专利名称：生产金属制品的多道次联动设备控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多道次联动设备控制器，属于金属制品生产的电动控制设备。
背景技术：
在众多的传统行业、新兴行业中，需要一种多机械传动机构一起联动的设备，例如造纸业的造纸机、金属制品的拉拔设备，机械加工业的数控机床，冶金业的轧机，这些设备在产品生产过程中对产品的质量起着至关重要的作用，同时也是产品能否进行深度加工的关键。图1为用于金属生产的N道次联动设备示意图，其中收卷机为成品收卷用，不作为普通的道次，所以图1为N道次。每一道次主要有变频器、电机、机械连接到压辊或者卷筒(简称辊/筒)、机台信号、调谐器信号。机台信号包括单机运行信号、左联动信号、右联动信号、切除信号、制动信号和安全信号，这些信号输入到控制器，由控制器给出相应的命令使变频器或其它执行元件完成相应的动作。调谐器是为检测位置或张力而设置的，它协调了相邻两道次的工作速度关系。由多道次组成的联动设备，其相邻道次之间存在着一定的速度比例关系，以保证协调工作。例如图1中，从材料进入A点经过辊/筒1后到B点、经过辊/筒2后到C点、经过辊/筒3后到D点、经过辊/筒4后到E点、经过辊/筒5后到F点、经过辊/筒6后到F点、然后到H点最后到收卷机，然而目前的联动设备控制器还不能很好地实现多道次的协调工作，极大地影响了生产和设备使用率。另外，数据处理在联动设备控制器中是一种非常重要的内容，常用有两种模式一种模式为模拟量输入输出和开关量的输入输出模式，另一种为现场总线模式。目前的联动设备控制器只能采用两种模式中的一种，而不能同时提供此两种模式，给用户的使用带来了不便。
(三)实用新型内容为了克服已有的多道次联动设备控制器的数据交换与传输使用不方便的不足，本实用新型提供一种数据处理选择现场总线模式或者模拟量输入输出和开关量的输入输出模式，给用户的使用带来极大的方便的生产金属制品的多道次联动设备控制器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种生产金属制品的多道次联动设备控制器，包括用于完成整个联动设备的一切数据处理、交换和命令的微处理器，用于为微处理器及其它模块提供供电电源的电源模块，用于对联动设备的运行参数进行设定的键盘，所述的电源模块连接微处理器模块及其它模块，所述的键盘连接微处理器，所述的控制器还包括用于给定各道次的单机运行信号、左联动信号、右联动信号、切除信号、制动信号、安全信号和其它整机命令信号的开关输入模块，用于给定各道次的执行设备的运行信号和机械刹车元件的动作信号的开关输出模块，用于各道次的位置或张力模拟参量的输入的模拟输入模块，用于给定各道次的外围执行设备的速度电压的模拟输出模块，用于连接外围输入设备与微处理器、外围执行设备与微处理器，形成数据传输和数据交换通道的现场总线模块，外围输入设备包括总线端口、外部输入开关量、外部输入模拟量；外围执行设备包括总线端口、开关量输出、模拟量输出；所述的现场总线模块通过现场总线与外围输入设备的总线端口连接，与输出设备的总线端口连接；所述的现场总线模块连接微处理器，所述的外围输出设备的总线端口分别连接所述的外部输入开关量、外部输入模拟量，所述的外围执行设备的总线端口连接所述的开关量输出、模拟量输出；所述的开关输入模块连接所述外部输入开关量，所述的模拟输入模块连接所述外部输入模拟量；所述的开关输出模块连接所述开关量输出，所述的模拟量输出模块连接所述的模拟量输出。
进一步，所述的控制器包括4个开关输入模块、2个开关输出模块、2个模拟输入模块、2个模拟量输出模块。
再进一步，所述的开关输入模块包括24个接点，24个接点通过24个光藕TLP521隔离后，输入到3个74HC373，通过内部数据总线连接微处理器，4个模块共96开关量输入节点，各个输入节点对应于各个道次的单机运行信号、左联动信号、右联动信号、切除信号、制动信号和安全信号；所述的开关输出模块包括16个接点，16个接点通过16个达林顿光藕PS2732隔离后输出，2个模块共有32开关量输出节点对应于各道次的执行设备的运行信号和机械刹车元件的动作信号；所述的模拟输入模块包括8个接点，8个接点经过电阻分压连接微处理器的A/D入口，2个模块共有16模拟量输入节点对应于各道次的位置或张力模拟输入；所述的模拟输出模块包括8个接点，8个接点连接微处理器模块的PWM滤波产生接口，2个模块共有16模拟量输出节点对应于各道次的执行设备的速度电压给定；所述的现场总线模块由微处理器CAN总线端口产生。
更进一步，所述的现场总线模块与上位机通讯连接。
或者是，所述的总线模块与触摸屏通讯连接。
所述的开关输入模块与微处理器的内部数据总线连接。
所述的开关输出模块与微处理器的内部数据总线连接。
所述的外围执行设备为变频器。
本实用新型的有益效果主要表现在(1)数据处理可以是模拟量输入输出和开关量的输入输出模式，也可以为现场总线模式，还可以是这两种模式的组合，这些都可以通过键盘设置，给用户的使用带来了极大的方便；(2)实现多道次协调工作，增加联动设备的运行时间和工作效率，降低了生产成本；(3)方便地与电气设备连接，组成联动设备的电气控制系统，提高设备安装与调试效能；(4)控制器的输入输出节点含义和功能通过键盘可以任意定义，极大限度地满足不同类型的输入输出设备或元件的需求；不同类型的设备与元件可以方便与控制器连接，发挥其功效；(5)能够与触摸屏、上位机通讯，极大地方便了用户的使用，提高了自动化程度；(6)控制器各模块与CPU的有效组合(7)采用现有的POC模块，成本较高，而本实用新型采用单片机模块，成本很低。
图1是联动设备工作示意图。
图2是控制器结构图。
图3是控制器组成与外围设备示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图2、图3，图2给出了整个控制器的组成模块，控制器包括4个开关量输入模块、2个开关量输出模块、2个模拟量输入模块、2个模拟量输出模块、1个总线模块、1个微处理器CPU、1个开关电源和1个键盘。除CPU和开关电源、键盘外，其它接口可以由用户根据需要来选择使用，选择的方法通过键盘设定即可。其中每一个开关量输入接口有24个接点，24个接点通过24个光藕TLP521隔离后，输入到3个74HC373，通过内部数据总线被CPU读取，4个接口共有96开关量输入节点用于各道次的单机运行信号、左联动信号、右联动信号、切除信号、制动信号、安全信号和整机命令信号的输入，满足了设备对开关量输入节点数量的要求；每一个开关量输出接口有16个接点，通过内部数据总线由CPU写入2个74HC373，16个接点通过16个达林顿光藕PS2732隔离后输出，2个接口共有32开关量输出节点用于各道次的执行接口(例如变频器)的运行信号和机械刹车元件的动作信号，满足了设备对开关量输出节点数量的要求；每一个模拟量输入接口有8个接点，经过电阻分压直接到CPU的A/D入口，2个接口共有16模拟量输入节点用于各道次的位置或张力模拟输入，满足了设备对模拟输入节点数量的要求；每一个模拟量输出接口有8个接点，由PWM产生滤波后为模拟信号，2个接口共有16模拟量输出节点用于各道次的执行单元(例如变频器)的速度电压给定，满足了设备对模拟输出节点数量的要求；现场总线接口利用CPU中的CAN总线，可以很方便地连接输入输出设备、元件的数据传输和数据交换，只要输入输出设备、元件具有总线接口，非常方便地进行连接，现场总线接口还可以与上位机进行通讯，为电子管理提供了必要的条件，现场总线接口还能够与触摸屏通讯，方便了用户的使用，提高了自动化程度；CPU是控制器的核心，完成一切的数据处理、交换和命令；开关电源为整个控制提供电源；键盘是由单片机、按键等组成，用于参数设定并保存在EEPROM(24LC08)中，可以设定输入输出的开关量的含义和输入输出的模拟量含义，也可以设定现场总线接口的工作状况，还可以设定哪些开关量通过节点来输入输出的，哪些开关量通过现场总线来读取或输出的；哪些量通过模拟节点来输入输出的，哪些量通过现场总线来输入输出的。所有的这些能够灵活设定，极大地方便了用户，用户可以根据输入输出设备或元件的具体情况，做出相应的设定。
为了便于理解，把图1中的变频器输入输出信号、调谐器信号、机台输入输出信号进行统一分类，结合图2的控制器组成图，图3给出了控制器与外围输入设备或元件部分和外围执行设备或元件的连接。另外，控制器能自动实现运行道次的速度协调关系，极大地增加了联动设备的运行时间和工作效率，降低了生产成本。
参照图3，联动设备是一种典型的机电一体化产品，在金属制品的生产中，其功能是把截面较大的金属材料通过多道挤压(或模径逐道次细小的模子)加工成各种不同规格的截面较小的金属材料。工作时，各道次的辊/筒是由交流电机通过传动机构驱动的，而交流电机的运行是由变频器来控制的，因此，辊/筒的运行速度实际上是由送给变频器的速度给定电压值来决定的。
辊/筒的速度要求很精密，要严格保证各道工作过程的金属材料秒体积流量相等SiVi＝Si-1Vi-1(1)式(1)中Vi-第i道金属材料的线速度；Si-第i道金属材料的截面积。根据压缩率的定义Vi-1＝(1-qi)Vi(2)设ni为对应异步电动机的转速，它与Vi之间有一定的比例关系，当稳定工作时Vi＝2πRi·ni/Ci(3)式(5)中，Ci为第i道电动机至辊/筒的传动比，Ri为第i道辊/筒的半径。
根据式(2)、(3)，相邻两道次的电动机速度关系为(1-qi)·2πRi·ni/Ci＝2πRi-1·ni-1/Ci-1(4)即ni-1＝(1-qi)Ci-1·Ri·ni/(Ci·Ri-1) (5)设Ki-1＝(1-qi)Ci-1·Ri/(Ci·Ri-1)，理想情况下
ni-1＝Ki-1·ni(6)Ki-1为理想情况下的第i-1道次的电机速度与第i道次的电机速度比值，由于ni与相应变频器的速度给定电压Gi之间也有一定的比例关系，上式也可以写成Gi-1＝Ki-1·Gi(7)式(6)、(7)中，对于已经设计制造完毕的联动设备来说，各道次辊/筒半径Ri和传动比Ci是不变的，故Ki-1随着压缩率qi的变化而变化。此时要考虑两种情况(1)在设计设备时，一般会根据金属工艺，给出各道次理想的压缩率；(2)工作过程中，压缩率将根据实际的情况有所调整，或者在工作过程中也会出现偏差现象，于是，实际工作过程中的压缩率不同于理想压缩率，两者之间有一定的差异。这两种情况，在控制器设计中也要有所体现，以达到联动设备能够良好工作的目的。据此，可对式(7)、(8)进行优化，不妨设qi为第i道理想的压缩率，则Ki-1为理想压缩率qi时的系数，当实际压缩率与理想压缩率不一致或实际压缩率发生变化时，则式(8)、(9)可分别表示为ni-1＝Ki-1·ni+Δni-1(8)Gi-1＝Ki-1·Gi+ΔGi-1(9)式(6)、(7)表明了联动设备相邻两道次之间的速度存在着某种的比值关系，而式(8)、(9)则表明了当外界条件(比如压缩率)发生变化时，这种比值关系不再恒定，前一道次的速度或速度给定量可以表示成后一道次的速度或速度给定量乘以比例系数与相应偏差量之和，这就给控制器设计一种启示，以N道次为例，第N道次为最后一道次，它的辊/筒速度决定了成品材料的生产速度，因此这一道次的电机旋转速度往往由操作台直接给定，第N-1道次的电机旋转由第N道次的电机旋转速度乘以比例系数加上第N-1道次的偏差量，其它依此类推。
从图1可以看出，相邻的两个辊/筒之间，存在着一个活动的调谐器，放置调谐器的目的就是为了协调两个辊/筒速度的，在每个调谐器处都装有位置或张力传感器，用来检测调谐器的位置或张力，一般来说，当金属材料没有张紧时，调谐器依靠自身的反力向外运动(图1中的向下箭头方向)，当金属材料张紧时，调谐器则被金属材料拉向内运动(图1中的向上箭头方向)。调谐器的运动范围是有最里和最外极限的，一般调谐器的中间位置为金属材料工作的最佳位置，电气控制时同样要把中间位置作为控制的目标位置。以辊/筒N、辊/筒N-1、调谐器N-1三者的关系为例，运行时，当调谐器N-1位置偏外时，说明辊/筒N-1的运行速度比辊/筒N快，通过控制算法，要降低辊/筒N-1的速度；反之，当调谐器N-1位置偏内时，说明辊/筒N-1的运行速度比辊/筒N慢，通过控制算法，要提高辊/筒N-1的速度。这样，可以始终保持调谐器N-1在中间位置。同样，以辊/筒3、辊/筒4、调谐器3三者的关系为例，当调谐器3位置偏外时，说明辊/筒3的运行速度比辊/筒4快，通过控制算法，要降低辊/筒3的速度；反之，当调谐器3位置偏内时，说明辊/筒3的运行速度比辊/筒4慢，通过控制算法，要提高辊/筒3的速度。这样，可以始终保持调谐器3在中间位置。其它辊/筒的速度与调谐器之间的关系类推。
从上面的分析可以看出，为了使第i-1道次的电机速度ni-1完全跟踪第i道次的电机速度，采用了前馈+调节的控制方式，调节器的控制算法为先进控制+PID，其中前馈量为前一道次的电机速度ni(或Gi-1)乘以比例系数Ki-1，调节量为Δni-1(或ΔGi-1)，也就是式子(8)、(9)所表示的情况。这种方案最为实用，精度最高、响应最快。
收卷机的速度是跟随成品辊/筒N的速度，其工作情况与辊/筒的工作情况有所不同，当金属材料没有拉紧时，调谐器依靠自身的反力向外运动(图1中的向下箭头方向)，说明收卷机的工作速度太慢，此时应提高收卷机的工作速度；反之，当金属材料拉紧时，调谐器则被金属材料拉向内运动(图1中的向上箭头方向)，说明收卷机的工作速度太快，此时应降低收卷机的工作速度。另外，在工作过程中收卷轮子上金属材料的卷径越来越大，收卷半径发生了变化，则收卷机电机的速度ns与成品道次的电机速度nN的比值也是变化的，此时，应分别计算出最大卷径和最小卷径所对应的比值，然后取平均值作为前馈比例系数，即2πRN·nN/CN＝2πRs·ns/Cs(10)ns＝Cs·R8·nN/(CN·Rs) (11)式(10)、(11)中，R8为收卷半径，Cs为收卷机传动比，ns为收卷机运行速度，设Ksv＝Cs·R8/(CN·Rs)，则Ksvmin＝Cs·RN/(CN·Rsmax)(12)Ksvmax＝Cs·RN/(CN·Rsmin)(13)Ks＝(Ksvmax+Ksvmin)/2(14)式(12)、(13)、(14)中，Rsmax、Rsmin分别为最大、最小收卷半径，Ksvmin、Ksvmax分别为收卷电机与成品电机的最小、最大速度比值，Ks为速度比值的平均值，仿照式子(8)、(9)，则ns＝Ks·nN+ΔnN(15)Gs＝KN·GN+ΔGN(16)如果说联动设备各种工作关系可以通过操作人员的经验可以确定的话，那么其它涉及到深层次的技术问题则需要技术人员的设计；涉及到理论问题则需要数学的支撑。联动设备的技术指标中，停止、快停的时间一般远小于启动爬行时间，为了在快速停止时金属材料不断开，就要求各辊/筒的速度保持严格的协调关系，在式子(8)、(9)中，Δni和ΔGi由调节器(控制器)的输出产生，在快速停止过程中，同样要求能够快速产生合理的ΔGi(Δni)，在PID控制方法里，快速性和稳定性是矛盾的，设计时，一般首先保证稳定性，然后解决快速性。解决快速跟踪的方法有二一是通过先进控制理论，检测调谐器的位置，设定极限位置，当调谐器的位置在机台的里面并接近极限位置时，则快速提高前一道次变频器的速度给定电压，快速提高前一道次电机的速度和辊/筒的运行速度以快速跟踪后一道次辊/筒的速度；当调谐器的位置在机台的外面并接近极限位置时，则快速降低前一道次变频器的速度给定电压，快速降低电机的速度和辊/筒的运行速度以与后一道次辊/筒的速度协调(注在机械上所说后一道次，在控制上应该是的前一道次，为了统一，都以机械上说法为准)。二是通过参数自学习方法，计算出实际的速度比值Kis，使调节量Δni和ΔGi趋于0，实现了快速响应。
以前的联动设备控制算法往往是单道次控制、整体组合，即每一道次的运动速度是根据前一道次机构运动后导致后一道次机构位置传感器变化反馈后进行PID调节的，这种方法无法满足联动设备既对控制稳定性有很高的要求，又对控制快速性有严格的指标要求。从控制角度首先要保证设备的控制稳定性，其快速性通过异步自学习算法来实现。为了说明此方法的可行性，首先假设已知联动设备相邻两道次速度关系的比值，那么后一道次机构的基准速度是前一道次的速度乘以此比值，后一道次机构的实际速度就是基准速度加上位置传感器反馈的控制调节量，由于控制调节量只是起一个微调的作用，而且决定了设备的稳定性，因此控制器的参数整定可以主要考虑稳定性。而设备的快速性由相邻两道次速度关系的比值来决定。
虽然这个比值的初始值可通过现场调试或计算获得，但是在实际系统中相邻两道次速度关系的比值关系是变化的，因而在控制器中采用了异步自学习控制。控制系统在运行的过程中可以不断地调整这个参数，使它们逐步地逼近最佳值，从而改进系统的性能以提高产品的产量和质量。联动设备电气控制系统的学习算法如下①运行前根据操作人员的设定，从数据库中获得与某品种金属材料相应的各辊/筒间的预置的速度比值Ki。②运行时，从变频器中读取各电机的速度。③分别计算实际的各辊/筒速度比值Ki。④按照学习所得的速度比值Kis以及所设定的预置的速度比值Ki，使预置的速度比值Ki逐渐向实际的速度比值Kis逼近，在此值基础上对各辊/筒速度的调节器正常工作。⑤将学习所得的速度比值存入记忆单元。通过自学习达到了快速性和稳定性的完美统一。
权利要求1.一种生产金属制品的多道次联动设备控制器，包括用于完成整个联动设备的一切数据处理、交换和命令的微处理器，用于为控制器中所有器件提供供电电源的电源模块，用于对联动设备的运行参数进行设定的键盘，所述的电源模块连接微处理器模块及其它模块，所述的键盘连接微处理器，其特征在于所述的控制器还包括用于给定各道次的单机运行信号、左联动信号、右联动信号、切除信号、制动信号、安全信号和其它整机命令信号的开关输入模块；用于给定各道次的外围执行设备的运行信号和机械刹车元件的动作信号的开关输出模块，用于各道次的位置或张力模拟参量的输入的模拟输入模块；用于给定各道次的外围执行设备的速度电压的模拟输出模块；用于连接外围输入设备与微处理器、外围执行设备与微处理器，形成数据传输和数据交换通道的现场总线模块；外围输入设备包括总线端口、外部输入开关量、外部输入模拟量；外围执行设备包括总线端口、开关量输出、模拟量输出；所述的现场总线模块通过现场总线与外围输入设备的总线端口连接，所述的现场总线模块通过现场总线与外围执行设备的总线端口连接；所述的现场总线模块连接微处理器，所述的外围输出设备的总线端口分别连接所述的外部输入开关量、外部输入模拟量，所述的外围执行设备的总线端口连接所述的开关量输出、模拟量输出；所述的开关输入模块连接所述外部输入开关量，所述的模拟输入模块连接所述外部输入模拟量；所述的开关输出模块连接所述开关量输出，所述的模拟量输出模块连接所述的模拟量输出。
2.如权利要求1所述的生产金属制品的多道次联动设备控制器，其特征在于所述的控制器包括4个开关输入模块、2个开关输出模块、2个模拟输入模块、2个模拟量输出模块。
3.如权利要求2所述的生产金属制品的多道次联动设备控制器，其特征在于所述的开关输入模块包括24个接点，24个接点通过24个光藕TLP521隔离后，输入到3个74HC373，4个模块共96开关量输入节点，各个输入节点对应于各个道次的单机运行信号、左联动信号、右联动信号、切除信号、制动信号和安全信号；所述的开关输出模块包括16个接点，16个接点通过16个达林顿光藕PS2732隔离后输出，2个模块共有32开关量输出节点对应于各道次的执行设备的运行信号和机械刹车元件的动作信号；所述的模拟输入模块包括8个接点，8个接点经过电阻分压连接微处理器的A/D入口，2个模块共有16模拟量输入节点对应于各道次的位置或张力模拟输入；所述的模拟输出模块包括8个接点，8个接点连接微处理器模块的PWM滤波产生接口，2个模块共有16模拟量输出节点对应于各道次的执行设备的速度电压给定；所述的现场总线与微处理器CAN总线端口连接。
4.如权利要求3所述的生产金属制品的多道次联动设备控制器，其特征在于所述的现场总线模块与上位机通讯的连接。
5.如权利要求3所述的生产金属制品的多道次联动设备控制器，其特征在于所述的现场总线模块与触摸屏通讯的连接。
6.如权利要求3所述的生产金属制品的多道次联动设备控制器，其特征在于所述的开关输入模块与微处理器的内部数据总线连接。
7.如权利要求3所述的生产金属制品的多道次联动设备控制器，其特征在于所述的开关输出模块与微处理器的内部数据总线连接。
8.如权利要求1-5之一所述的生产金属制品的多道次联动设备控制器，其特征在于所述的外围执行设备为变频器。
专利摘要一种多道次联动设备控制器，本实用新型属于金属制品生产的电动控制设备。目的在于提供一种金属制品生产的联动设备控制器，包括数字量输入接口、数字量输出接口、模拟量输入接口、模拟量输出接口、总线控制接口、CPU、开关电源和键盘。除CPU、和开关电源、键盘外，其它接口可以由用户根据需要来选择使用。另外，还可以与触摸屏、上位机通讯，极大地方便了用户的使用，提高了自动化程度，也提高了联动设备的运行时间和工作效率，降低了生产成本。
文档编号B21B37/00GK2840129SQ200520101639
公开日2006年11月22日 申请日期2005年4月15日 优先权日2005年4月15日
发明者南余荣, 俞立, 孙明轩 申请人:浙江工业大学