摘    要：文章選用FX2系列PLC設計閥門生產線控制系統，以實現遠程控制和自動化生產。文章首先介紹了FX2系列PLC的主要功能和控制方式，隨后對閥門生產線控制系統中伺服電機、驅動器、沖擊氣缸等硬件設備的選型展開了簡要分析，并使用GX Developer8.0編程軟件設計了該控制系統的運行程序。最后使用Matlab 8.0軟件建立了系統模型并開展了仿真分析。結果表明，使用PLC自帶的PID過程控制模塊，能夠顯著改善系統的階躍響應特性，提高了響應速度，有利于實現對閥門生產線的實時控制。

關鍵詞：閥門生產線控制系統;PLC;伺服電機;PID控制;沖擊氣缸;

在“智慧制造”背景下，閥門自動生產線得到了廣泛應用。為了提高閥門的生產效率和產品質量，有必要設計閥門生產線控制系統，從而實現對生產線的實時監測和遠程調控。PLC是閥門生產線控制系統的核心元件，選擇功能豐富、運行穩定的PLC，可以保證系統各項控制功能的順利實現，并進一步提高閥門產品的加工精度。除了PLC控制器外，配套的伺服驅動系統、沖壓系統等也都是閥門生產線控制系統的重要組成部分，在系統設計中需要引起重視。

1 閥門生產線控制系統的PLC選型

在閥門生產線控制系統中，PLC的選型是否科學直接決定系統控制功能的實現。文章選擇三菱公司生產的FX2系列PLC，應用指令的執行時間可達微秒級；除了16個固定的I/O口外，還支持I/O擴展，最大擴展點數可以達到256點；提供若干特殊功能模塊，例如，脈沖輸出、溫度調節、高速計數等，可以滿足不同環境下的控制需要[1]。在閥門生產線控制系統中，PLC可通過循環掃描的方式，以特定的時間間隔刷新系統輸出，然后循環完成各種任務的查詢、判斷和執行。

根據控制實現方式的不同，PLC控制系統有模擬量控制和開關量控制2種方式。對于閥門等機械零件來說，選擇模擬量閉環控制較為合適。PLC在接收、識別用戶的設定值后，利用PID調節器和D/A模塊，將控制指令發送給前端的執行機構（數控機床），然后完成原材料的加工[2]。在加工期間，利用測量裝置收集元件加工過程中的物理量，如電流、電壓、溫度、速度等。并將其作為反饋，使PLC不斷優化控制，最終高效率、高精度地完成閥門產品的加工。

2 閥門生產線控制系統的硬件設計

2.1 伺服電機與驅動器的設計

伺服電機系統是閥門生產線控制系統的核心組成，也是實現閥門自動化生產的關鍵。在PLC下達指令后，該指令經過轉換、放大等處理，最終控制伺服裝置和機械傳動裝置，共同配合完成閥門加工任務。根據控制原理的不同，伺服系統可分為開環、閉環、半閉環3種類型，文章在設計閥門生產線控制系統時，綜合對比了3種伺服系統的運行穩定性、加工精確性等因素，最終選擇了半閉環伺服系統[3]。其特點是將位置檢測元件安裝在機械傳動機構上，通過補償傳動誤差的方式，來提高定位精度和跟隨進度，保證測量結果的可靠性。

伺服系統由驅動裝置和執行器件2部分組成。其中，文章選用的驅動裝置為交流伺服電機，額定功率為2.4 kW，額定轉矩為10.0 N/m，額定轉速為1 500 r/min。其優點在于調速特性和轉矩特性較好，并且機械結構相比于直流伺服電機更加簡單，故障率低，后期維護工作量小。在交流伺服電機與電源之間加入一臺驅動器，采用三相電，驅動器端的L1、L2、L3依次連接電機端的U、V、W三個接線柱[4]。接線時注意做好接線點的絕緣保護，如有必要可以在驅動器的進線端連接一個外放電阻，起到分流、分壓的作用，防止因為過載而跳閘。

2.2 沖擊氣缸的設計

沖壓系統也是閥門生產線控制系統的重要組成，其作用是把氣缸內的空氣壓縮后，以機械能的方式輸出并帶動氣缸做定向運動，保證閥門加工任務的順利完成。沖壓系統主要有氣缸、氣馬達兩個核心元件，文章選用沖擊氣缸，相比于薄膜式氣缸、氣液阻尼缸，其優點在于結構簡單、功耗較低、沖擊力大。沖擊氣缸的一套完整工作程序包括3個步驟：第一步是蓄氣。利用進氣孔吸入空氣后，活塞上升擠壓密封墊，使密封墊堵住噴嘴，形成一個封閉的蓄氣缸。第二步是壓縮。活塞繼續上升，氣體在壓縮過程中壓力能持續上升。第三步是排氣。當蓄氣缸內的氣體壓力達到設定值后，打開噴嘴，使高壓氣體迅速沖入活塞與中間蓋之間的空間。此時活塞受到氣體沖擊作用開始進行運動，壓力能轉化為動能（機械能）。

文章在選擇沖擊氣缸時，主要考慮了以下幾點：

(1）安裝形式。為了節約空間和保證運行穩定，選擇軸向支座（MSI式）固定安裝方式。

(2）輸出壓力。由于閥門屬于結構簡單、體積較小的零件，因此對沖擊氣缸的輸出壓力要求相對較低，通常選擇輸出壓力1.5～1.8 kN即可滿足生產要求。

(3）氣缸行程。為了防止出現活塞與缸蓋碰撞的情況，在計算氣缸行程時可以保留20 mm左右的余量[5]。

3 閥門生產線控制系統的程序設計

該系統的軟件部分使用GX Developer 8.0編程軟件進行編寫，編譯后的程序可通過通信串口直接下載到PLC中，為程序的模擬運行和在線調試提供了諸多便利。PLC控制程序各部分的組成和設計內容如下：

(1）初始化。用戶自定義電機的初始參數，包括最高、最低速度，原始位置、加速度等[6]。每次系統啟動運行時，首先執行電機初始化程序，電機的所有參數重新復位，為下一步伺服電機的運行組好準備；

(2）設定觸屏參數。用戶根據閥門生產需要，在觸摸屏上設定本次加工的相關參數，例如，進料速度、電機轉速、切槽距離、加減速時間等。檢查所有參數設定無誤后，系統開始運行并對板料進行加工；

(3）定位控制。系統執行一個判斷程序“已剪片數=設定片數？”如果判斷結果為“Y”，則直接結束程序，完成加工任務；如果判斷結果為“N”，則繼續執行加工程序。確定板料的長度，并將板料在車床上的坐標值寫入定位模塊[7]。然后啟動定位模塊，并檢查定位是否準確。如果定位不準確，則不允許加工，直接結束本次程序，然后由工作人員檢查定位失準的原因，如果是板料問題，則更換板料；如果是定位裝置出現問題，則修理定位裝置。

(3）產品加工。定位準確后，氣缸運行，按照設定程序完成拌料加工，得到閥門產品。利用PLC自帶的計數器實現產品計數。每生產出一個產品，計數加一，然后返回最開始的判定程序“已剪片數=設定片數？”，重復此加工程序，直到達到設定片數，中止程序，完成本次生產任務。

基于PLC控制的閥門生產流程如圖1所示。

圖1 程序流程圖  

4 閥門生產線控制系統的仿真分析

4.1 構建控制系統數學模型

文章使用Matlab 8.0軟件進行閥門生產線控制系統的仿真分析，并利用該軟件內置的Simulink工具箱進行編程。相比于其他的編程工具（如Java、C++等），Simulink可通過繪制方框圖代替編寫程序，因此降低了開發難度；同時軟件會自動調整最大步長，以保證仿真精度，有利于提升仿真系統的響應速度[8]。基于Simulink工具箱的系統模型構建方式如下。

首先選擇用于構建數學模型的傳遞函數。對于閥門生產線來說，由于產品結構相對簡單、產品種類較為單一，因此可以選擇低階傳遞函數，在滿足加工精度和制造效率的前提下，降低模型的開發難度。文章選用的一階傳遞函數為

這里以伺服電機為例，結合其技術參數，其傳遞函數為

其次是確定控制方式。文章選擇PID控制方式，控制器在接收輸入信號后，以比例形式反映偏差信號，保證了更加精確的識別偏差。并且在發現偏差后，分別通過積分處理（消除靜差）、微分處理（修正偏差），使被控對象的各個變量均在允許范圍內[9]。以傳遞函數形式表示PID控制原理：

式中，G(s）為PID控制器的傳遞函數；K為比例系數，無量綱；T為積分時間常數；t為微分時間常數；s為PID控制器的響應時間；e為自然常數。將伺服電機的真實參數帶到數學模型中，并使用Simulink工具箱繪制運行程序，設定采樣頻率為1 200 Hz，施加幅值為1 r/min的階躍信號，自動得出系統的階躍響應曲線。伺服電機系統的仿真結構如圖2所示。

圖2 伺服電機系統的仿真結構圖 

4.2 系統仿真結果

伺服電機系統的階躍響應曲線如圖3所示。

圖3 階躍響應曲線 

根據上圖可知，未施加PID控制的響應曲線從系統開始運行到穩態需要3.3 s；而施加了PID控制的響應曲線從開始運行到穩態則需要2.6 s，表現出更快的動態響應特性。當然，在實際生產中伺服電機運行還會受到一些非線性因素的影響，因此仿真結果與實際情況之間還有細微的差別，但是基本上符合了閥門生產線上伺服電機的響應特性，說明使用PID控制有助于提高系統的響應速度和運行穩定性。

5 結束語

在工業自動化、智能化發展背景下，實現閥門生產線的動態監控和實時控制對提高產品生產質量有顯著作用。文章基于三菱公司的FX2系列PLC設計閥門生產線控制系統，同時使用GX Developer 8.0軟件編寫運行程序，保證了系統遠程監視、實時控制、可視化生產等功能的實現。從仿真結果來看，在PLC控制下系統響應速度加快，運行穩定性更好，對改進閥門生產與提高控制效果有積極幫助。今后還要在控制系統的故障自動識別與智能處理等方面展開深入研究，從而進一步提高閥門生產線控制系統的實用價值。

參考文獻

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文章來源  造紙裝備及材料. 2022,51(12)