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液压压铸机台的高速控制作业
 

【作者: Paolo Catterina】2017年12月27日 星期三

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EUROelectronics公司是一间机台制造商,在客户的委托下,设计了一款适用於压铸机台的闭??圈液压汽缸控制系统。由於高速压力会以0至10 m/s的速度移动,因此需要以高速控制系统来掌控。


为了解决此一需求,我们使用了NI LabVIEW FPGA Module与CompactRIO硬体。透过整合於CompactRIO控制器上的FPGA,开发出可使用现成商用工具进行低阶客制化的系统。为了满足此项应用的独特需求,我们在FPGA中实作了高度最隹化的编码器介面来量测汽缸位置,并於LabVIEW中进行完整的系统程式设计。


高速与高压力特性挑战控制的精确度

在正常情况下,系统会根据操作者输入的速度与加速度轨道值来控制汽缸位置。操作者可透过比例、积分,与微分(PID)演算法控制汽缸的运动。压力感测器则会用完全配合CompactRIO的处理速度,以数个毫秒的顺序回传资料。


运动设定档与其他叁数会透过乙太网路,与执行完整机台监控软体应用程式的电脑共用。我们以NI LabWindows / CVI软体实作了此操作者介面。该项应用也可透过量测运动品质与重复性、执行处理变数的工业级资料撷取量测 (位置、速度、压力、温度),以及制作品质检验统计报表等方式,提供诊断与机台监控功能。


液压汽缸的位置与压力控制为工业自动化领域的常见应用,不过,由於这些系统具备高速与高压力等特性,因此控制的精确度往往会是一大挑战。



图1 : 压力量测与位置所需的感测器品质是选择撷取系统的首要考量。
图1 : 压力量测与位置所需的感测器品质是选择撷取系统的首要考量。

在我们的应用中,汽缸会透过特定的速度与加速度设定档来依照软体定义的轨道移动,而设定档必须确保汽缸能准确且重复达到10 m/s的最高速度。若要稳定控制汽缸的煞车与加速,就必须以1 kHz的处理速率关闭??圈。


压力量测与位置所需的感测器品质是选择撷取系统的首要考量。在此案例中,我们使用线性磁条感测器进行位置量测。感测器必须精确且可靠地完成量测,而感测器讯号的讯号处理介面则也需要具备迅速与坚固耐用等特性。


CompactRIO提供的类比输入模组具有高准确度,我们只需使用2个高速数位输入通道,就能完整实作汽缸位置控制的编码器函式。有了FPGA,编码位置的讯号就能直接以感测器处理。不需使用中段处理或放大装置,也可明显降低杂讯并提升处理速度。


软硬体整合推进开发时程

汽缸运动必须精确地依循监控软体所预先定义的位置、速度与加速度设定档运作。我们需要在速度高於1毫秒的处理周期中,量测阀门位置并计算速度;且两者都会与设定点进行比较,移动情形也会使用PID演算法进行修正。



图2 : 汽缸运动必须精确地依循监控软体所预先定义的位置、速度与加速度设定档运作。
图2 : 汽缸运动必须精确地依循监控软体所预先定义的位置、速度与加速度设定档运作。

为了保持液压电路的平衡,必须同步控制汽缸前端与後端的压力值,以避免发生瞬间峰值。包含机器的完整介面将由CompactRIO即时程式持续且完美地控制,以此取代传统的可程式化逻辑控制器。


唯有在处理时间绝对精确的情况下,此应用才能透过液压伺服阀有效关闭??圈。同样地,液压电路必须迅速、精确并重复产生回应。在这样的情况下,液压伺服阀会透过类比输出讯号控制。


只要计算阀(具有独特的非线性化行为)的线性化「表格」对应值,即可精确微调PID演算法。透过此PID增益规划方式,我们可同时以低度(汽缸开始运动期间为 0.05至0.30 m/s)与高速(实际最高速度为7.5 m/s)取得极为精确的对应。


若使用指令讯号的前??与数据平滑处理技术,我们也能校准PID运算方式,以避免快速换相点无法稳定移动的风险(汽缸的位置必须尽快上升或降低)。


有了CompactRIO乙太网路埠,嵌入式LabVIEW系统即可与使用LabWindows/CVI开发的监控应用通讯。操作者可透过监控软体,以2种方法定义汽缸的注入设定档:1.输入数值,或 2.以图形化的程序互动拖曳设定档。 操作者也能设定所需的多个叁数以执行机台周期,包含位置、速度、压力与时间。


使用NI PCI-6025E 资料撷取卡,我们也可以将多个诊断讯号新增至监控软体,例如每次注入的位置、压力与温度资料。机台监控软体可提供机台作业图表,并计算不同的控制数值,例如速度换相的位置、平均与峰值速度、次数、压力与温度。


以LabVIEW FPGA进行CompactRIO的程式设计,即可透过极高速的处理速度,更轻松地运作运动控制系统中最重要的部分。我们不需仰赖LabVIEW以外的低阶开发工具、客制化电路,或程式设计语言,就能进行命令与反??控制。CompactRIO的效能,让我们得以将系统封装至完整且坚固耐用的小型装置内。 透过系统去运作进阶控制功能,我们才能大幅提升程序效益。


此应用使用NI软体与硬体整合了性质相似的开发方式,因此更大幅缩减了所需的专案与开发时间。透过此专案,可以在短短3周之内完成从原型制作阶段到最终机台设定的各项作业。


(本文由NI提供,作者Paolo Catterina任职於EUROelectronics, srl)


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