专利名称：基于plc的数字液压纠偏系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高速带钢的智能控制，具体涉及一种基于PLC的数字液 压纠偏系统及其控制方法。
背景技术：
21世纪是知识经济的时代，信息技术将成为知识经济中最重要的资源和 竞争要素，它给中国机械制造业也带来了新的机遇和挑战，它是现目前中小 企业走出困境，求得发展的最佳武器，各企业只有合理利用各种资源，采用 先进的组织方式和生产工具，才会在信息时代迎来新的发展。在对带刚纠偏 的研究中，开巻机带钢跑偏控制系统也在随着硬件系统的智能化、集成化而 不断发展。
现目前带钢在机组中高速运行或进行巻取时，由于机组中导向辊的偏差、 振动以及张力失调等原因，造成了带钢边缘或纵向标志线与机组的中心线不 平行，甚至偏离了设定位置而导致带钢的横向跑偏。带钢的跑偏使得带钢多 呈"S"形向前运动，不能整齐巻取，成巻边缘的整齐程度对带钢薄板在进一 步轧制中的安装和开巻操作影响很大，从而直接影响到带钢产品的成品质量。 目前，带钢薄板生产中使用的成巻边缘跑偏控制，大多数还是采用单片机控 制系统，由于轧钢生产工况条件恶劣，振动大、温度高、环境污染严重，使 得单片机控制系统的工作很不稳定，造成响应速度慢、纠偏精度较低、维护 要求很高等困难。
实用新型内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种响应速 度快、精度高、抗干扰能力强，而且性能稳定、工作可靠、具有较强通用性
的基于PLC的数字液压纠偏系统。
本实用新型的技术方案是基于PLC的数字液压纠偏系统，主要包括光 电检测器、可编程控制器和液压执行机构，光电检测器通过光敏电阻对带钢 运行过程中的位置进行实时采样，并将带钢的偏移位置转换为电压信号输入 可编程控制器，可编程控制器经比较、计算后输出脉宽调制信号控制液压执 行机构；液压执行机构包括数字阀和液压缸，在数字阀内设置有高速开关阀， 高速开关阀输出脉冲流量控制液压缸动作，液压缸的输出杆与开巻机的滑台 相连，滑台可以在开巻机的底座上滑动，电动机通过传动装置带动纠偏辊旋 转，实现带材巻取，液压缸的输出杆、电动机和纠偏辊均固定在开巻机的滑 台上，液压缸的输出杆驱动开巻机滑台左右运动进而使纠偏辊也作左右横向 移动，实现对带钢运行中的位置偏移进行纠正，以达到带材边缘巻取整齐的 目的。
进一步的技术特征，所述可编程控制器输出的脉宽调制信号经放大器放 大后输入液压执行机构的数字阀，数字阀由高速开关阀和电磁换向阀构成， 且在数字阀内集成了两个高速开关阀分别控制液压缸的左、右动作，电磁换 向阀根据输入的脉宽调制信号控制高速开关阀的开关动作。
基于PLC的数字液压纠偏系统的控制方法，按照如下步骤操作
1) 在可编程控制器内预置一目标信号，所述目标信号为带钢正常运行时 的边缘位置；
2) 将光电检测器采集的带钢运行的位置信号输入可编程控制器，可编程控制器对采样信号进行判断，如果有错则重新获取采样信号，如果判断为正
确则将信号值进行存储；
3) 可编程控制器将采样信号与目标信号进行对比，并根据采样次数计算 出平均差值-,
4) 可编程控制器根据计算出的平均差值调节输出脉宽调制信号的占空 比，从而控制输出的脉冲电压信号；
5) 可编程控制器输出脉冲电压信号驱动液压执行机构实现带钢纠偏。 相对于现有技术，本实用新型具有以下显著优点
1、 系统响应速度快、精度高、抗干扰能力强，由于采用了可编程控制器 和带光敏电阻的检测器，使系统在高温高压、强振动以及污染较大的环境中 仍能产生快速响应，而且能够保持高精度信号检测和实现对高速带钢的位置 纠偏控制。
2、 工作性能稳定、可靠性高，采用数字阀液压控制技术实现带钢的纠偏 控制，稳定性能得到极大提升，而且操作也更加简单、方便。
3、 具有较强的通用性，本实用新型的数字液压纠偏系统不仅可以用于带 钢轧机生产过程的跑偏控制，还可以推广到纺织、造纸等行业，实用性强， 市场潜力大，具有较好的推广价值。
图1为本实用新型的纠偏系统的结构示意图； 图2为光电检测器的工作原理图； 图3为光电检测器的一种具体实施电路图； 图4为可编程控制器的内部结构图；图5为可编程控制器的控制流程图； 图6为HSV高速开关阀的结构剖视图中，l一光源，2—透镜，3—透镜，4一被测带材，5—光敏电阻，6— 衔铁，7—线圈，8—极靴，9一阀体，10~回油球阀，ll一分离销，12—供油 球阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明。 本实用新型的数字液压纠偏系统，如图1所示，主要包括光电检测器、 FX2N-MR48可编程控制器和HSV系列数字式液压执行机构，HSV系列数字 式液压执行机构由数字阀和液压缸组成；光电检测器将采集的电压信号输入 可编程控制器，可编程控制器经比较、计算后输出脉宽调制信号控制液压执 行机构，液压执行机构通过数字阀输出脉冲流量控制液压缸动作，液压缸的 输出杆与开巻机的底座相连，液压缸推动开巻机移动，开巻机进而对带钢运 行中的位置偏移进行纠正。可编程控制器FX2N-MR48是本纠偏系统的控制核 心，其关键部件是在液压执行机构内采用高速开关阀作为液压转换元件。
所述光电检测器采用硫化镉光敏电阻检测钢板的边缘位置，如图2所示， 光源l (可以是聚光灯泡，也可以是LED或激光)发出的光线经过透镜2汇 聚为平行光束投向透镜3，随后被汇聚到光敏电阻5上，在平行光束到达透镜 3的途中，有部分光线受到被测带材4的遮挡，使传到光敏电阻5上的光通量 O减少。根据光敏电阻的特性，当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，使 电路中电流(暗电流)很小；当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，其阻 值(亮电阻)急剧减少，从而使电路中电流迅速增大。又如图3所示，R,、 R2是同型号的光敏电阻，R,作为测量元件安装在被测带材下方，R2用遮光罩罩 住，起温度补偿作用。当被测带材处于正确位置(中间位)时，由R,、 R2、 R3
和R4组成的电桥平衡，此时差动放大器输出电压U()的值为O;当被测带材左
偏时，遮光面积减少，光敏电阻R,阻值减少，电桥失去平衡，差动放大器将 这一不平衡电压加以放大，输出电压Uo为负值，它反映了带材跑偏的方向及 大小；反之，当被测带材右偏时，输出电压U。为正值。输出电压U。一方面 通过检测器上的显示器显示，同时还被送到PLC可编程控制器，为控制系统 提供采样信号。
FX2N-MR48可编程控制器为本系统的控制核心，在控制器内嵌入有可编 程的控制软件平台。如图4所示，在可编程控制器内，其输入部分由光敏电 阻信号检测电路、启动开关、复位开关组成，输出部分包括电磁阀线圈、指 示灯以及报警信号电路等。指示灯并联在各电磁阀线圈两端，这样可以节省 PLC的引脚数；同时为了保护PLC的输出继电器，在电磁阀两端各并联一只 续流二极管，以防止在负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流，对PLC 输出端以及内部电源造成冲击。
可编程控制器的FX2N-MR48芯片各引脚分别与各端子相连，其输入端 X0 X7引脚连接光敏电阻信号检测电路，X8引脚连接热继电器输入端子,X9 引脚连接复位开关输入端子，X10引脚连接启动开关输入端子；在输出端，Y0、 Yl引脚分别连接高速阀输出端子，Y2引脚连接JBQ报警信号输出端子。
如图5所示，可编程控制器根据其嵌入的软件程序对系统进行纠偏控制， 其操作步骤如下
1)在可编程控制器内预置一目标信号，所述目标信号为带钢正常运行时 的边缘位置。在目标信号内包含有采样次数，采样次数是通过可编程控制器的扩展模块FX2N-4AD的4个通道进行设置，其范围在1 1096之间。
2) 通过光敏电阻信号检测电路对输入的带钢运行位置信号进行判断，如 果有错则重新获取采样信号，如果判断为正确则将信号值进行存储。判断时 是通过扩展模块FX2N-4AD内部的缓存寄存器中的第29号缓存寄存器进行设 置，FX2N-4AD自动判断采集的信号是否有错误。
3) 在控制器内将采样信号与目标信号进行对比，并根据采样次数计算出 平均差值；
4) 可编程控制器根据计算出的平均差值调节输出脉宽调制信号的占空 比，从而控制输出的脉冲电压信号；
5) 可编程控制器输出脉冲电压信号驱动液压执行机构实现带钢纠偏。 又如图1所示，在可编程控制器的输出端连接有放大器，可编程控制器
输出的脉宽调制信号经放大器放大后输入液压执行机构的数字阀。所述数字 阀由高速开关阀和电磁换向阀构成，在数字阀内集成了两个高速开关阀分别 控制液压缸的左、右动作，电磁换向阀根据输入的脉宽调制信号控制高速开 关阀的开关动作。
高速开关阀为本系统的关键部件，如图6所示，高速开关阀采用二位三 通结构，它能够直接以数字的方式进行控制，不必经D/A转换，可编程控制 器可以根据控制要求发出脉宽调制信号，控制电机械结构转换电磁铁动作， 从而带动高速开关阀开或关，以控制液压缸液流的流量大小和流向。当输入 的脉冲信号为低电平时，电磁换向阀断电，回油球阀IO在回油口和进油口压 差的作用下向左运动，最终紧靠在回油阀座密封座面上，使回油口断开，进 油口与上端的工作油口连通，实现控制动作；当脉冲信号为高电平时，电磁 换向阀通电，衔铁6产生电磁推力通过顶杆和分离销11使回油球阀一起向右移动，直到供油球阀12靠到其密封座面上，此时进油口中断，回油口打开， 实现回油，此时带钢处于正常位置。在此过程中，由于光敏电阻对被测带材 进行连续跟踪检测，既起到检测偏移量的作用，同时还起到了反馈的作用， 从而形成了一个闭环伺服系统。
此时，高速开关阀的平均流量Q与脉冲信号的占空比t成正比， 即 Q=TQmax
式中，t脉冲信号占空比，t=Tp/Tf， Tf为脉冲信号周期，Tp为脉宽，Qmax 高速开关阀的最大流量，Qmax=CApV^7^， C为流量系数，Ap为阀的流通 截面积，Ap为阀的上下游压力差，P为流体密度。
由于高速开关阀在工作过程中总是不停地开关动作，进油口输出系列脉 冲流量，如果调节脉宽占空比，进油口输出的脉冲流量大小就可以控制，得 到与脉宽占空比成比例的脉冲流量。进油口输出的脉冲流量作为控制量，输 入分离销的左、右控制容腔，经过控制容腔的积分过程使分离销产生成比例 的位移，上端的主阀出口就获得了与进油口输入占空比成比例的流量。
当带钢偏离正确位置时，由光电检测器检测到偏离信号并送入可编程控 制器，可编程控制器输出脉宽调制信号，当带钢向左跑偏时，可编程控制器 发出控制信号使高速开关阀F1动作，实现左纠偏；当带钢向右跑偏时，可编 程控制器发出控制信号使高速开关阀F2动作，实现右纠偏。高速开关阀输出 脉冲流量控制液压缸动作，与开巻机相连的液压缸带动开巻机跟踪进带位置， 对带钢运行中的位置偏移进行纠正。
本系统不仅可以用于带钢轧机生产过程中的跑偏控制，还可以推广到纺 织、造纸等行业，具有较强的通用性。
权利要求1、基于PLC的数字液压纠偏系统，其特征在于，主要包括光电检测器、可编程控制器和液压执行机构，光电检测器通过光敏电阻对带钢运行过程中的位置进行实时采样，并将带钢的偏移位置转换为电压信号输入可编程控制器，可编程控制器经比较、计算后输出脉宽调制信号控制液压执行机构，液压执行机构由数字阀和液压缸组成，在数字阀内设置有高速开关阀，高速开关阀输出脉冲流量控制液压缸动作，液压缸的输出杆与开卷机的底座相连，液压缸带动开卷机跟踪进带位置，对带钢运行中的位置偏移进行纠正。
2、 根据权利要求1所述的基于PLC的数字液压纠偏系统，其特征在于， 所述可编程控制器输出的脉宽调制信号经放大器放大后输入液压执行机构的 数字阔，数字阀包括高速开关阀和电磁换向阀，且在数字阀内集成了两个高 速开关阀分别控制液压缸的左、右动作，电磁换向阀根据输入的脉宽调制信 号控制高速开关阀的开关动作。
专利摘要基于PLC的数字液压纠偏系统，主要包括光电检测器、可编程控制器和液压执行机构，光电检测器通过光敏电阻对带钢运行过程中的位置进行实时采样，并将带钢的偏移位置转换为电压信号输入可编程控制器，可编程控制器经比较、计算后输出脉宽调制信号控制液压执行机构，液压执行机构由数字阀和液压缸组成，在数字阀内设置有高速开关阀，高速开关阀输出脉冲流量控制液压缸动作，与开卷机相连的液压缸带动开卷机跟踪进带位置，对带钢运行中的位置偏移进行纠正。本实用新型的纠偏系统具有响应速度快、精度高、抗干扰能力强的特点，而且性能稳定、工作可靠、通用性强。
文档编号B21C47/16GK201413468SQ20092012761
公开日2010年2月24日 申请日期2009年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者勇 周, 慧 张, 曾宇丹 申请人:重庆理工大学