摘 要 簡要闡述了PLC 結合電液比例閥在數控軋輥磨床工件頂持控制中的應用，其中主要闡述了控制原理、硬件功能、介紹了機床頂持控制的設計，主要電氣元件的選型等，使軋輥磨床的頂持力在磨削工件時，達到可控，避免因頂持力過大而使工件磨削精度走失。
軋輥是鋼鐵行業用于鋼板軋制的關鍵零件，數控軋輥磨床是專門用于冶金、造紙、橡膠、印機等行業，磨削各類工作輥及支承輥、各種壓機的金屬、非金屬壓延輥等的專用磨削加工設備。因軋輥磨削過程中需磨削圓柱形、圓錐形、輥面、輥頸、中凸、中凹、正弦曲線，拋物線、弧線、CVC 曲線等各類曲線，且要求精度很高，磨削過程大多通過機床頭架及尾架對軋輥進行頂持磨削。在此過程中，一方面需要保證軋輥在頂持過程中的安全，另一方面，需要控制軋輥在頂持過程中的變形以避免由變形引起的工件磨削精度走失。所以，控制對軋輥的頂持力度將直接影響軋輥的加工安全及加工精度，數字式電液比例閥就是理想的控制元件。數字式電液比例閥是20 世紀80 年代初發展起來的可用計算機實現電液比例控制的新型元件，主要包含數字式流量閥、數字式壓力閥、數字式方向流量閥等類型。電液比例閥控制同開關控制相類似，用電液比例閥的電磁鐵代替機械轉動手柄，將電信號變為壓力或位移信號。由于電液比例閥具有較強的抗污染能力，控制精度及可靠性較高，所以其廣泛適用于現代液壓控制系統中。可編程控制器PLC與電液比例閥的組合，非常適合于軋輥的頂持力控制，其能夠根據工件頂持情況進行實時調整，由電液比例閥控制數控軋輥磨床對工件頂持力控制，可以大大改善系統性能，具有反應靈敏、控制精確、
自動化程度高等特點。
1 、電氣控制系統及硬件結構
機床數控系統采用SIEMENS 840D 系統，并集成SIEMENS S7-300 PLC 機床狀態實施監控并進行機床動作控制，根據機床控制的要求，機床頂持控制設計選用圖1 所示的控制方案。
圖1 電氣控制系統及硬件結構
由圖1 可見，該系統的控制核心是SIEMENSS7-300 PLC，其主要負責控制系統的數據采集、濾波、數據處理、驅動輸出等功能。在整個頂持執行過程中，CPU 將給定的控制量通過模擬量模送給電液比例閥，電液比例閥根據電壓值控制液壓缸的輸出壓力，頂持壓力反饋傳感器的反饋信號輸入電液比例閥，實現電液比例閥的閉環控制。
2 、具體系統設計
2.1 主要液壓元器件選型
伺服液壓缸作為動力元件，承受負載并實現往復運動。此處考慮頂持動作需通過尾架套筒的伸縮動作來實現，在此選用單桿雙作用液壓缸，其活塞兩個腔體的面積為1:2，選擇和計算液壓缸的參數為： 最大頂持力2 0 0 kN； 液壓缸前
的電液比例閥額定流量為200 L/min。
2.2 主要電氣元件選型
根據實際工況及系統性指標要求和對應的液壓元器件選型，電氣控制系統采用德國SIEMENSP7-300 PLC 系統 ，其具體選型如下：
（1）控制單元：CPU314 附帶256KB 儲存卡。
（2）數字輸入模塊：SM321 模塊，具有16 點的24V DC 輸入接口。
（3）數字輸出模塊：SM322 模塊，具有16 點的24V DC 輸出接口。
（4）模擬量輸入模塊：SM331，具有16 位AD精度，1ms 采樣速度的四通道模擬輸入接口。
（5）模擬量輸出模塊：SM332，具有12 位AD精度，1ms 轉換周期的2 通道模擬輸出接口。
2.3 系統控制設計
系統控制設計含兩部分內容，上位機界面操作控制和下位機PLC 控制軟件 。
首先，為實現上位機界面操作控制，我們在數控軋輥專用磨削OEM 軟件的基礎上進行了改動，界面采用VB 及C++聯合開發，在原有界面的基礎上增加了尾架頂持力設定窗口，如圖2 所示，
圖2 數控軋輥磨床OEM 操作軟件及頂持控制后臺程序
其次，下位機PLC 控制，主要完成液壓缸的驅動工作。該程序主要在OB35 循環中斷組織塊中運行（中斷周期100ms），各參數格式見表1。
Block: OB35 "Cyclic Interrupt"
CALL "CONT_C" , DB255
COM_RST :=
MAN_ON :=M255.0
PVPER_ON:=
P_SEL :=
I_SEL :=
INT_HOLD:=
I_ITL_ON:=
D_SEL :=
CYCLE :=T#100MS
SP_INT :=MD256
PV_IN :=MD258
PV_PER :=
MAN :=MD260
GAIN :=MD262
TI :=MD264
TD :=
TM_LAG :=
DEADB_W :=MD266
LMN_HLM :=
LMN_LLM :=
PV_FAC :=
PV_OFF :=
LMN_FAC :=
LMN_OFF :=
I_ITLVAL:=
DISV :=
LMN :=
LMN_PER :=
QLMN_HLM:=
QLMN_LLM:=
LMN_P :=
LMN_I :=
LMN_D :=
PV :=
ER :=
表1 OB35 循環中斷組織各參數格式表
通過以上程序段對各給定控制量以及控制信息的處理，PLC 完成了對電液比例閥的控制工作[4]。其具體程序原理如圖3 所示，由壓力反饋檢測模塊、曲線發生器模塊和PID 運算模塊組成。圖3中，SP 代表壓力曲線設定值，PV 代表實際壓力反饋值，V1 表示點運動的速度值，Ts 是控制時間間隔，V 是自動運行時速度增量值，PIDOUT 為PID
控制運算輸出值，Pout 為PID 控制運算的比例控制項值，Iout 為PID 控制運算的積分控制項值，Dout為PID 控制運算的微分控制項值，Kp 為比例控制參數，Ki 為積分控制參數，Kd 為微分控制參數，e(t)為誤差，e(t)= SP-PV。其中，壓力反饋檢測模塊負責將液壓缸的實時壓力情況反饋給控制器，實現由模擬數據到數字數據的轉換[5]；曲線發生器模塊由點動運行曲線發生器和自動運行曲線發生器組成，分別給出點動運行和自動運行時的液壓缸指令曲線；PID 運算模塊則根據指令曲線與實際運行曲線誤差，給出電液比例閥的控制輸入。
圖3 PLC 控制軟件原理
3 、結語
隨著當前世界經濟的發展和生產的提高，人們開始對機床的多功能和先進性的要求越來越高，高速、高效、智能化、精確化是相當長一段時間機床行業發展的方向，數控軋輥磨床作為鋼鐵、冶金行業的主要精加工設備，其頂持機構的好壞直接關系到軋輥磨削質量。根據以上方案設計的PLC 和電液比例閥控制數控軋輥磨床工件頂持機構，經試驗與實際應用測試，達到性能指標，整個系統穩定性高、抗干擾能力強,響應速度快,自動化程度高。該系統已在生產現場運行三年,系統運行良好,持續為用戶創造著較好的經濟效益。
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