据库连接，实现***的数据交互；网络数据库内存储有制管设备的当前运行数据、长期运行数据、历史故障数据和常规故障数据及其对应的故障诊断结果，使***完成制管设备的智能故障诊断。该***能有效避免因注料速度过快而导致动力头旋转受阻，使轴控电机过载，造成***异常停机和损坏，有利于设备持续安全生产。

Description

一种立式径向挤压制管设备的控制***

技术领域

本发明属于工业自动控制技术领域，具体涉及一种立式径向挤压制管设备的控制***。

背景技术

钢筋混凝土排水管因其具有制造成本低、生产工艺相对简单、制造速度快、硬度高、承压大、密封性好、抗振和不易堵塞等众多优点，被广泛应用于城市排水、农业灌溉、化工、燃气输送等领域。目前，直径1200mm以下小口径钢筋混凝土排水管多采用立式径向挤压成型工艺，但该工艺执行设备依然处于半自动化状态，其工艺过程实施依赖于人工介入，这对于提高生产效率和改善产品质量极为不利。

在立式径向挤压制管机中，为保证轴控电机驱动动力头平稳运行，通常采用闭环反馈控制算法对***注料速度进行调控。由于物料含水量、平均粒径等参数的不同，导致物料产生的阻转矩与注料速度之间存在非线性关系，使得***的控制模型存在较大波动。经典PID控制算法因为其调控参数固定，当***模型波动较大时，按照经验调节的PID控制算法的参数往往难以使***收敛，因此在使用中依然会出现动力头堵塞的现象。

专利号为201810355274.0的中国发明专利中，提供了一种立式径向挤压制管机自动化生产***及其使用方法，该发明采用PLC作为自动控制核心，包括传感器***、执行***和预警***；该***不能对制管机的运行数据进行显示和收集，预警***为安全预警指示灯，只存在***运行故障和正常两种显示状态，不能根据运行数据进行故障诊断，智能化程度低；该***的传动装置和插口装置的升降运动均采用丝杠滑块形式的升降滑块组，升降滑块组存在传动力矩小、摩擦力较大、运行平稳度不足等缺陷。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种立式径向挤压制管设备的控制***；该控制***实现了立式径向挤压制管设备的自动化控制，提升了立式径向挤压制管设备运行的稳定性、安全性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种立式径向挤压制管设备的控制***，其特征在于，该***包括定位感知模块、控制模块、执行模块、智能人机交互模块和网络数据库；所述定位感知模块与控制模块的输入端连接，实现信号的输入；控制模块与执行模块连接，实现控制信号的输出；所述控制模块与智能人机交互模块进行通讯连接；所述智能人机交互模块通过串口服务器与网络数据库连接，实现***的数据交互；网络数据库内存储有制管设备的当前运行数据、长期运行数据、历史故障数据和常规故障数据及其对应的故障诊断结果，使***完成制管设备的智能故障诊断；

所述定位感知模块包括限位开关、电流互感器和油温油压检测器；多个限位开关用于制管设备相应部件的定位检测；电流互感器用于控制模块的电流检测，实现***的安全保障检测；油温油压检测器用于检测制管设备的油温和油压，保障***安全、稳定运行；

所述智能人机交互模块包括按键、指示灯和触摸屏；按键包括启动按键、急停按键和故障复位按键，上述各个按键均与控制模块的输入端连接；指示灯包括通电指示灯和故障指示灯，两个指示灯与控制模块的输出端连接；触摸屏与控制模块通讯连接，完成触摸屏与控制模块的数据交互。

所述执行模块包括模具传送变频器、液压栓电磁阀、振动电机变频器、底部转向变频器、一号插口制作电磁阀、二号插口制作电磁阀、气缸电磁阀、一号轴控电机变频器、二号轴控电机变频器、气体泵变频器、液压泵变频器、传动液压缸电磁阀、搅拌继电器、传送带电机变频器、扫料电磁阀、扫料盘电磁阀和承口托盘电磁阀，控制模块通过执行模块的各个部件控制制管设备完成相关工作。

采用模糊PID控制器实现***的闭环控制，即通过模糊PID控制器对传送带电机变频器进行调控，调节制管设备的传送带电机的转速，进而调节制管设备的传送带的注料速度，使控制制管设备的动力头的轴控电机恒定转矩运行，防止注料速度过快而导致制管设备的动力头旋转受阻。

模糊PID控制器的具体实施过程为：

1)建立控制模型：假定制管设备的轴控电机的工作电压和运行速度恒定；在***额定工作点附近，不同物料湿度、物料粗细对轴控电机的阻转矩的影响恒定，则制管设备的传送带的注料速度与轴控电机的阻转矩T满足公式(1)：

T＝k·v+b (1)

式中，k、b均是与物料湿度、物料粗细有关的常数；v表示传送带的注料速度；

根据上述假定，按照公式(2)建立***的控制模型：

式中，n为制管设备的轴控电机的额定转速；U为制管设备的轴控电机的额定工作电压；s为拉普拉斯变换的复变量；

2)确定控制器的输入量和输出量：通过定位感知模块采集制管设备的轴控电机的工作电流，并计算轴控电机的额定电流与当前采样时刻的工作电流的误差e；然后将当前采样时刻的误差e与上一采样时刻的误差做差得到误差e_c，两个误差e、e_c即为模糊PID控制器的输入量；

模糊PID控制器的比例系数修正值△K_p、积分系数修正值△K_i和微分系数修正值△K_d作为模糊PID控制器的输出量；

3)确定模糊隶属度函数：所有输入量e和e_c、输出量△K_p、△K_i和△K_d对应的模糊集中的元素NB和PB分别选用Z型和反Z型隶属函数，其余元素采用三角形隶属度函数；

4)构建模糊关系：根据实际经验和控制制管设备完成相关工作的基本需求，建立模糊推理规则，并采用取极大极小值的推理方法分别求取输入量e和e_c与输出量△K_p、输入量e和e_c与输出量△K_i、输入量e和e_c与输出量△K_d的模糊关系R_p、R_i和R_d；

5)建立模糊推理机：根据步骤2)获得的输入量和输出量、步骤3)的模糊隶属度函数和步骤4)的模糊关系，分别建立模糊PID控制器的比例系数修正值△K_p、积分系数修正值△K_i和微分系数修正值△K_d的模糊推理机，对模糊PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行修正，使模糊PID控制器控制轴控电机变频器，进而调节***的注料速度，使轴控电机恒定转矩运行。

模糊推理规则为：

设定误差e的阈值为m1和m2，m1的绝对值大于m2的绝对值；当e的绝对值大于m1时，表明e的绝对值已经很大，此时控制器的输出量都按最大或最小输出，使e的绝对值以最大速度减小；

当e与e_c的乘积大于0或等于ec时，说明e的绝对值朝增大的方向变化，或e为某一常值，未发生变化，此时如果e的绝对值大于或等于m2，说明e的绝对值较大，此时考虑实施较强的控制作用，即增大控制器的比例系数，减小控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝减小的方向变化，并迅速减小e的绝对值；如果e的绝对值小于m2，说明尽管e的绝对值在朝增大的方向变化，但e的绝对值本身并不很大，此时考虑一般强度的控制作用，即不改变控制器的比例系数、积分系数和微分系数，使e的绝对值朝减小方向变化；

当e与e_c乘积小于0、e_c与上一次e_c的取值的乘积大于0或e等于0时，说明e的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态，此时保持控制器的比例系数和微分系数不变，使控制器的输出量不变；

当e与e_c乘积小于0或ec与上一次e_c的取值的乘积小于0时，说明e处于极值状态；如果此时e的绝对值大于m2，说明e的绝对值较大，此时考虑实施较强的控制作用，即增大控制器的比例系数，减小控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝减小的方向变化；如果此时e的绝对值小于m2，说明e的绝对值较小，此时考虑实施较弱的控制作用，即减小控制器的比例系数，增大控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝增大的方向变化；

当e的绝对值远小于m2时，说明e的绝对值很小，此时增大控制器的积分系数，控制器的比例系数和微分系数保持不变，以减小整个***的稳态误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明的控制***设置了网络数据库，制管设备运行的数据储存在网络数据库中，便于对操作人员信息、产品信息、设备运行参数和状况、生产报表等信息的查询；网络数据库内存储有制管设备当前运行的数据、长期运行数据、历史故障数据和常规故障数据及其对应的故障诊断结果，根据这些数据能够获得制管设备的运行状态，并能够将当前故障数据与预先存储的故障数据匹配，获得故障诊断结果，完成制管设备的智能故障诊断。

2.本发明采用模糊PID算法对一号轴控电机和二号轴控电机实现闭环控制，构建具有一定自适应能力的模糊PID控制器，能够根据物料含水量、平均粒径等参数的不同自适应的调节模糊PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，进而调节***的注料速度，使两个轴控电机恒定转矩运行，可以有效避免因注料速度过快而导致动力头旋转受阻，使轴控电机过载，造成***异常停机和损坏，有利于设备持续安全生产。

3.本发明采用液压缸实现控制动力头的下降运动，使动力头伸入模具的下部，并对动力头的下降过程进行变速控制，有效避免磨损和冲击，延长制管设备的使用寿命的同时，使制管设备运行更加平稳。

附图说明

图1为本发明的整体连接结构示意图；

图2为本发明的执行模块与制管设备的连接图；

图3为本发明控制的制管设备的整体结构示意图；

图中：1.模具传送装置；2.承口制作装置；3.插口制作装置；4.主体塑形装置；5.注料装置；6.机架；7.工作台；8.模具；9.执行模块；

101.液压栓；102.传送盘电机；103.传送盘；

201.底部转向电机；202.一号底部振动电机；203.二号底部振动电机；204.振动十字梁；205.振动十字梁液压缸；206.承口托盘；

301.一号旋转液压马达；302.二号旋转液压马达；303.磨口盘；

401.传动液压缸；402.上部固定气筒；403.下部固定气筒；404.液压泵；405.一号轴控电机；406.气体泵；407.二号轴控电机；408.动力头；409.连接轴；410.动力箱；

501.扫料盘；502.搅拌器；503.扫料液压马达；504.传送带电机；505.传送带；506.料斗；507.扫料盘液压缸；

901.模具传送变频器；902.液压栓电磁阀；903.振动电机变频器；904.转向电机变频器；905.一号插口制作电磁阀；906.二号插口制作电磁阀；907.气缸电磁阀；908.一号轴控电机变频器；909.二号轴控电机变频器；910.气体泵变频器；911.液压泵变频器；912.传动液压缸电磁阀；913.搅拌继电器；914.传送带电机变频器；915.扫料电磁阀；916.扫料盘电磁阀；917.承口托盘电磁阀。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。

本发明提供了一种立式径向挤压制管设备的控制***(简称***，参见图1-3)，该***以PLC为控制核心，包括定位感知模块、控制模块、执行模块9、智能人机交互模块和网络数据库；所述定位感知模块与控制模块的输入端连接，实现信号的输入；控制模块与执行模块9连接，实现控制信号的输出；所述控制模块通过RS232接口与智能人机交互模块进行通讯连接；所述智能人机交互模块通过串口服务器与网络数据库连接，实现***的数据交互；

定位感知模块主要完成制管工艺过程中制管设备的定位和***的安全保障检测，实现数据采集，并将采集的数据传输至控制模块；控制模块对定位感知模块采集的数据进行分析处理，生成控制信号，以完成***电源配置和执行模块9的任务协调；执行模块9根据控制信号进行相应的工作，完成制管设备各个电机的驱动和调速，使制管设备完成模具传送、承口制作、插口制作、主体塑形以及注料工作；智能人机交互模块主要完成***设定参数的输入和***状态参数的显示，网络数据库主要收集***的运行数据、故障数据及其对应的故障诊断结果，为智能故障诊断提供数据基础。

本***控制的制管设备包括模具传送装置1、承口制作装置2、插口制作装置3、主体塑形装置4、注料装置5、机架6、工作台7和模具8；机架6固定在地面上，用于支撑制管设备的各个部件；模具传送装置1设置在机架6的下部，模具8放置在模具传送装置1上，模具传送装置1将模具8转运至工作区；承口制作装置2位于模具传送装置1的下方，用于水泥管的承口(水泥管的底部)制作；工作台7设置在机架6的中部，位于插口制作装置3的上方，用于安装注料装置5和智能人机交互模块；插口制作装置3设置在注料装置5上，用于水泥管的插口制作；主体塑形装置4的一部分位于在机架6的上部，能够沿机架6的高度方向移动，主要完成水泥管的主体塑形工作；主体塑形装置4的另一部分机架6下部，为整个制管设备提供液压动力和气压动力。

所述模具传送装置1包括传送盘电机102、传送盘103和液压栓101；传送盘103安装于机架6的下部，模具8放置在传送盘103的模具放置点上，传送盘电机102安装于传送盘103的一端，用于驱动传送盘103转动180°，进而将模具8移动到工位上；液压栓101安装于传送盘103上，液压栓101的工作端能够***机架6相应位置的限位孔中，实现模具8到达工位后传送盘103的锁定。

所述承口制作装置2包括一号底部振动电机202、二号底部振动电机203、底部转向电机201、振动十字梁204、振动十字梁液压缸205和承口托盘206；振动十字梁液压缸205的活塞固定在机架6上，振动十字梁液压缸205的缸筒与承口托盘206固连，实现承口托盘206的升降，将承口制作装置2调整至合适位置；底部转向电机201、一号底部振动电机202、二号底部振动电机203和振动十字梁204均安装在承口托盘206上；当承口托盘206上升至上止位置时，振动十字梁204与模具8底部的内底托盘紧密接触，一号底部振动电机202和二号底部振动电机203能够作用在振动十字梁204上，实现振动十字梁204的振动，保证承口质量，完成承口制作；底部转向电机201安装在振动十字梁204的底部，实现振动十字梁204的旋转运动，带动水泥管旋转，防止物料与模具8黏连。

所述注料装置5包括扫料盘501、搅拌器502、扫料液压马达503、传送带电机504、传送带505、料斗506和扫料盘液压缸507；传送带505转动安装在工作台7上，传送带电机504和料斗506均安装于工作台7上，传送带505位于料斗506的出料口处，承接料斗506输出的物料；传送带电机504作用在传送带505上，实现传送带505的转动，将物料注入模具8中；搅拌器502安装在料斗506内，用于物料的搅拌；扫料盘501位于模具8的上方，扫料盘液压缸507的活塞与机架6固连，扫料盘液压缸507的缸筒与扫料盘501固连，在扫料盘液压缸507的作下完成扫料盘501的升降运动，实现扫料盘501的位置调整；扫料液压马达503安装在扫料盘501上，扫料液压马达503作用到扫料盘501，驱动扫料盘501做旋转，将洒落的物料扫入模具8。

所述插口制作装置3包括一号旋转液压马达301、二号旋转液压马达302和磨口盘303；一号旋转液压马达301和二号旋转液压马达302安装在扫料盘501的底部，磨口盘303固定在两个旋转液压马达的作用端，驱动磨口盘303旋转，完成磨口工艺；插口制作装置3能够在扫料盘液压缸507的作用下，随磨口盘303一起做升降运动。

所述主体塑形装置4包括传动液压缸401、上部固定气筒402、下部固定气筒403、液压泵404、一号轴控电机405、气体泵406、二号轴控电机407、动力头408、连接轴409和动力箱410；传动液压缸401的缸筒活塞与机架6固连，传动液压缸401的缸筒与动力箱410固连，实现动力箱410的升降运动；一号轴控电机405和二号轴控电机407安装在动力箱410内，两个轴控电机的输出轴分别通过联轴器与连接轴409的上端固连，连接轴409的下端固定有动力头408，动力头408伸入模具8中且作用在物料上，通过两个轴控电机驱动动力头408旋转，挤压物料，完成水泥管的主体塑形；所述上部固定气筒402、下部固定气筒403安装于模具8上，用于固定模具8中的钢筋笼；液压泵404和气体泵406均安装于机架6的底部，液压泵404分别通过油管与制管设备的液压栓101、振动十字梁液压缸205、扫料液压马达503、扫料盘液压缸507、一号旋转液压马达301、二号旋转液压马达302和传动液压缸401连接，为各个部件提供液压动力；气体泵406分别通过扫料盘501上的供气座与上部固定气筒402、下部固定气筒403连接，提供气压动力。

所述定位感知模块包括多个限位开关、电流互感器和油温油压检测器；多个限位开关分别用于实现模具8移入工位时传送盘103的定位、模具8移出工位时传送盘103的定位、动力箱410的上止位置定位、动力箱410由加速转入匀速运动的位置定位、动力箱410由匀速转入减速运动的位置定位、动力箱410的下止位置定位、扫料盘501的初始位置定位、扫料盘501工作时的位置定位、承口制作装置2的上止定位和承口制作装置2的下止定位；电流互感器分别与工业三相电连接，用于控制模块配电部分的电流检测，防止***过载和工业电网缺相等问题，实现***的安全保障检测；油温油压检测器安装于液压泵404的油缸中，用于检测液压泵404中的油温和油压，并将采集的信号传输至控制模块，保障***安全和稳定运行。

所述执行模块包括模具传送变频器901、液压栓电磁阀902、振动电机变频器903、底部转向变频器904、一号插口制作电磁阀905、二号插口制作电磁阀906、气缸电磁阀907、一号轴控电机变频器908、二号轴控电机变频器909、气体泵变频器910、液压泵变频器911、传动液压缸电磁阀912、搅拌继电器913、传送带电机变频器914、扫料电磁阀915、扫料盘电磁阀916和承口托盘电磁阀917；

所述模具传送变频器901用于驱动传送盘电机102，实现传送盘103旋转；液压栓电磁阀902用于控制液压栓101，以完成传送盘103锁定；承口托盘电磁阀917驱动振动十字梁液压缸205，实现承口托盘206的升降；振动电机变频器903分别驱动一号底部振动电机202和二号底部振动电机203，实现振动十字梁204的振动；底部转向变频器904控制底部转向电机201实现振动十字梁204的旋转，带动水泥管转动，防止物料与模具8黏连；一号插口制作电磁阀905、二号插口制作电磁阀906分别控制一号旋转液压马达301和二号旋转液压马达302带动磨口盘303旋转，完成磨口工艺；气缸电磁阀907控制上部固定气筒402和下部固定气筒403，实现模具8中钢筋笼的固定；一号轴控电机变频器908、二号轴控电机变频器909分别控制一号轴控电机405和二号轴控电机407，一号轴控电机405和二号轴控电机407与连接轴409连接，将旋转动力传送到动力头408，用于模具8中的物料挤压成型；气体泵变频器910用于驱动气体泵406；液压泵变频器911用于驱动液压泵404；传动液压缸电磁阀912用于控制传动液压缸401，实现动力箱410的升降运动，进而使一号轴控电机405、二号轴控电机407、动力头408和连接轴409一起做升降运动；搅拌继电器913控制搅拌器502，用于物料搅拌；传送带电机变频器914控制传送带电机504，进而驱动传送带505旋转将物料注入模具8中；扫料电磁阀915控制扫料液压马达503，实现扫料盘501的旋转运动，将洒落的物料扫入模具8；扫料盘电磁阀916控制扫料盘液压缸507，实现扫料盘501升降，进而调整扫料盘501位置；承口托盘电磁阀917控制振动十字梁液压缸205，实现承口托盘206的升降运动。

所述控制模块包括配电部分和控制部分，控制部分为本***的控制核心，具体为PLC控制器，用于完成***的工艺流程控制和算法运行。

所述配电部分用于提供驱动电源，配电部分的输入端经电流检测和隔离与工业三相电网连接，配电部分的输出端经过三个断路器后将工业三相电分为三路三相交流电；其中两路三相交流电的输出端分别连接一号轴控电机变频器908和二号轴控电机变频器909；第三路三相交流电与模具传送变频器901、振动电机变频器903、转向电机变频器904、一号轴控电机变频器908、二号轴控电机变频器909、气体泵变频器910、液压泵变频器911、传送带电机变频器914、液压电磁阀104、一号插口制作电磁阀905、二号插口制作电磁阀906、气缸电磁阀907、传动液压缸电磁阀912、扫料电磁阀915、扫料盘电磁阀916、承口托盘电磁阀917、直流开关电源和控制部分的220V电源接入端连接；直流开关电源的24V电源输出端与搅拌继电器913和控制部分的24V电源公共端连接；

所述智能人机交互模块包括按键、指示灯和触摸屏；所述按键包括启动按键、急停按键和故障复位按键，上述各个按键均与控制部分的输入端连接；所述指示灯包括通电指示灯和故障指示灯，两个指示灯与控制部分的输出端连接；所述触摸屏与控制部分通过RS232接口通讯连接，完成触摸屏与控制模块的数据交互；

所述网络数据库通过WIFI与串口服务器连接，串口服务器同时通过RS485接口与触摸屏连接，实现智能人机交互模块与网络数据库的数据传输；网络数据库内存储有制管设备当前运行的数据、长期运行数据、历史故障数据和常规故障数据及其对应的故障诊断结果，根据这些数据能够获得制管设备的运行状态，并能够将当前故障数据与预先存储的故障数据匹配，获得故障诊断结果，完成制管设备的智能故障诊断；若当前故障数据不能与预先存储的故障数据匹配，则需要人为判断故障原因，给出故障诊断结果。

在本控制***中，为了防止注料速度过快而导致动力头408旋转受阻，引起一号轴控电机405、二号轴控电机407过流损坏和***运行中断，本发明采用模糊PID控制器实现闭环控制，即通过检测一号轴控电机变频器908和二号轴控电机变频器909的反馈电流，两个反馈电流表示一号轴控电机405、二号轴控电机407输出转矩的大小，设计模糊PID控制器对传送带电机变频器914进行调控，调节传送带电机504的转速，进而调节传送带505的注料速度，使两个轴控电机恒定转矩运行；

模糊PID控制器的具体实施过程为：

1)建立控制模型：假定轴控电机的工作电压和运行速度恒定；在***额定工作点附近，不同物料湿度、粗细等因素对轴控电机的阻转矩的影响恒定，则传送带的注料速度与轴控电机的阻转矩T满足公式(1)：

T＝k·v+b (1)

式中，k、b均是与物料湿度等因素有关的常数；v表示传送带的注料速度；

根据上述假定，建立***的控制模型，如公式(2)所示：

式中，n为轴控电机的额定转速；U为轴控电机的额定工作电压；s为拉普拉斯变换的复变量；

2)确定控制器的输入量和输出量：通过定位感知模块采集轴控电机的工作电流，并计算轴控电机的额定电流(本实施例中采用45KW轴控电机，其额定电流为90A)与当前采样时刻的工作电流的误差e；然后将当前采样时刻的误差e与上一采样时刻的误差做差得到误差e_c，两个误差e、e_c即为模糊PID控制器的输入量；

为使得控制***能够根据含水量、平均粒径等参数自适应调节模糊PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d，采用模糊PID控制器的比例系数修正值△K_p、积分系数修正值△K_i和微分系数修正值△K_d作为模糊PID控制器的输出量；模糊PID控制器的输入/输出量取值如下：

将表中模糊论域中的数值表示为模糊集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊集中各个元素分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

4)确定模糊隶属度函数：所有输入量e和e_c、输出量△K_p、△K_i和△K_d对应的模糊集中元素NB和PB分别选用Z型和反Z型隶属函数构成左右边界，实现平滑过渡；中间五个元素采用灵敏度较高的三角形隶属度函数并使其均匀分布；

4)构建模糊关系：根据实际经验和控制制管设备完成相关工作的基本需求，模糊推理过程应遵循以下规则：

设定误差e的阈值为m1和m2，m1的绝对值大于m2的绝对值；当e的绝对值大于m1时，表明e的绝对值已经很大，不论e的变化趋势如何，控制器的输出值都按最大(或最小)输出，以达到迅速调整e，使e的绝对值以最大速度减小；

当e与e_c的乘积大于0或等于e_c时，说明e的绝对值朝增大的方向变化，或e为某一常值，未发生变化，此时如果e的绝对值大于或等于m2，说明e的绝对值较大，此时考虑实施较强的控制作用，即增大控制器的比例系数，减小控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝减小的方向变化，并迅速减小e的绝对值；如果e的绝对值小于m2，说明尽管e的绝对值在朝增大的方向变化，但e的绝对值本身并不很大，此时考虑一般强度的控制作用，即不改变控制器的比例系数、积分系数和微分系数，使e的绝对值朝减小方向变化；

当e与e_c乘积小于0、e_c与上一次e_c的取值的乘积大于0或e等于0时，说明e的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态，此时保持控制器的比例系数和微分系数不变，使控制器的输出量不变；

当e与e_c乘积小于0或e_c与上一次e_c的取值的乘积小于0时，说明e处于极值状态；如果此时e的绝对值大于m2，说明e的绝对值较大，此时考虑实施较强的控制作用，即增大控制器的比例系数，减小控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝减小的方向变化；如果此时e的绝对值小于m2，说明e的绝对值较小，此时考虑实施较弱的控制作用，即减小控制器的比例系数，增大控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝增大的方向变化；

当e的绝对值远小于m2时，说明e的绝对值很小，此时增大控制器的积分系数，控制器的比例系数和微分系数保持不变，以减小整个***的稳态误差。

依据以上模糊推理规则，采用取极大极小值的推理方法(Mamdani)分别求取输入量e和e_c与输出量△K_p、输入量e和e_c与输出量△K_i、输入量e和e_c与输出量△K_d的模糊关系R_p、R_i和R_d；

5)建立模糊推理机：根据步骤2)的输入量和输出量、步骤3)的模糊隶属度函数和步骤4)的模糊关系，分别建立模糊PID控制器的比例系数修正值△K_p、积分系数修正值△K_i和微分系数修正值△K_d的模糊推理机，对模糊PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行修正，调节***的注料速度，使轴控电机恒定转矩运行。

本发明采用的模糊PID控制器具备一定的自适应能力，能够根据物料含水量、平均粒径等参数自适应调节模糊PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，可有效提升控制***的注料速度和控制精度，能有效克服传统PID控制器因参数整定不良而导致的***控制性能下降问题。

本发明的工作原理和工作流程是：

按下启动按键，***进入上电自检阶段，自检项目包括工业电网缺相检测、液压泵404油温油压检测、传动液压缸401初始位置检测、传送盘103初始位置检测、承口制作装置初始位置检测和扫料盘501初始位置检测；

当上述自检项目正常的情况下，***进入正常工作阶段；将模具8放置在传送盘103上，由传送盘电机102驱动传送盘103转动180°，将模具8转移到工位上，用于模具8移入工位时传送盘103定位的限位开关检测模具8到达工位后，液压栓电磁阀902驱动液压栓101***机架6的限位孔中，实现传送盘103的锁定；扫料盘电磁阀916控制扫料盘液压缸507驱动升降盘508下降，使扫料盘501与模具8的上部紧密接触，同时扫料盘501的供气座套入模具8的受气桩，通过气缸电磁阀907给上部固定气筒402、下部固定气筒403供气，固定模具8中的钢筋笼；

传动液压缸电磁阀912控制传动液压缸401，驱动动力箱410下降至动力箱410下止位置，将动力头408伸入模具8中；在动力箱410下降过程中，分别根据各限位开关的状态调节传动液压缸电磁阀912的开度，进而调节动力箱410下降的速度；

承口托盘电磁阀917控制振动十字梁液压缸205驱动承口托盘206上升，使振动十字梁204的接触环与模具8底部的内底托盘紧密接触；通过传送带电机变频器914启动传送带电机504，驱动传送带505转动，将物料注入模具8中；然后扫料电磁阀915控制扫料液压马达503，使扫料盘501旋转，将散落的物料扫入模具8中；当物料开始注入模具8中时，启动一号底部振动电机202、二号底部振动电机203、底部转向电机201，通过振动十字梁204将振动和旋转运动传递给水泥管，完成水泥管底部的承口制作，并每间隔一段时间底部转向电机201控制振动十字梁204旋转一定角度，带动水泥管旋转，防止模具8与物料粘连；当承口制作完成后，通过承口托盘电磁阀917控制振动十字梁液压缸205泄油，使承口制作装置2下降至下止位置；

传动液压缸电磁阀912控制传动液压缸401，使动力箱410缓慢上移；与此同时，一号轴控电机变频器908、二号轴控电机变频器909分别控制一号轴控电机405和二号轴控电机407，使动力头408旋转，挤压物料，自下而上完成整个水泥管的主体塑形工作；在水泥管的主体塑形工作开始后，下部固定气筒403缩回，而随着动力箱410向上移动，当动力头408到达上部固定气筒402底部时，上部固定气筒402缩回；

当动力头408上升到插口制作装置3时，传送带505停止注料；通过一号插口制作电磁阀905、二号插口制作电磁阀906分别控制一号旋转液压马达301和二号旋转液压马达302驱动磨口盘303旋转，完成水泥管的磨口和封顶；动力箱410继续上升至动力箱410下降时的初始位置，升降盘508上升到初始位置，至此整个制管工艺完成；

最后传送盘103将水泥管成品及模具8转移到成品区，同时将成品区的模具8(成品区与工位相距180度)转移到工位上，进行下一次制管。当发生异常时，***进入故障模式，***的各个部件保持当前位置，注料装置5停止注料，触摸屏显示故障报警，***将当前的故障数据传输到网络数据库，根据网络数据库中存储的历史故障数据以及事先预存的常规故障数据进行故障诊断，并将诊断结果传回触摸屏显示；在正常停机情况下，各部件恢复到初始位置，***进入停机状态。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种立式径向挤压制管设备的控制***，其特征在于，该***包括定位感知模块、控制模块、执行模块、智能人机交互模块和网络数据库；所述定位感知模块与控制模块的输入端连接，实现信号的输入；控制模块与执行模块连接，实现控制信号的输出；所述控制模块与智能人机交互模块进行通讯连接；所述智能人机交互模块通过串口服务器与网络数据库连接，实现***的数据交互；网络数据库内存储有制管设备的当前运行数据、长期运行数据、历史故障数据和常规故障数据及其对应的故障诊断结果，使***完成制管设备的智能故障诊断；

所述定位感知模块包括限位开关、电流互感器和油温油压检测器；多个限位开关用于制管设备相应部件的定位检测；电流互感器用于控制模块的电流检测，实现***的安全保障检测；油温油压检测器用于检测制管设备的油温和油压，保障***安全、稳定运行；

所述智能人机交互模块包括按键、指示灯和触摸屏；按键包括启动按键、急停按键和故障复位按键，上述各个按键均与控制模块的输入端连接；指示灯包括通电指示灯和故障指示灯，两个指示灯与控制模块的输出端连接；触摸屏与控制模块通讯连接，完成触摸屏与控制模块的数据交互；

采用模糊PID控制器实现***的闭环控制，即通过模糊PID控制器对传送带电机变频器进行调控，调节制管设备的传送带电机的转速，进而调节制管设备的传送带的注料速度，使控制制管设备的动力头的轴控电机恒定转矩运行，防止注料速度过快而导致制管设备的动力头旋转受阻。

2.根据权利要求1所述的立式径向挤压制管设备的控制***，其特征在于，所述执行模块包括模具传送变频器、液压栓电磁阀、振动电机变频器、底部转向变频器、一号插口制作电磁阀、二号插口制作电磁阀、气缸电磁阀、一号轴控电机变频器、二号轴控电机变频器、气体泵变频器、液压泵变频器、传动液压缸电磁阀、搅拌继电器、传送带电机变频器、扫料电磁阀、扫料盘电磁阀和承口托盘电磁阀，控制模块通过执行模块的各个部件控制制管设备完成相关工作。

3.根据权利要求1所述的立式径向挤压制管设备的控制***，其特征在于，模糊PID控制器的具体实施过程为：

1)建立控制模型：假定制管设备的轴控电机的工作电压和运行速度恒定；在***额定工作点附近，不同物料湿度、物料粗细对轴控电机的阻转矩的影响恒定，则制管设备的传送带的注料速度与轴控电机的阻转矩T满足公式(1)：

T＝k·v+b (1)

式中，k、b均是与物料湿度、物料粗细有关的常数；v表示传送带的注料速度；

根据上述假定，按照公式(2)建立***的控制模型：

式中，n为制管设备的轴控电机的额定转速；U为制管设备的轴控电机的额定工作电压；s为拉普拉斯变换的复变量；

2)确定控制器的输入量和输出量：通过定位感知模块采集制管设备的轴控电机的工作电流，并计算轴控电机的额定电流与当前采样时刻的工作电流的误差e；然后将当前采样时刻的误差e与上一采样时刻的误差做差得到误差e_c，两个误差e、e_c即为模糊PID控制器的输入量；

模糊PID控制器的比例系数修正值△K_p、积分系数修正值△K_i和微分系数修正值△K_d作为模糊PID控制器的输出量；

3)确定模糊隶属度函数：所有输入量e和e_c、输出量△K_p、△K_i和△K_d对应的模糊集中的元素NB和PB分别选用Z型和反Z型隶属函数，其余元素采用三角形隶属度函数；

4)构建模糊关系：根据实际经验和控制制管设备完成相关工作的基本需求，建立模糊推理规则，并采用取极大极小值的推理方法分别求取输入量e和e_c与输出量△K_p、输入量e和e_c与输出量△K_i、输入量e和e_c与输出量△K_d的模糊关系R_p、R_i和R_d；

5)建立模糊推理机：根据步骤2)获得的输入量和输出量、步骤3)的模糊隶属度函数和步骤4)的模糊关系，分别建立模糊PID控制器的比例系数修正值△K_p、积分系数修正值△K_i和微分系数修正值△K_d的模糊推理机，对模糊PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行修正，使模糊PID控制器控制轴控电机变频器，进而调节***的注料速度，使轴控电机恒定转矩运行。

4.根据权利要求3所述的立式径向挤压制管设备的控制***，其特征在于，模糊推理规则为：

设定误差e的阈值为m1和m2，m1的绝对值大于m2的绝对值；当e的绝对值大于m1时，表明e的绝对值已经很大，此时控制器的输出量都按最大或最小输出，使e的绝对值以最大速度减小；

当e与e_c的乘积大于0或ec等于0时，说明e的绝对值朝增大的方向变化，或e为某一常值，未发生变化，此时如果e的绝对值大于或等于m2，说明e的绝对值较大，此时考虑实施较强的控制作用，即增大控制器的比例系数，减小控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝减小的方向变化，并迅速减小e的绝对值；如果e的绝对值小于m2，说明尽管e的绝对值在朝增大的方向变化，但e的绝对值本身并不很大，此时考虑一般强度的控制作用，即不改变控制器的比例系数、积分系数和微分系数，使e的绝对值朝减小方向变化；

当e与e_c乘积小于0、e_c与上一次e_c的取值的乘积大于0或e等于0时，说明e的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态，此时保持控制器的比例系数和微分系数不变，使控制器的输出量不变；

当e与e_c乘积小于0或ec与上一次e_c的取值的乘积小于0时，说明e处于极值状态；如果此时e的绝对值大于m2，说明e的绝对值较大，此时考虑实施较强的控制作用，即增大控制器的比例系数，减小控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝减小的方向变化；如果此时e的绝对值小于m2，说明e的绝对值较小，此时考虑实施较弱的控制作用，即减小控制器的比例系数，增大控制器的积分系数，控制器的微分系数保持不变，使e的绝对值朝增大的方向变化；

当e的绝对值远小于m2时，说明e的绝对值很小，此时增大控制器的积分系数，控制器的比例系数和微分系数保持不变，以减小整个***的稳态误差。

Images