大型模鍛壓機(jī)電氣液壓控制系統(tǒng)研究

王帥

摘 要：熱模鍛壓機(jī)是金屬熱成形的主要設(shè)備品種之一。近年來(lái)，由于其智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高精度、大噸位、全程數(shù)據(jù)跟蹤等特點(diǎn)，在市場(chǎng)上占據(jù)了一席之地。大型模鍛壓機(jī)采用二次增壓方式，滿足壓力需求的同時(shí)又可以節(jié)能。本文根據(jù)大型模鍛壓機(jī)所采用三級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分析其硬件的結(jié)構(gòu)與功能以及軟件的應(yīng)用與特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：大型模鍛壓機(jī)；電氣液壓控制；系統(tǒng)研究

1 前言

大型模鍛壓機(jī)主要用于輕金屬及其合金、鎳基和鐵基等高溫合金的大型模鍛件生產(chǎn)，是制造大型軍事和民用裝備的基礎(chǔ)設(shè)備。其能夠?qū)Υ髩毫Α⒋罅髁康囊簤合到y(tǒng)進(jìn)行精確控制，且在壓制過(guò)程中保持高同步性，主要依賴(lài)于強(qiáng)大的電氣、液壓控制系統(tǒng)以及一整套完善的故障診斷與處理機(jī)制。對(duì)于傳統(tǒng)的大型模鍛壓機(jī)來(lái)言，鍛壓過(guò)程中所產(chǎn)生的偏心載荷可以通過(guò)導(dǎo)柱承受，但是對(duì)于800MN大型模鍛機(jī)，全部載荷都加載到較小的工作臺(tái)面上，集中載荷使得導(dǎo)柱難以承受，這就需要采用位置閉環(huán)控制方法，利用液壓主缸來(lái)克服巨大的鍛造偏心力矩，從而保持活動(dòng)梁的姿態(tài)和鍛造尺寸。采用三級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)清晰，易于實(shí)現(xiàn)精確的位置閉環(huán)控制。

2 大型模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)和液壓原理

800MN大型模鍛壓機(jī)主要由機(jī)身、工作油缸、活動(dòng)橫梁、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成（如圖1所示）。其中機(jī)身包括C型機(jī)架、上橫梁、下橫梁、導(dǎo)向桿等部分，工作油缸包括5個(gè)高壓主缸、4個(gè)同步缸、4個(gè)回程缸等部分。高壓主缸采用增壓器增壓方式使直徑1800mm的油缸能產(chǎn)生160MN的壓力，采用位置閉環(huán)控制方式，形成主動(dòng)同步控制系統(tǒng)，保證了鍛件的位置精度。同步缸采用壓力反饋控制，形成被動(dòng)同步控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是反應(yīng)迅速、控制精細(xì)，存在于整個(gè)鍛壓過(guò)程中，始終糾正鍛件的偏心現(xiàn)象?；爻谈自诳焖傧陆颠^(guò)程中起到穩(wěn)定下降速度的作用，防止出現(xiàn)由于下降速度變化太快造成的波動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)在回程過(guò)程中，起到快速回程的作用，增加了鍛壓機(jī)循環(huán)工作效率。

圖2為大型模鍛壓機(jī)液壓原理圖，主缸通過(guò)各自的液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加壓。當(dāng)鍛造壓力小于400MN時(shí)，變量泵加載閥和增壓器旁通閥打開(kāi)，增壓閥進(jìn)油閥關(guān)閉，油液通過(guò)變量泵增壓直接進(jìn)入主缸內(nèi)，此時(shí)處于低壓壓制階段。當(dāng)鍛造壓力大于400MN時(shí)，變量泵加載閥和增壓器進(jìn)油閥打開(kāi)，增壓器旁通閥關(guān)閉，使得油液通過(guò)變量泵增壓后，再由增壓器二次增壓，最后進(jìn)入主缸內(nèi)，形成兩級(jí)增壓的增壓方式，此時(shí)處于高壓壓制階段。利用增壓器和變量泵的配合工作實(shí)現(xiàn)低壓壓制和高壓壓制兩級(jí)壓制過(guò)程，使得壓力和位置控制更為精確，同時(shí)節(jié)省了能源。

3、電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

大型模鍛壓機(jī)主要用于極限鍛造的情況，因此對(duì)電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提出了較高的要求。依據(jù)“集中管理、分布控制”的原則，采用三級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案，將大型模鍛壓機(jī)控制系統(tǒng)硬件分層為：系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控層、中間級(jí)核心控制層、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行層。

1）系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控管理層

包括工控機(jī)硬件、PC顯示器、WinCC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。其中WinCC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)包含診斷報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)、操作日志記錄、歷史數(shù)據(jù)歸檔及查詢(xún)、生產(chǎn)報(bào)表等，方便操作者進(jìn)行診斷分析及數(shù)據(jù)處理。利用WinCC軟件開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面進(jìn)行鍛造程序的選擇編輯、鍛造過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控及鍛造數(shù)據(jù)的記錄分析。通過(guò)簡(jiǎn)單的操作，將控制指令、工藝要求參數(shù)等下載到PLC系統(tǒng)中，同時(shí)又根據(jù)PLC發(fā)送來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和診斷并記錄到系統(tǒng)中，從而形成與PLC系統(tǒng)之間的交互。

2）中間級(jí)核心控制層

包括兩個(gè)S7-400型PLC系統(tǒng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊與其他部分相連。主PLC接收監(jiān)控管理層發(fā)出的控制指令，并讀取傳感器中壓力、位置等反饋信號(hào)，完成對(duì)鍛壓機(jī)伺服系統(tǒng)和液壓泵的控制，并通過(guò)總線把鍛壓過(guò)程中實(shí)時(shí)采集到的壓力、位移、溫度等信號(hào)傳遞給人機(jī)界面，用于操作員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行層

包括Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線連接的分布式I/O網(wǎng)絡(luò)、ET200s遠(yuǎn)程I/O裝置、現(xiàn)場(chǎng)各種位置傳感器、應(yīng)變測(cè)量傳感器、主電機(jī)啟動(dòng)器、輔助電機(jī)啟動(dòng)器及各種液壓執(zhí)行原件等，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制指令的輸出執(zhí)行等功能。每個(gè)PLC控制器具有單獨(dú)的ProfinetI/O網(wǎng)絡(luò)分支，其上含有許多位置節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括電源、通訊模塊及數(shù)據(jù)采集的I/O卡。

4 閉環(huán)同步控制功能分析

在大型模鍛壓機(jī)上，尺寸公差要求高、加工裕量小，整個(gè)鍛壓過(guò)程中容差度很小，活動(dòng)梁很小的傾斜就會(huì)極大影響鍛件精度，這樣就需要精確而迅速的控制方法?；趥鞲衅餍盘?hào)反饋的閉環(huán)同步控制成為目前相對(duì)成熟且精確的控制方法，其中包括被動(dòng)閉環(huán)同步控制和主動(dòng)閉環(huán)同步控制。

4.1被動(dòng)閉環(huán)同步控制

被動(dòng)糾偏油缸為等界面的雙作用油缸，兩兩對(duì)角線位置的被動(dòng)糾偏油缸上下油腔互連，形成封閉系統(tǒng)。當(dāng)產(chǎn)生偏心載荷時(shí)，活動(dòng)梁發(fā)生側(cè)傾，一側(cè)下腔與另一側(cè)的上腔被壓縮，壓力升高，這一測(cè)上腔與另一側(cè)下腔容積增加，壓力降低，此時(shí)壓力差會(huì)形成一定的糾偏力矩，減緩這種側(cè)傾趨勢(shì)。同時(shí)蓄能器通過(guò)實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力之間的差值調(diào)節(jié)伺服閥開(kāi)度來(lái)控制液體流動(dòng)：向被壓縮的上下腔中補(bǔ)液并使容積變大的上下腔中液體流出，直到活動(dòng)梁恢復(fù)到正常位置。具體液壓控制過(guò)程為：把電磁鐵2YA和7YA通電，使得三位三通換向閥D左位工作，降低同步缸3上腔與同步缸4下腔壓力，把電磁鐵1YA和8YA斷電，使換向閥A右位工作，通過(guò)蓄能器增加同步缸3下腔與同步缸4上腔壓力，形成了被動(dòng)糾偏力矩，克服偏心力矩被動(dòng)。糾偏油缸雖然同步平衡能力較小，但反應(yīng)迅速、控制精度高，在鍛造整個(gè)過(guò)程中始終保持同步平衡能力。

4.2主動(dòng)閉環(huán)同步控制

當(dāng)偏心載荷產(chǎn)生的偏心力矩超過(guò)被動(dòng)糾偏油缸提供的最大糾偏力矩時(shí)，主動(dòng)糾偏力矩成為主導(dǎo)糾偏力矩。通過(guò)安裝在活動(dòng)橫梁四個(gè)角的位移傳感器光柵尺和各主缸回路的流量與壓力傳感器，采集活動(dòng)橫梁四個(gè)角的位移和主缸內(nèi)的流量、壓力等信號(hào)，來(lái)控制主缸內(nèi)液體流量和壓力，使得工件重新回到設(shè)計(jì)鍛造位置，從而達(dá)到主動(dòng)同步控制的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

大型模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定。采用兩級(jí)增壓方式的液壓動(dòng)力系統(tǒng)具有高壓大流量的特點(diǎn)，能夠滿足大型鍛件的鍛造要求。三級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使得大型模鍛壓機(jī)的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、操作便捷，管理與控制相分離，克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對(duì)控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷，大大提升了控制精確度，同時(shí)也利于系統(tǒng)故障的監(jiān)測(cè)和診斷。

參考文獻(xiàn)

[1]薛春蘭.80MN熱模鍛壓機(jī)輪轂生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J].鍛造與沖壓，2009，（8）.

[2]趙德龍，娜仁莎.80MN熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015，（5）.

（作者單位：太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司）