基于可編程邏輯控制器和NI技術(shù)的輾環(huán)機(jī)控制方案

作者： Nak Moon SUNG - Caltec Inc.

對于我們以前的軋制控制系統(tǒng)，我們無法通過可編程邏輯控制器（PLC）來控制氣壓缸的通信和反應(yīng)速度，而必須使用一種昂貴的PLC傳感器通信模式與位置控制傳感器進(jìn)行通信。因此，我們希望找到一種低成本的通信方式。

系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)和CompactRIO 輾環(huán)機(jī)的基本通信架構(gòu)如圖1所示。

圖1.系統(tǒng)模塊架構(gòu)

硬件組成

硬件系統(tǒng)基于CompactRIO硬件平臺，該系統(tǒng)由以下部件組成：

1. 用于TCP/IP通信協(xié)議和比例微積分（PID）控制的NI cRIO-9074實(shí)時(shí)控制器

2. 用于位置傳感和簡單傳感接口通信的NI 9411 和 NI 9401 C系列數(shù)字輸入模塊

3. 用于壓力傳感測量的NI 9219 C系列模擬輸入模塊

4. 用于比例閾控制的NI 9263 C系列模擬輸出模塊

圖2.CompactRIO系統(tǒng)

用戶界面

主機(jī)計(jì)算機(jī)有一個(gè)常見的、易于使用的操作系統(tǒng)，我們采用NI LabVIEW圖形開發(fā)平臺進(jìn)行更快速的用戶界面開發(fā)。我們使用TCP/IP通信協(xié)議來完成CompactRIO 硬件系統(tǒng)和可編程邏輯控制器間的大量數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，幫助我們迅速確認(rèn)輾環(huán)機(jī)的狀態(tài)和控制信息。

圖3.用戶界面

FPGA （SSI 通信）程序

為了控制輾環(huán)機(jī)的氣壓缸，我們使用NI 9401和NI 9411模塊進(jìn)行簡單傳感器接口通信，NI 9219模塊用于模擬輸入傳感器負(fù)荷，NI 9263模塊用于模擬輸出，并執(zhí)行相應(yīng)的PID控制。

圖4.FPGA SSI 程序

輾環(huán)機(jī)

環(huán)形輾環(huán)機(jī)不同于常規(guī)級輾環(huán)機(jī)，其通過在兩個(gè)方向上同時(shí)軋制——徑向和軸向，循環(huán)操作成要求的圓環(huán)大小。環(huán)形旋轉(zhuǎn)使用直流或交流電機(jī)。整個(gè)輾環(huán)機(jī)的徑向/軸向軋制和移動系統(tǒng)都使用壓力系統(tǒng)。一般來說，壓力系統(tǒng)可以工作在高速模式下，傳輸人工模式下的設(shè)備，也可以工作在低速模式下，在低速模式下，精確地控制軋制時(shí)的每個(gè)部分。

輾環(huán)機(jī)采用六個(gè)氣壓缸——心軸，excel任務(wù)，excel平衡，左/右，居中，和excel滑動——用于位置控制。所有這些氣壓缸使用簡單接口通信方式定位傳感器和使用比例閾來執(zhí)行控制。

我們使用FPGA將簡單傳感接口通信方式的位置傳感負(fù)荷轉(zhuǎn)換為模擬負(fù)荷。我們使用CompactRIO系統(tǒng)同時(shí)操作六個(gè)氣壓缸，以控制位置和自動化軋制過程。通過這種方式，計(jì)算機(jī)只顯示用戶需要的信息，F(xiàn)PGA和CompactRIO系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)際軋制控制。為了讓用戶通過計(jì)算機(jī)來監(jiān)視軋制過程，CompactRIO系統(tǒng)必須發(fā)送軋制數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)。如果軋制數(shù)據(jù)量太大的話，就需使用所用權(quán)變更，使得通信速度就會降低，這就需要通過使用TCP/IP通信協(xié)議來解決。

圖5.輾環(huán)機(jī)

圖6.軋制操作

圖7.控制箱

選擇NI 解決方案的理由

我們選擇使用NI產(chǎn)品的理由，可以列為如下：

* 通信速度快，可靠性高

* 可定制的高速線性化處理邏輯單元

* 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

* 可以獲得NI公司工程師的技術(shù)支持

結(jié)論

對于常規(guī)輾環(huán)機(jī)，可編程邏輯控制器發(fā)送流信號給比例閾，但只執(zhí)行流控制信號。在這種情況下，軋制速度的變化取決于其材料，質(zhì)量和測量，即使可編程邏輯控制器發(fā)送相同的流信號，軋制速度也會變化。因此，要使軋制過程完全自動化是很困難的，特別是在居中軋制的情況下。在現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)情況下，當(dāng)完成流信號次序值之后，位置值與當(dāng)前的位置傳感值作對比。然后，使用可編程邏輯控制器，將位置值發(fā)送給比例閾，這樣對于用戶控制位置就更為困難了。

使用 NI 公司的解決方案，位置次序值通過CompactRIO系統(tǒng)獲得，并與通過FPGA得到的當(dāng)前位置傳感的值進(jìn)行比較。使用PID來控制比例閾意味著與計(jì)算機(jī)間的通信是不必要的，使得高速率的和精確的控制成為可能。

將位置傳感的SSI通信值轉(zhuǎn)換為模擬值的成本很高，但是如果改為使用NI 公司的實(shí)時(shí)解決方案，通信速度和可控制性就會得到改善。此外，現(xiàn)在我們可以通過使用比例閾來控制氣壓缸的位置，并可以使軋制過程完全自動化。因?yàn)樵摻鉀Q方案不需要使用轉(zhuǎn)換器，價(jià)格變得可以接受。NI的解決方案既降低了成本的開銷，又使位置控制成為可能。

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