西门子模块6ES7223-1BL22-0XA8介绍说明
1. PID控制
在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：
1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID约占总控制回路数的90%左右。
2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。
3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。
2. PLC实现PID控制的方法
如图6-35所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：
图6-35 用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图
1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。
2）使用PID功能指令。现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。
3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和PID控制指令，有时有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。
3. FX2N的PID指令
PID指令的编号为FNC88，如图6-36所示源操作数［S1］、［S2］、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，［S3］~[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器。
图6-36 PID指令
PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数（见表6-3）设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。
表6-3 PID控制参数及设定
PID指令可以多次使用，用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。
PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，应将［S3］＋7清零（采用脉冲执行的MOV指令）之后才能使用。
控制参数的设定和 PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为ON，错误代码存放在D8067中。
PID指令采用增量式PID算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。
PID控制是根据“动作方向”（[S3]+1）的设定内容，进行正作用或反作用的PID运算。PID运算公式如下：
以上公式中：△MV是本次和上一次采样时PID输出量的差值，MVn是本次的PID输出量；EVn和EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差，SV为设定值；PVn是本次采样的反馈值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分别是本次、前一次和前两次滤波后的反馈值，L是惯性数字滤波的系数；Dn和Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；Kp是比例增益，T S是采样周期，T I和T D分别是积分时间和微分时间，αD是不完全微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。
4.PID参数的整定
PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和TS需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。
在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数Kp越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；对于大多数系统，K p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，消除稳态误差的速度减慢。
微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数TD增大时，超调量减小，动态性能得到改善，抑制高频干扰的能力下降。
选取采样周期TS时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。TS太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，也不宜将T S取得过小。
摩擦压力机是现代工业早出现的螺旋压力机，它控制水平低，打击能量无法准确控制，但具有结构简单，价格低廉，技术成熟的优点，在我国应用十分广泛，仍具有很大的市场。传统的摩擦压力机控制方案一般是采用5个行程开关控制压力机打击过程中的上止点、下止点、安全打击脱盘点、回程加速提升脱盘点和回程刹车制动点；目前采用较多的是利用时间继电器定时控制打击靠盘时间的方案。这些方案对打击能量的控制都只是定性的，无法准确计算和控制运动部分能量。也有基于工业计算机的复合式摩擦压力机控制系统，但不具有通用性。
为了提高这类螺旋压力机的控制水平和自动化程度，实现打击能量可准确控制，并满足日趋复杂的工艺需要，本研究以JB53—630型摩擦压力机为例，开发了以西门子$7-200PLC为核心、以触摸屏为人机界面的控制系统，将控制、监视和管理功能集成起来，通过人机界面设定打击行程和打击能量，可以实现一打、手动二打、手动三打、自动二打、自动三打等工艺需求，并且兼容了传统的脚控打击功能。
1 工作原理
摩擦压力机主机主要由以下几部分组成：机身、滑块、主螺杆、主螺母、飞轮、制动器、摩擦盘和操纵缸等。其工作原理如下：主螺杆的上端与飞轮固接，下端与滑块相连，由主螺母将飞轮与主螺杆的旋转运动转变为滑块的上、下直线运动。电动机经皮带轮带动摩擦盘转动。当向下行程开始时，横轴右端的操纵气缸进气，推动摩擦盘压紧飞轮，搓动飞轮旋转，滑块下行，此时飞轮加速并获得动能。在冲击工件前的瞬间，摩擦盘与飞轮脱离接触，滑块以此时所具有的速度锻压工件，释放能量直至停止。锻压完成后，开始回程，此时，横轴左端的摩擦盘压紧飞轮，搓动飞轮反向旋转，滑块迅速提升；至某一位置后，摩擦盘与飞轮脱离接触；滑块继续自由向上滑动，至制动行程处，制动器动作，滑块减速，直至停止，即完成一次工作循环。
2 硬件结构
控制系统硬件选型的原则是确保设备的稳定、可靠和长寿命运行。确保执行机构具有快速的响应，并且具有友好的人机交互界面。本文以西门子S7—200可编程控制器为核心，以西门子K—TP178触摸屏为人机界面，再加上外围的传感器检测、执行机构、信号输入输出等组成一个典型的通用数控系统，其结构如图1所示。
要提高摩擦压力机的控制水平和控制精度，重要的是实现运动部分的能量检测。运动部分的能量主要来自于飞轮等转动部分的旋转运动动能。飞轮的动能又取决于飞轮的惯量和转速，惯量在设计时即已确定，而转速则可以通过单位时间内滑块的位移求出。滑块位移检测是控制系统实现打击能量控制的为关键的参数。
这里滑块位移检测由滑块通过皮带轮带动旋转编码器旋转来实现，即将滑块的直线运动通过皮带轮同步装置转换成旋转编码器的旋转运动，编码器输出的脉冲再由S7—200的高速计数口读出。经过转换后，得到滑块的位移，通过单位时间内滑块的位移即可得到飞轮的转速，也就可计算出运动部分的准确能量。
执行机构主要指打击气阀、提升气阀、制动气阀和顶料气阀等，它们频繁动作并直接决定了摩擦压力机的控制精度。这里采用固态继电器替代传统的中间继电器控制的方案，可以极大地提高执行机构的响应速度，并且因为固态继电器为无触点开关，电气寿命也可以获得极大的提高。
系统中采用5个接近传感器作为行程控制开关，当工作方式选择为脚控打击模式时，操作方式与传统摩擦压力机控制系统的脚控打击模式一致，这样提高了控制系统的冗余性。
触摸屏已成为可编程逻辑控制器(PLC)的佳人机对话工具，系统中人机界面通过组态触摸屏实现，辅以外围丰富的按钮输入控制、信号指示灯输出和故障信号检测，使得控制系统具有直观、友好的人机交互能力，使用方便，维护简单。
3 软件结构
控制系统软件采用结构化、模块化设计。为保证系统的实时性，并兼顾PLC的运算能力，设置一个合适的定时周期程序负责采集系统输入信号和滑块位移编码器信号，触发实时参数的计算，并根据实时参数和控制指令判断系统状态，触发执行机构产生相应的动作；实时的信号处理、故障检测和事件信息处理循环扫描执行，使系统能及时收发指令，可靠保护设备。
3.1 能量控制原理
螺旋压力机能量的大小是由飞轮等运动部件在接触工件前所具有的大能量而定，此能量可表示为
式中：Et为运动部分具有的能量；J为飞轮等转动部分的转动惯量和；w为飞轮角速度；m为滑块等运动部分质量；v为滑块速度。式中右边项为旋转运动动能，第二项为直线运动动能。由于螺旋压力机滑块速度较低，多为0.6～0.7m／s左右，直线运动动能数值很小，一般只占总能量的1％～3％。实际中，常将直线运动部分动能忽略。
在螺旋机构中，转动角速度ω与滑块速度v的关系为ω=2π(v／h)，式中h为螺杆导程。要控制打击能量可通过控制滑块运动速度实现。
3.2 能量控制算法
滑块运动时带动同步带运动，与同步带配合的皮带轮通过联轴节带动旋转编码器旋转，从而将滑块的直线运动转换为编码器的旋转运动，即将要测量的非电量信号(滑块位移)转换成电信号(编码器脉冲)。将脉冲信号输入PLC的高速计数口，每个定时中断周期读取一次编码器脉冲读数，即可得到滑块的实时位移和实时速度。
单位脉冲对应的位移量S=πD／P，式中：D为同步轮节圆直径；P为编码器分辨率。
每次系统上电或更换模具后，执行一次合模对零操作，将系统的零点设置为上、下模合模处，滑块位移S=nSp，式中n为编码器脉冲读数。同理，滑块速度u=△s／T，式中：舢为该周期滑块位移变化量；T为定时周期长度。
后，由滑块速度可得到飞轮的转速，在知道飞轮惯量的情况下，即可计算出此时运动部分具有的能量。当该能量达到预选能造时，打击气缸释放，打击盘脱开，滑块惯性下滑打击工件。
实际中。为了精简程序，减少CPU的计算量，在通过人机界面设定好预选能量后，软件即根据设定的打击能量计算出该能量对应的滑块目标速度，再得到该速度对应的一个定时周期的脉冲读数差值。这样，打击下行过程中，每周期测得的脉冲读数差值直接与此目标差值比较，当实际值大于目标值时，即代表运动部分已达到了设定的预选能量，迅速发出打击盘脱开指令。
3.3 打击动作流程
在一个打击动作流程中，执行机构的动作如下：得到打击命令后，刹车释放，打击盘靠紧，搓动飞轮旋转，滑块下行；此时飞轮加速，当检测到滑块达到预选能量对应的目标速度时，打击盘脱开，滑块惯性向下，以此时所具有的速度锻压工件，释放能量直至停止；锻压完成后，开始回程，提升盘压紧飞轮，搓动飞轮反向旋转，滑块迅速提升；至某一位置后，提升盘脱开；滑块继续惯性向上滑动，至制动行程处，刹车，滑块减速。直至停止，动作完毕。该过程的滑块行程一时间曲线示意图如图2所示。
软件中，除了打击行程和打击能量可设定外，下行过程中的打击安全脱盘距离和回程过程中的提升加速距离、提前刹车距离等均可设定，分别用于保证设备安全和回程位置准确．打击下行流程图如图3所示．打击回程流程图如图4所示。
3.4 人机界面
人机界面用于设定系统、运行参数和显示实时参数。界面包括主显信息画面、参数设置画面、故障信息画面和设备信息画面；用户管理通过口令赋予操作者不同的权限，较低的权限无法修改参数，这样可以保证参数安全。
主显信息画面显示的内容包括当前打击模式、设定打击行程、预选打击能量、实时滑块位移、实际打击能量、累计打击次数以及系统提示信息等。参数设置画面可设置基本参数和参数。基本参数包括设置打击行程、打击能量、打击下行安全脱盘距离、回程提升脱盘距离比例、回程提前刹车距离、润滑间歇工作时间和自动顶料延时等；参数包括提升电机和打击电机星三角启动时间、飞轮惯量、主螺杆导程和编码器分辨率等。故障信息画面可提示用户设备故障信息和可能原因等，如滑块超程报警、润滑缺油报警；若安装了吨位指示器，则还可显示设备超载报警。设备信息画面显示的内容有设备额定压力、标称能量、大小打击行程、小装模高度等。
本研究以JB53—630型摩擦压力机为例，开发了基于S7—200的可能量预选的摩擦压力机数控系统。该数控系统已成功应用于JB53—630型和JB53—160型双摩盘螺旋压力机系统，实践证明，该系统可以通过触摸屏设定打击行程和预选打击能量，可以实现一打、手动二打、手动三打、自动二打、自动三打等工艺需求，并且兼容了传统的脚控打击功能，以较低的成本显著提高了摩擦压力机的控制水平和自动化程度，工艺适应面更广。由于打击能量可控，通过预选合适的能量对锻件进行打击，可有效降低模具承受的多余能量，从而提高模具寿命。该系统可以很方便地配合自动上、下料机构、自动喷石墨机构等外设构成压力机自动化生产线，大大减少工人的劳动重复性和劳动强度，提高产品一致性。