彈藥成型裝備數字化系統研究

梁曉輝，曹志偉

LIANG Xiao-hui, CAO Zhi-wei

（中國工程物理研究院化工材料研究所，綿陽 621900）

0 引言

彈藥成型是采用成型裝備實現將炸藥粉體材料按照一定的配方壓制成固體材料。常采用的設備包括：材料試驗機、液壓機與溫等靜壓機。液壓機與溫等靜壓機主要用于大型彈藥部件成型，相比之下，溫等靜壓機壓制的材料密度與均勻性好、工藝較短、壓制效率高但成本較高，而液壓機設備簡單、成本低但工藝過程長[1]。

彈藥成型作業的特點是：工藝比較復雜、涉及設備多、危險性較高、事故損傷性大。綜合考慮作業過程安全且不斷提高生產效率與產品質量水平等因素，提高設備的數字化水平，實現設備運行過程的透明化、可檢測性、故障自診斷性，對于提升彈藥成型制造水平具有十分重要意義。

綜合采用先進控制、計算機與大數據等工程技術以及工藝管理、設備管理與企業管理等管理技術，實現彈藥成型裝備數字化[2]。研究下位機控制系統，實現現場底層控制；構建上位機軟件，實現工藝編制與實時模擬、作業過程數據記錄與查詢等車間層管理；構建管理層軟件，實現工藝、設備運行過程、安全、質量等管理功能；研究增壓過程壓力曲線控制方法，實現高精度曲線控制。

1 彈藥成型裝備介紹

彈藥成型裝備數字化系統的控制技術核心是研究壓力曲線控制算法[3]。以液壓機為彈藥成型裝備，開展數字化系統研究。

1.1 液壓機特性

液壓機的常用動作包括：快速運行、慢速升壓、保壓、卸壓與回程等。該文以增壓過程為對象，研究壓力曲線控制。增壓過程的主要元部件或者裝置包括：高壓泵、換向閥、比例流量閥、比例溢流閥、插裝閥與高壓工作缸。

1.2 液壓機增壓原理

高壓泵運行產生高壓油液，換向閥控制高壓油路的方向，比例流量閥控制進入高壓工作缸的介質油流量。通過向定容量的高壓工作缸里不斷注入介質油，實現高壓工作缸增壓。

增壓過程滿足液體壓縮公式[4]，如下：

式中V為工作缸的有效容積，V0為工作缸內壓力達到P時需往缸內注入的介質油體積。

1.3 液壓機增壓控制方法

控制比例流量閥的開口度，即可控制進入高壓工作缸的介質油體積，進而控制升壓過程。采用連續型、自適應閉環控制算法，由控制器實時計算比例流量閥開口度，即可實現升壓過程曲線控制。

2 數字化系統研究與設計

彈藥成型裝備數字化系統的目的是實現現場控制層、車間層與管理層分級控制[5]。系統總體構架如圖1所示。

圖2 現場控制層硬件設計

2.1 現場層設計

現場層完成設備的現場檢測、控制與指示等功能。具體包括：液壓泵、電磁閥、比例閥等執行部件單動控制，手動控制，壓力檢測與報警，真空泵控制與真空度檢測，安全聯鎖控制等。

2.1.1 現場層硬件設計

現場層硬件主要為智能儀表和以SIMATIC S7-300 PLC為主處理器的電氣控制系統。儀表實現壓力檢測、報警與安全控制；PLC主要實現按鈕、檢測開關、執行部件、傳感器等信號的輸入輸出、邏輯與數值計算、工藝數據存儲等功能。PLC與智能儀表通過RS232接口的Modbus協議實現通信?，F場層采用Profibus總線與車間層控制器通信。現場層硬件設計如圖2所示。

2.1.2 現場層軟件設計

現場層軟件采用SIMATIC Step7工具開發，采用輪訓式的程序結構。各個功能塊在OB1里調用實現，中斷型程序在0.1秒中斷塊OB35實現，啟動時執行一次的程序在OB100里實現。現場層控制軟件功能包括：手動控制、自動控制、壓力與真空傳感器檢測、壓力曲線控制、運動滑塊行程與速度測量、配方管理與安全聯鎖等。現場層軟件流程圖如圖3所示。

2.2 車間層設計

車間層實現工藝人員的對設備的操作，主要包括：工藝數據參數設定、工藝模擬與曲線下載、過程自動記錄保存與查詢、設備故障自診斷、狀態設定、設備運行歷史記錄等功能。

2.2.1 車間層硬件設計

車間層以工控機作為硬件平臺，具備總線與RS232串口接口，能連接集線器HUB或者路由器，具備通信擴展接口功能。工控機與現場控制層通過Profibus總線通信，與管理層通過以太網通信。

圖3 現場層軟件流程圖

2.2.2 車間層軟件設計

車間層軟件主要為人機交互界面軟件，采用KingView6.53開發。車間層軟件采用界面管理方式，主要包含的軟件畫面包括：開機用戶權限管理畫面、主畫面、參數設定畫面、自動壓制過程仿真與監控畫面、歷史數據記錄與查詢畫面、報警畫面、故障診斷畫面等。人機交互界面軟件主畫面如圖4所示。

圖4 車間層人機交互軟件主界面

2.3 管理層設計

管理層實現企業級對成型裝備的工藝過程、制造進度、安全運行、制造過程質量等管理。主要功能包括：制定生產計劃并對生產進度進行管控，編制、校對、審核并批準工藝卡片，監控設備重要工藝參數、故障報警、安全運行、過程質量控制等。采用基于.Net或者Java等開發工具進行軟件開發。管理層軟件包括：工藝審核與批準管理模塊、工藝參數計算與仿真模塊、關鍵工藝數據實時記錄與查詢模塊、制造過程實時監控與查詢模塊、制造進度管控與質量管理模塊等。

3 增壓過程建模、算法設計與仿真

對增壓過程辨識數學模型，設計控制器與控制算法并進行仿真，為實物研制提供理論依據。

3.1 增壓過程建模

3.1.1 增壓過程系統特性

液壓機增壓過程為單輸入單輸出的連續控制系統。影響壓力曲線控制精度的非線性因素有：油液溫度變化、坯件體積壓縮、粘度、工作介質油等，這些因素對控制精度影響較小，可以忽略[6]。

3.1.2 增壓過程模型推導

根據控制信號、比例閥流量、注入高壓缸介質油體積與缸內壓力的數值關系，得到控制信號與缸內壓力的數學關系。設控制信號i(t)，比例流量閥系數k0，比例流量閥流量Q0(t)，工作缸體積V0，初始壓強P0，液壓油壓縮系數K，注入介質油體積V，注入ΔV介質油后缸內壓力增量ΔP。

控制信號與比例閥流量關系：

介質油注入工作缸后，由液體壓縮公式得到關系式：

由于ΔV＜＜V0，忽略ΔV，得到：

進一步變化形式，得到：

由于壓力與體積均為連續變量，故可微分，得到：

數值上，比例流量閥的流量等于注入缸內介質油體積的微分，即：

聯合式(2)～式(7)，得到增壓系統的微分方程：

實驗方法計算系統的慣性常數，代入各個已知參數，得到增壓系統模型傳遞函數：

3.2 增壓過程控制算法設計與參數優化

增壓過程為一階連續、低慣性、近似線性時不變系統。非線性因素對控制精度影響較小，基于改進型PID控制器負反饋控制策略可對模型近似后引起的曲線控制精度誤差進行補償。

3.2.1 控制算法設計

增壓控制采用分時開環與閉環控制算法。起始階段采用開環，對比例閥開口度固定值控制，到達起始點后轉為閉環控制。閉環控制采用開口度帶限的PID閉環控制策略?？刂扑惴ㄈ鐖D5所示。

圖5 壓力曲線控制策略

3.2.2 控制器設計、參數整定與優化

增壓控制是一種跟隨控制系統，PID控制器可應用于增壓過程曲線控制。壓力控制系統屬于低滯后系統，采用比例-積分控制策略。通過仿真實驗，控制器比例系數為0.04，積分時間常數為5s。

3.3 增壓過程控制算法仿真

3.3.1 仿真平臺組建

采用SIMULINK軟件實現增壓系統數學模型與PID控制器，構建仿真平臺[7,8]。如圖6所示。

3.3.2 仿真實驗

對一種常用的由圓、橢圓與直線組成的曲線開展控制算法仿真。跟隨曲線函數如式(10)所示。

開展工藝仿真后，仿真曲線如圖7所示。

圖6 升壓系統SIMULINK仿真平臺

圖7 工藝仿真曲線

4 結論

研究了彈藥成型裝備數字化系統的組成，研究了一種現場層、車間層與管理層軟硬件系統的設計方法。針對成型裝備增壓過程高精度壓力曲線控制的需求，研究了增壓過程建模、控制算法設計、控制器參數確定，并采用SIMULINK仿真平臺對常見工藝曲線進行仿真實驗。本文所述的科研成果已經應用于彈藥成型裝備的數字化系統設計，取得較好的使用效果。

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