PLC的穩(wěn)定性組態(tài)和仿真設(shè)計(jì)在高性能大型液壓鍛造設(shè)備中的應(yīng)用

楊勛山

（西寧特鋼集團(tuán)股份公司加工分廠，西寧 810005）

隨著高質(zhì)量鍛壓產(chǎn)品在機(jī)械制造、軍工、航空航天、核電、海上平臺(tái)以及石油化工行業(yè)的廣泛應(yīng)用，特別是大型異形鍛件，市場前景廣闊。要形成批量生產(chǎn)和技術(shù)含量高的產(chǎn)品，對于設(shè)備裝備的穩(wěn)定性運(yùn)行是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，尤其是可靠的電氣液壓控制系統(tǒng)直接決定動(dòng)作的轉(zhuǎn)換節(jié)奏，穩(wěn)定的控制精度方能在鍛造中精確控制鍛件形態(tài)，滿足工藝要求。

1 基本工藝流程和要求

鍛造車間的20MN 快鍛機(jī)組，由一臺(tái)主壓機(jī)和兩臺(tái)操作機(jī)組成，生產(chǎn)時(shí)由操作機(jī)夾持各種錠型，送入壓機(jī)。完成壓機(jī)的快下、慢下、加壓、回程，同時(shí)要求操作機(jī)配合壓機(jī)的動(dòng)作完成旋轉(zhuǎn)，前進(jìn)、后退、上傾、下傾。所有動(dòng)作因考慮平穩(wěn)，由液壓控制完成。根據(jù)生產(chǎn)鍛造工藝壓機(jī)在自動(dòng)常鍛時(shí)，要求壓機(jī)加壓力達(dá)到 20MN 級，鍛造壓下量≥100mm，每分鐘20～40 次，同時(shí)要滿足自動(dòng)快鍛時(shí)，壓機(jī)加壓力達(dá)到16MN 級，鍛造壓下量為5mm，每分鐘75～85 次的精確控制，還需要兼顧加熱退火工序工藝，因此在時(shí)間和動(dòng)作的銜接，上述配合首先必須滿足頻次控制。并在運(yùn)行中通過上位機(jī)的壓下尺寸控制，不斷修改、刷新尺寸并產(chǎn)生反饋值給上位機(jī)。為了使每個(gè)動(dòng)作精確銜接，除了在PLC 控制中要求穩(wěn)定性和響應(yīng)速度外，還要處理大量的外部壓力、溫度、位移傳感器、編碼器、等開關(guān)量、模擬量信號，主要鍛造閥還引入了伺服閥去控制大流量液壓閥頻繁換向。

2 PLC 電控系統(tǒng)組成

2.1 硬件組態(tài)中出現(xiàn)的問題

理想狀態(tài)下采用高性能西門子S7-400 可編程控制器，搭載ET200M 系列產(chǎn)品作為分布站，以S7-400 PLC 處理器為中心，與遠(yuǎn)程Ι/O 構(gòu)成Profibus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對機(jī)組進(jìn)行順序控制、邏輯控制和精度控制，根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)和要求，實(shí)現(xiàn)各部動(dòng)作，應(yīng)能滿足要求。

然而，在進(jìn)行各動(dòng)作分析后發(fā)現(xiàn)大量的Ι/O 點(diǎn)和遠(yuǎn)程站點(diǎn)的通信對CPU 運(yùn)行產(chǎn)生了影響，可靠性不足，往往中斷連續(xù)的動(dòng)作。在控制中既要掃描連接各操作機(jī)及輔助遠(yuǎn)程ET-200，運(yùn)行Ι/O 的狀態(tài)，又要處理即時(shí)數(shù)據(jù)通信，常常出現(xiàn)動(dòng)作響應(yīng)慢和邏輯判斷錯(cuò)誤，或發(fā)生某一故障點(diǎn)CPU 中斷，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 雙CPU 穩(wěn)定的組態(tài)，以軟件方式 實(shí)現(xiàn)CPU 的冗余控制

2.2 解決的辦法

如圖1所示：針對這一問題，基于快速鍛造工藝近似苛刻的要求，如果能在控制系統(tǒng)中增加備用關(guān)鍵設(shè)備，一旦工作中系統(tǒng)發(fā)生故障，控制系統(tǒng)便以最快速度起動(dòng)，從而維持系統(tǒng)的正常工作。工業(yè)控制領(lǐng)域中，一些大型的工業(yè)生產(chǎn)線往往要求連續(xù)運(yùn)行不能停頓，利用雙CPU 的冗余控制是一種滿足連續(xù)生產(chǎn)要求、提高系統(tǒng)可用性的有效手段。若采用雙CPU 的PLC 控制器，并考慮硬件成本，以軟件方式實(shí)現(xiàn)CPU 冗余控制。通信編程（設(shè)置如下）。

在地址和中斷分配中利用雙CPU 可以訪問在使用STEP 7 組態(tài)期間分配給它們的模塊地址。分別設(shè)定CPU 不同的MPΙ 地址通過總線從一個(gè)CPU 對另一個(gè)CPU 編程。通過K 總線通信（Communciation，德文則是Kommunciation）不但可拆開處理一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，在增加系統(tǒng)資源的情況下，而且又不會(huì)增加Ι/O 點(diǎn)數(shù)。實(shí)踐證明，這種設(shè)計(jì)給PLC 后續(xù)的穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 液壓控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題

由于系統(tǒng)壓力高、流量大、換向頻繁，閥的動(dòng)作次數(shù)多給管路和閥體直接帶來振動(dòng)，所以對管道的沖擊大。在生產(chǎn)運(yùn)行中尤其是精鍛期間，可在液壓站聽到強(qiáng)大的沖擊聲，產(chǎn)生了大量熱量，熱量的傳遞使各管接頭密封開始老化。此外，對整個(gè)液壓系統(tǒng)閥體的穩(wěn)定性帶來影響。如在生產(chǎn)伊始，就曾出現(xiàn)壓機(jī)頻次和壓下量達(dá)不到要求，同時(shí)油溫的超高導(dǎo)致密封件的損壞而產(chǎn)生漏點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致高壓膠管破裂。

2.4 解決辦法

目前國內(nèi)普遍采用高性能比例閥，變量泵控制相結(jié)合，經(jīng)軟件仿真分析，工作過程通過S7-400 系列工業(yè)可編程近似于壓機(jī)運(yùn)行的正弦曲線，以滿足穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，系統(tǒng)控制精度好、響應(yīng)頻率高。其最顯著特點(diǎn)是先導(dǎo)控制用油與系統(tǒng)工作油液完全隔離，只需單獨(dú)處理小流量的控制油，從而避免了因比例控制對系統(tǒng)大流量油液的苛刻要求而大幅度增加設(shè)備負(fù)荷和維護(hù)問題。選用力士樂VT-VSPA1-1型比例流量閥，如圖2雙電磁鐵時(shí)特性曲線。

圖2 雙電磁鐵時(shí)特性曲線

在編程過程中，除對比例閥輸出“位移”采用閉環(huán)控制的方式外，還要考慮比例閥電流信號輸入線性的影響，為了保證鍛壓過程中油壓響應(yīng)的快速性，在編程中用軟件對比例閥的特性進(jìn)行修正，如圖2所示比例閥的特性曲線在斜率逐漸變化，避免震蕩。因此，在編程時(shí)對模擬量輸入采用正旋曲線按比例閥的電流電位計(jì)，以滿足穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件近似計(jì)算出的油壓值進(jìn)行補(bǔ)償修正。

圖3 用程序控制比例閥近似于 壓機(jī)比例閥運(yùn)行的正弦曲線

在程序控制中通過不斷修正MD370 的值按照0～π/2 的取值范圍，再將MD370（自定義）的值賦給 MW128 配合模擬量輸出在 OB1 模塊里的PQW516（自定義）和PQW518（自定義），去控制2WRC（雙電磁鐵）的輸入電流，根據(jù)反饋位移值，不斷調(diào)整放大器的斜坡和差動(dòng)偏流，近似的達(dá)到如圖4所示的模擬曲線。

需要注意的是，在快速鍛造液壓機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，尤其是上線以來運(yùn)行一段時(shí)間，控制往往會(huì)發(fā)生一定的偏移，因此并在日常維護(hù)中，根據(jù)現(xiàn)場流量的控制，需要檢測比例閥的電流輸入信號，在外加電 源DC24 時(shí)，當(dāng)給定電壓值（電流值）變化時(shí)，通過反饋電壓的變化，調(diào)整上位機(jī)流量給定值和放大板的比例積分、微分設(shè)置來適應(yīng)生產(chǎn)的需要。

圖4 仿真模擬曲線

3 結(jié)論

在大流量鍛壓設(shè)備雙CPU 軟件冗余控制和仿真曲線程序設(shè)計(jì)的應(yīng)用下，大大減少了本身系統(tǒng)油壓的沖擊，減少了大量的維護(hù)量，而且平穩(wěn)的液壓控制使人機(jī)能直接對話，實(shí)時(shí)根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整，可靠性極強(qiáng)，為產(chǎn)品的質(zhì)和量帶來強(qiáng)有力的保障，值得在液壓鍛造或沖擊力比較大的設(shè)備技術(shù)改造中借鑒使用。

[1] 廖常初,等.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.10.

[2] 博世力士樂比例閥樣本手冊.RC 30 112 比例閥.