基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統研究與應用

王東明 張懷德 馬 麟

（天水鍛壓機床有限公司國家級企業技術中心，甘肅天水 741020）

1 多油缸同步技術概述

影響油缸同步的因素很多，主要有以下幾方面:（1）偏載造成油缸工作負荷不同和不穩定;（2）油缸內部摩擦阻力不同;（3）導軌摩擦阻力不同;（4）油缸和液壓閥的泄漏不同;（5）油缸的直徑制造誤差不同;（6）系統和元件的流動阻力不同;（7）機械系統剛性不同等［1］。

多油缸（以下簡述為多缸）同步傳統的解決方法有:（1）機械強制同步（俗稱扭軸同步）技術;（2）機液同步（俗稱旋閥同步）技術;（3）電液伺服閥同步技術;（4）電液比例閥同步技術等。其中電液伺服閥響應速度快，控制精度高，有良好的動態特性，是解決油缸同步技術的一種先進方案，但是生產成本和使用成本較高，目前國內外在工業領域的應用逐漸減少。電液比例閥是利用比例電磁鐵技術對電液伺服閥進行了簡化，在壓力、流量和方向閥的基礎上發展的一種液壓控制閥［2］。特別是高性能比例閥內置位移傳感器LVDT（linear variable differential transformer線性可變差動變壓器），使比例閥的控制精度、響應速度、動態特性有很大提高，通過電液比例閥，實現多缸電液比例同步控制，生產成本和使用成本比較低，是目前國內外多缸同步控制的主流解決方案。

2 多缸同步控制系統現狀

和車、銑床等通用數控系統國產化研究快速發展相比，國內多缸同步控制系統的研究和國外有較大的差距。車、銑床通用數控系統控制的軸一般是電氣伺服軸和機械多軸聯動控制。多缸同步系統由于液壓油的物理特性決定了其響應速度和動態特性都較低，而且在液壓電液比例系統啟動、停止以及換向時都會出現大滯后性，導致給定量與執行系統速度之間有非線性區域，該區域恰恰影響液壓系統定位精度。如果以控制線性電氣軸的模型來控制非線性液壓軸，速度會不穩定，而且位置閉環會不停地修正由速度不穩定所帶來的位置偏差，液壓執行機構不穩定，造成定位誤差較大。另外由于液壓系統的特殊性，需要電氣研發人員具有豐富的液壓行業從業經驗，特別是對液壓專業技術掌握程度要求比較高。

目前，國內國外多缸電液比例同步控制系統由荷蘭DELEM公司、瑞士CBLCLE公司、比利時LVD公司和德國BOSCH－REXROCH公司等國外幾家公司生產。其中荷蘭DELEM公司的DA65W系列產品和瑞士CBLCLE公司的MODEVA12系列產品，裝備了國內絕大多數兩缸同步液壓板料折彎機生產廠家。對于電液比例多缸（大于等于四缸）同步控制系統只有比利時LVD公司和德國BOSCH－REXROCH公司可以生產，LVD公司不提供商業化產品，BOSCH－REXROCH公司產品先后提供從HNC4系列控制器、MX4系列控制系統到MAC8系列控制系統，由于成本等方面的原因國內裝備該系列控制系統的液壓板料折彎機廠商未見報道。

3 基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統研究

3.1 西門子T－CPU控制平臺

近年來西門子公司推出了T－CPU（Technological tasks with SIMATIC），給用戶提供 S7－300 PLC邏輯控制的同時，提供了典型的多軸聯動運動控制、壓力控制和液壓軸的控制功能，是一種實用性很強的電氣液壓多功能控制平臺。

T－CPU設計理念是把PLC控制功能和運動控制功能，傳動裝置參數化功能融合在一起，組成一個自動化控制平臺。T－CPU是雙CPU系統，一個是傳統的S7系列PLC的CPU，另一個是運動控制CPU，兩CPU之間通過硬件連接，不需要用戶編寫程序。T－CPU還包含一個符合PLCopen國際標準的功能塊庫，用于對運動控制任務的編程，用戶可以調用現成的運動控制功能塊，該功能塊在接口、功能和順序方面方便工程組態、調試和服務。

T－CPU硬件包括DP/MPI和DP（DRIVE）兩個接口，使用 HW Config創建所需驅動組件。通過DP（DRIVE）接口和IM174模塊鏈接。每個IM174模塊，可以輸出4個獨立的模擬量給定信號;編碼器類型可以選擇4個TTL增量型編碼器，或者4個SSI絕對值編碼器;20路I/O點，和T－CPU的同步通訊速率最大到12 MB/s。

3.2 基于T－CPU多缸電液比例同步控制系統方案

T－CPU控制多缸電液比例同步系統時，T－CPU是該系統的主控制器。就單個油缸控制而言，T－CPU可以通過模擬量輸出來控制比例方向閥的開度和方向，從而控制液壓缸的運動方向和速度大小;油缸速度和位置反饋傳感器（光柵尺或磁柵尺）通過IM174接口模塊輸入脈沖信號反饋給T－CPU，油缸實際速度和位置反饋值通過PROFIBUS－DP（DRIVE）從IM174模塊傳送至T－CPU，由T－CPU控制器計算出的控制設定值傳送至IM174模塊，傳送的控制設定值作為模擬量值從IM174模塊輸出至電液比例方向閥，電液比例方向閥控制液壓油缸運行，組成一個單軸位置閉環電液比例控制系統。

在T－CPU軟件系統中，“同步軸”概念的提出使多缸同步控制成為可能。“同步軸”是在同步控制多個軸時，其中以一個軸的控制數據或以這個軸的實際反饋傳感器為主軸，提供控制基準，其他軸均為從軸，按比例系數或按預設的曲線進行同步跟蹤，移植液壓單軸運動控制功能，同步軸控制功能完成多缸間精確的同步速度及最終位置控制。在該系統中將Y1軸作為主軸，其他Y2、Y3、Y4三個軸為同步從軸是主軸的跟隨軸，將同步控制的速度和位置賦值給主軸，各從軸同時獲得速度和位置的所有賦值，在動態控制過程中從軸跟隨主軸的主控值，主控值和從軸的位置之比按照一比一計算。圖1給出了基于T－CPU的多缸電液比例同步電氣控制系統結構圖。

3.3 基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統軟硬件配置

該系統硬件配置在S7－317－2DP系統基礎上增加了S7T Config即CPU硬件配置，具體配置過程如下:①在SIMATIC管理器中創建新的項目并添加一個SIMATIC300站點，配置硬件組態;②在 S7T Config中配置液壓軸，S7T Config的瀏覽器中，雙擊“插入軸”（Insert axis），在“常規”（General）選項卡中，選擇“速度控制”（Speed control）和”定位”（Positioning）控制，然后打開軸向導，在軸類型話框中，選擇“液壓”（Hydraulic）軸類型，將閥類型定義為“Q閥”（Q valve）;③配置完液壓軸的物理單位后，進入到輸入輸出的配置界面，并選擇其輸出方式模為擬量輸出;④選擇輸出設備為模擬量輸出模塊，填入相應參數，如模擬量輸出地址（Output）;⑤進入位置反饋參數分配界面，輸入系數及偏置（Factor/Offset）;⑥分配完所有參數，單擊“完成”（Finish）退出軸組態對話框。

該系統軟件配置在STEP7系統基礎上，增加了S7－Technology功能庫，從庫中可以方便選取多缸同步控制需要的功能塊:①讀取參數（MC_ReadSysParameter FB406）;②修改工藝對象的參數（MC_WriteParameter FB 407）;③使能/去能軸（MC_Power FB 401）;④以固定速度進給（MC_MoveVelocity FB 414）;⑤運行到目標位置/終點（MC_MoveToEndPos FB 415）;⑥啟動齒輪同步（MC_GearIn FB 420）;⑦停止齒輪同步（MC_GearOut FB 421）;⑧主動軸和從動軸之間的相對移動（MC_Phasing FB 424）;⑨比例壓力限制（MC_ForceLimiting FB470）;⑩比例壓力控制（MC_ForceControl FB471）等。

4 基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統在液壓板料折彎機中的應用

液壓板料折彎機是一種由模具相對運動對板料折制成不同角度的板料加工通用設備。近年液壓板料折彎機向大噸位（6 000 t）、多缸（四缸以上）、超長度（工作臺長達13 m）方面發展。大型液壓板料折彎機的關鍵技術之一是液壓油缸多缸同步控制技術。

液壓板料折彎機液壓系統主要組成:①4組油缸（Y1～Y4液壓軸）;②4組電液比例方向閥組;③4組油缸下腔安全閥組;④4組油泵電動機及電磁溢流閥組;⑤1組比例壓力閥組;⑥4組油缸位置檢測傳感器。每組油缸液壓控制系統原理完全一致，圖2給出了液壓板料折彎機多缸電液比例同步液壓系統圖。

液壓板料折彎機4組油缸驅動滑塊運動，滑塊運動共分為5個沖程:①快速下行，滑塊以85 mm/s速度快速下行;②慢速工進，滑塊到快慢速切換位置后轉入小于10 mm/s的慢速工進，在該沖程開始折制工件;③保壓，工件折制到設定的位置后開始3～5 s的保壓;④卸壓，保壓結束后液壓系統卸壓;⑤快速返程，卸壓完成后滑塊進入75 mm/s快速返回［3］。

將基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統作為通用控制器，應用到液壓板料折彎機中，其控制性能、控制指標完全達到荷蘭 DELEM公司和瑞士CBLCLE公司兩缸同步控制水平，實現多缸速度控制、多缸精確的位置控制、多缸間精確的位置同步控制，在大噸位、多缸、超長工作臺液壓板料折彎機中性價比更高，優勢更明顯。

［1］楊寶光.鍛壓機械液壓傳動［M］.北京:機械工業出版社，1981.

［2］楊逢瑜.電液伺服與電液比例控制技術［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［3］雷天覺.液壓工程手冊［M］.北京:機械工業出版社，1990.