外置式激光距离传感器在扩管比例缸控制中的应用
外置式激光距离传感器在扩管比例缸控制中的应用
作者:成进军;王仁波;刘恒杰
1 扩管比例缸控制原理
鲁宝公司扩管小车比例缸的驱动由比例阀控制,通过比例缸的不同位置给定控制比例阀的开口度即控制液压油的流量,从而控制比例缸的启动、高速、低速、停止。位置的检测由插入比例缸活塞杆中的内置位移传感器实现。在整个扩管循环中,扩管小车的运行控制分为加速启动、前进、减速前进到位、加速回退、回退和减速回退到位几个部分。
扩管工艺要求小车比例缸在 2 s 内达到2400 mm的行程,如果比例缸加速启动和减速停止的速度控制不好,会造成扩管小车前撞、后撞,严重时造成比例缸摆轴断裂甚至安装摆轴的基座断裂、比例缸前缸盖及后缸盖松动或碎裂、油封损坏等设备故障。
2 内置位移传感器使用现状
2. 1 磁致伸缩位移传感器原理
磁致伸缩位移传感器( magnetostrictive linear-position sensor) 利用非接触式技术检测活动磁铁的位移( 传感器不发生位移) 。由于磁铁和传感器相对而言并没有直接的接触,因此传感器在恶劣的工业环境如易受油渍、溶液、尘埃或其他污染的环境使用,并不影响其使用精度; 此外,传感器还能承受高温﹑高压和高振荡的环境。
磁致伸缩工作原理是利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号,然后传感器通过计算这个信号被探测所需的时间周期,便能换算出准确的检测位置。由于输出信号是一个真正的绝对位置输出,而不是比例的或需要再放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,因此无须像其他位移传感器那样定期进行标定。
2. 2 内置位移传感器存在问题
实际生产中,因设备或生产调整,扩管比例缸有时震动过大,会导致内置位移传感器传输数据异常,造成内置位移传感器线路板损坏、插头松动、磁环破损; 还会造成内置位移传感器检测杆变形磨损报废。
内置位移传感器价格相对较高。自扩管比例缸投入使用以来,因各种原因造成内置位移传感器多次损坏,既影响生产顺行,又增加维修费用。
3 激光距离传感器替代的可行方案
激光测距是激光最早的应用之一。激光距离传感器是一种非接触式的精密激光测量装置,具有适应性强、速度快、精度高等特点,适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差。该传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用,能够准确快速地测出与目标物之间的距离。
基于上述原因,提出一种采用外置式激光距离传感器替代内置位移传感器的解决方案。该方案能够克服内置位移传感器的诸多缺点,既可以保证扩管比例缸位置的检测精度,又可以解决因扩管比例缸震动过大造成的内置位移传感器频繁损坏的问题。
具体方案如下:
( 1) 选用瑞士DIMETIX外置式激光距离传感器,电源电压 DC15 ~ 30 V,模拟量输出 4 ~ 20 mA。
( 2) 将激光距离传感器 4 ~ 20 mA 信号接入扩管 1# ET200 柜模拟量输入单元( 6ES7 331 -7NF00 - 0ABO) ,由扩管 S7 - 300 PLC 进行控制;在扩管工控机 WinCC 中制作激光传感器位置曲线以便与内置位移传感器位置曲线进行对比。
( 3) 观察比较激光传感器位置曲线与内置位
移传感器位置曲线的差别,着重观察扩管小车震动时对激光传感器数值传输的影响。如果激光传感器位置曲线与内置传感器位置曲线能够很好地重合,表明激光传感器能够满足扩管生产需求。
( 4) 经过一段时间观察及程序完善,对激光传感器位置曲线不断修正,直至能够完全与内置位移传感器曲线重合,方可投入实际生产应用。
( 5) 外置式激光传感器调试成功后,可与原内置位移传感器互为备用,由扩管操作台转换开关或扩管 WinCC 互为切换。正常生产时以内置位移传感器为主,激光传感器作为应急使用。
4 方案实施
4.1 激光距离传感器的安装
本着激光距离传感器便于安装利于控制的原则,考虑到消除伺服缸补偿量的影响,将激光传感器安装于比例缸上,使激光传感器与比例缸一起能随伺服缸( 驱动小车基座,比例缸就安装于伺服缸上面,随小车基座移动) 的前后移动而移动,而实际传输数值不受伺服缸移动的影响,这样程序制作时可以不必考虑伺服缸的补偿量问题。
利用扩管 S7 - 300 PLC 编写程序,将激光距离传感器 4 ~ 20 mA 模拟量信号采集进 PLC,并转换为十进制数值,监控传感器数值传输正常。
4.2 WinCC 变量的线性标定功能
激光传感器数值传输正常表明检测数值能随着比例缸( 扩管驱动小车) 的前进、后退而不断变化( 增大或减小) 。但是,这里前进到位和后退到位的值不是我们想得到的内置位移传感器前进到位和后退到位的值,需要经过线性转化。如果将激光传感器传输的实际值直接调用到比例阀的曲线产生器程序中,得到的给定值无法有效地控制扩管小车的运行。
利用西门子 WinCC 变量自带的线性标定功能可以实现过程值( 即激光传感器的实际值) 与变量值( 即想得到的与内置位移传感器的实际值相对应的转换值) 的转化,WinCC 的激光传感器转换值通过变量与 PLC 勾连,采用这个转换后的数值编写程序参与比例缸的控制。
经离线调试验证 WinCC 转化后的激光传感器数值与内置位移传感器数值基本相同。采用激光传感器控制小车运行,现场调试发现扩管小车速度较快,没有减速过程,存在严重的前撞后撞,观察 WinCC 画面中的“激光转换值”与 PLC 勾连的输出域数值变化明显滞后。
经分析,发现现场激光传感器测得数据传到扩管 PLC,利用 WinCC 的线性标定功能将激光传感器的实际值实时转换为转换值期间,WinCC 在不停地运算,然后将运算后的转换值实时传送到PLC,再经程序计算得出扩管控制值控制比例缸,这里存在数值运算及传送时间滞后的问题,因为比例缸的运行时间只有 2 s,这期间还要考虑 PLC自身 CPU 的循环扫描周期及通讯时间。
期间出现一次扩管 1# ET200 柜通讯模块故障,通过 PLC 的 CPU 在线故障诊断,发现该站点较为频繁地出现站点丢失又返回的现象,观察WinCC“在线监控画面”发现比例缸及伺服缸位置曲线的不正常曲线的发生时间与 PLC 的 CPU在线故障诊断中站点丢失又返回的时间吻合,但是这时经 WinCC 转换后的激光传感器的位置曲线却没有出现不正常的曲线,再监控 PLC 程序,也发现经 WinCC 转换后的激光传感器的数值没有瞬间为“0”的现象。由此可以断定,采用激光传感器试车没有成功的原因就是激光传感器数值经 WinCC 转化存在数值运算及传送时间滞后的问题。红色曲线为比例缸位移曲线,黑色曲线为伺服缸位移曲线,绿色曲线为 WinCC 激光转换值曲线。
4.3 线性函数计算方法
激光传感器数值经 WinCC 转化存在数值运算及传送时间滞后的问题,经讨论决定采用线性函数计算方法,即利用函数 y = ax + b,其中 x 代表激光传感器的实际值,y 代表想得到的与内置位移传感器一致的激光转换值。WinCC 只负责当人为触发脚本函数( 触发一次只计算一次) 时计算出相关的系数 a 和 b,然后将 a 值和 b 值发送到PLC 中进行 a、b 参数的整定,而剩下的计算由PLC 另外编写程序完成。
具体方案:
( 1) 在 WinCC 全局脚本中做线性函数脚本,该函数由触发器人为触发。
( 2) 在 WinCC 画面中做与脚本相关的内部变量及外部变量的输入输出域的勾连,并另作一条“PLC 激光转换值”曲线用于与内置位移传感器曲线相对比。
( 3) 通过 WinCC 全局脚本线性函数计算出的系数传到 PLC,在 PLC 中编写相应的程序,由 PLC实时计算出的转换值直接调用于比例缸控制程序。
趋势曲线中红色为内置位移传感器的位置曲线,蓝色为 PLC 转换后激光传感器的位置曲线。线性标定过程值 A1 即激光传感器检测到比例缸小车前进到位的实际值; 线性标定过程值A2 即激光传感器检测到比例缸小车后退到位的实际值; A1、A2 的值可参考本画面中“激光当前值”( 即激光传感器的实际值) 输出域所显示的前进后退到位的当前值输入。线性标定变量值 B1即想得到的激光传感器检测到比例缸小车前进到位的转换值; 线性标定变量值 B2 即想得到的激光传感器检测到比例缸小车后退到位的转换值;B1、B2 的值可参考“位移当前值”( 即内置位移传感器的实际值) 输出域所显示的前进后退到位的当前值输入。
“系数校正”按钮,当输入 A1、A2、B1、B2 两组参数后,单击该按钮一次,触发函数计算一次。计算出的“校正后系数 a 值”、“校正后系数 b 值” 传送到 PLC,同时在 WinCC 画面中做输出域显示该数值。理论上每次扩管只需系数校正一次, WinCC 只需计算一次,剩下的计算全部由 PLC 完成,即 PLC 通过编写的程序按函数公式 y = ax + b实时地将激光传感器的实际值计算为转换值。
红色框内均是与比例缸小车控制有关的相关输入输出域,主要目的是便于各相关参数的监控( 有上下限限制) 及修改,省略查找相关程序的麻烦,并可以有效避免程序修改和下载错误。相关参数已经完成了 PLC 初始化程序中参数的初始化传送。
4.4 激光距离传感器现场试车
利用轧转扩定修电气调试时间,切换到“使用激光传感器”,不带顶杆空跑小车试验比例缸,往复运行了 20 余次,扩管小车均能平稳顺畅地启动、前进、后退、停止到位,没有出现前撞后撞的现象,并且比例缸的速度可以由“比例缸最大加减速时间”的设定参数控制。观察 WinCC 画面中的“PLC 激光转换值”曲线与内置位移传感器的曲线几近重叠,各输入输出域的数值显示正常,小车的“前进到位标记”、“后退到位标记”状态显示正常.扩管热负荷生产期间,切换到“使用激光传感器”,试验生产了 40 余支钢管,一切正常。只要小车前进到位停止,锁舌落下后,扩管进行时小车的震动及其他因素对激光传感器控制比例缸没有任何影响。至此,采用外置式激光距离传感器替代内置位移传感器控制扩管比例缸项目取得圆满成功,具备了投入生产实际应用的条件。
5 使用激光传感器存在问题
( 1) 使用激光传感器热负荷试车时发现,由于现场环境比较恶劣,有时冲击较大会造成冷却水向外飞溅,当冷却水的水珠恰好瞬间挡住了激光束,而此时如果正好小车处于前进或后退过程中,会造成小车运行不够平稳,但基本不会影响比例缸的正常运行。
( 2) 由于激光传感器镜头易脏,所以每班停机时间用干净的软布擦拭; 或采用高压风不停地吹扫镜头,防止石墨等灰尘油污的黏附。
( 3) 因为激光束易被人为不慎遮挡,故小车运行过程中,激光传感器检测范围内不允许有人作业或活动。
6 结论与展望
激光测距传感器是比较先进的一种非接触光电检测传感器,故障率较低,价格相对比较便宜,可以用于现场比较恶劣的环境。采用外置式激光距离传感器替代内置式位移传感器有效地解决了内置位移传感器频繁损坏的问题,故障情况下可以与原内置位移传感器互为备用、互为切换,既降低了设备维修费用,又最大限度地减少了故障次数和停机时间,为公司创造了较大的经济效益。激光距离传感器功能强大、保养方便、维护简单,给现场工程技术人员及维修人员带来了极大的便利,可以广泛应用于其他行业。
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