机械工程中PLC技术的应用分析_郑健.pdf

SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349在利用可编程逻辑控制器（Programmable LogicController，PLC）技术执行相应的操作时1，主要是通过数字化技术，结合可编程存储器的电子系统，发布操作和指令至工程内部的各个结构部件2，当对应目标收到指令信息后，借助模拟传输功能，最终实现对机器设备的高精度控制3。从整体执行效果上分析，PLC 技术在综合性能方面的优势较为明显，也正因此，其在工业领域中的应用相对较为广泛4。根据不同的工业加工制造需求，PLC 技术以及运行原理都可以有针对性地进行相应的设计和开发5，在这样的背景下，PLC 技术与工业系统之间的融合效果得到了进一步增强，间接促进了 PLC 技术在工业领域中的发展6。在不断开拓创新的基础上，PLC 技术也在不断实现深度完善，相关性能的优化程度不断提高，将其应用在机械工程制造行业已经成为提高机械加工质量的关键7。本文提出机械工程中 PLC 技术的应用分析研究，并在实际环境中进行全面验证。通过本文，希望可以为实际机械工程制造业的发展提供新思路。1基于 PLC 技术的机械工程控制1）建立机械设备动力学模型。PLC 技术在机械工程中的应用主要是控制具体的设备运行状态8。基于此，要确保控制的精度和可靠性，首先需要对其运行模式及原理进行有效分析9，在该阶段，构建动力学数学模型是十分必要的。考虑到设备的状态主要是通过调节动力装置的输出进行调节的，因此，为了简化后期 PLC 技术的执行方式，本研究课题中不考虑设备的具体工作模式，利用拉格朗日法建立了机械设备的动态数学模型，具体的表达式为P=（F1+F2+F3）（1）式中：P 为机械设备的输出功率；为输出功率在设备中的有效转换系数；F1为机械设备运行过程中受到的向心力；F2为机械设备运行过程中受到的哥式力；F3为机械设备运行过程中受到的惯性力。输出功率在设备中的有效转换系数 主要受设备自有结构设置影响，其计算方式的表达式为=kidie （2）式中：ki为机械设备 i 执行结构传动系数；di为机械设备 i 执行结构的控制力矩；e 为机械设备整体的动能。需要注意的是，机械设备整体的动能主要取决于动力装置输入设备的功率总量，而在额定状态下，功率总量可以直接转化为设备可以利用的动能，因此，本文直接以动力装置的输出作为式（2）中的动能参量。机械设备运行过程中受到作用力计算方式的表达式分别为F1=ekidiL1 （3）F2=ekidiL2 （4）F3=ekidiL3 （5）收稿日期：20220714；修回日期：20220813作者简介：郑健（1966），男，山东临沂人，高级讲师，主要从事机械制造设计研究，E-mail：。机械工程中 PLC 技术的应用分析郑健1，孙延普2摘要：机械设备的运行状态受多种因素共同影响，任意环节出现异常都会影响最终效果，为此，提出机械工程中PLC 技术的应用分析研究。利用拉格朗日法建立机械设备的动态数学模型，在考虑设备有效转换系数的基础上，分析向心力、哥式力和惯性力作用下设备的运行状态，并得出在传动系数相对固定的条件下，设备的输出功率作用主要受控制力矩影响的结论，以此为基础，PLC 技术按照力矩的递进关系对设备的控制力矩进行分类编码，并引入扰动系数确保实际传动系数的可靠性，以各个力矩对应的运行目标为函数计算标准，得到对应的力矩长度，将其作为控制指令实现对机械设备状态的高精度控制。在应用分析阶段，测试结果验证了 PLC 技术可以实现对机械工程设备运行参数的有效控制。关键词：机械工程；PLC 技术；拉格朗日法；机械设备动态数学模型；有效转换系数；扰动系数中图分类号：TM76；TP273文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.02.118（1.鲁南技师学院，山东临沂276001；2.临沂科技职业学院，山东临沂276000）文章编号：1674-9146（2023）0211803应用 技 术Applied Technology-118-2023 年 2 月总第 349 期式中：L1、L和L分别为向心力、哥式力和惯性力作用下的拉格朗日算子。由于不同设备的实际性能不同，因此对应的拉格朗日算子也不同，本文是以设备的出厂参数为基础进行设置的。综合式（2）式（5），机械设备动力学模型的表达式为P=kidi2(L1+L2+L3)（6）通过计算得到机械设备输出功率与其状态之间的关系，为后续的 PLC 技术指令下达提供支撑。2）PLC 技术控制设备状态。由机械设备的动力学模型可知，在传动系数相对固定的条件下，设备输出功率的作用主要受控制力矩的影响。因此，PLC 技术对设备状态的控制也是以此为基础进行的。本文采用 PLC 技术对机械工程中的设备状态进行调节时，分别对设备执行结构的控制力矩进行编码处理。假设对于设备 i 而言，其包含的控制力矩数量为 n，按照力矩的递进关系对其进行分类编码，此时控制力矩编码体系的表达式为di=d1i，d2i，dmi （7）式中：dmi为递进关系第 m 级的控制力矩编码。动力装置输出的功率在各个控制力矩上的作用大小也可以根据其完成计算。在 PLC 中输入目标运行参数后，首先对指令进行分解，分解的标准也是以式（7）所示的控制力矩编码体系实施的。通过这样的方式得到各个力矩对应的运行目标后，以其为目标函数计算各个力矩对应的长度，表达式为dmi=Pkidi2p(dmi)（8）式中：p(dmi)为力矩对应的运行目标。在实际运行过程中，由于磨损等因素的影响，设备对功率的实际传动系数可能与理论值存在一定差异，并且这种差异随着运行时间和运行环境的改变呈现出相对动态的特征。因此，本文在上述基础上引入了扰动系数，对应的力矩长度控制结果的表达式为dmi=Pkidi2p(dmi)1a(t)（9）式中：a（t）为在 t 运行时间后，传动系数受到的扰动系数；t 为机械设备连续运行的时间。通过计算得到各个控制力矩的状态参数，PLC将其对应的编码信息作为控制指令发送至设备中枢，实现对设备运行状态的高精度控制。2应用测试分析1）应用环境设置。本文进行测试的机械工程环境中，动力元器件的排量参数为50.0 mL/r，对应的运行转速为 2000 r/min，结合上述数据可以得出，动力泵的最大流量为100.0 L/min。系统控制阀的最大流量以动力泵的最大流量和容积效率进行设置，因此最大值也为100.0 L/min，控制阀进口处的压力值为15 000 kPa，出口处的压力与之的差值为1 000 kPa，对应的参数为14 000 kPa。为了确保其安全性，安全阀开启压力阈值为16 000 kPa。以此为基础，本文构建的 PLC 技术运行环境中，计算机的型号为 IBMPC/AT（兼容），CPU 时钟频率为 256 GHz，系统内存为 64 GB，为了确保在控制阶段可以实现对实际执行情况的有效判断，显示器的分辨率为 1 2001 200 dpi，并拓展了大小为 2 TB 的硬盘以满足机械工程控制中的参数存储需求。接口单元采用FX-232AWC 型 RS232C/RS-422 便携式转换器，以适应实际测试环境的连接需求。考虑到 PLC 技术对机械工程的控制是建立在其实际执行效果的基础之上的，因此本文将 FX-422CABO 型 RS-422 缆线作为通信电缆，其对于 FX2、FX2C、FX 2N 型 PLC均适用。2）测试方法。本文分别构建不同的测试场景，以此更加全面地分析PLC技术在测试机械工程中的应用效果，具体的场景如下。初始阶段，动力元件转速由 0 开始，在 10 s 内稳定提高至 1 500 r/min，达到目标运行参数后，按照 1 500 r/min 的标准运行 10 s，之后在 15 s 内稳定提高转速至 2 000 r/min，再次达到目标运行参数后，按照 2 000 r/min 的标准运行 15 s，之后转速在20 s 内恢复到 0，由此完成一次完整的测试。测试过程中，控制的难点主要在于出现了连续的不要加速度的加速运行，在减速运行阶段，在短时间内需要进行大幅度的降速。除此之外，连续加速后的稳态维护也是相对较难的操作。以此为基础，首先观察应用 PLC 技术前设备对上述指令的执行效果，再利用 PLC 技术执行上述指令，观察其实际运行效果。通过对比应用前后的测试结果，对 PLC 技术的应用效果进行分析。3）测试结果与分析。分别统计了应用 PLC 技术前后的测试结果（见第120页图1）。由图 1 可知，在应用 PLC 技术对测试动力元器件的运行状态进行控制的过程中，相关数据始终保持在较为稳定的状态，其中，动力元件转速由 0 增加到1 500 r/min，其为一个稳定匀速提升的过程，在目标时间内（10 s）达到了高精度的运行效果；对匀速运行阶段的控制效果进行分析可以看出，PLC 技术可以确保动力元件转速的稳态，并未出现异常波动；观察减速运行阶段的控制效果，在20 s内，动力元件转速按照 100 r/s 的标准稳定下降；除此之外，在连续变速阶段，PLC 技术的应用也使得-119-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349Application Analysis of PLC Technology in Mechanical EngineeringZHENG Jian1,SUN Yan-pu2(1.Lunan Technician College,Linyi 276001,China;2.Linyi Vocational University of Science and Technology,Linyi 276000,China)Abstract：Because the operation state of mechanical equipment is affected by many factors,any abnormality in any link willaffect the final effect.Therefore,the application analysis and research of PLC technology in mechanical engineering isproposed.The dynamic mathematical model of mechanical equipment is established by using Lagrange method.On the basisof considering the effective conversion coefficient of the equipment,the operation state of the equipment under the action ofcentripetal force,Coriolis force and inertial force is analyzed,and the conclusion that the output power of the equipment ismainly affected by the control torque under the condition that the transmission coefficient is relatively fixed is drawn.ThePLC technology classifies and codes the control torque of the equipment according to the progressive relationship of thetorque,and introduces the disturbance coefficient to ensure the reliability of the