萬噸模鍛液壓機的柔性控制系統(tǒng)

文／田巍·天津市天鍛壓力機有限公司

模鍛液壓機是生產(chǎn)鎂鋁合金和鈦合金模鍛件的重要設備，在國際和航空工業(yè)的模鍛件生產(chǎn)中有著不可替代的作用。而隨著航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對模鍛件的要求也朝著大型、重型方面發(fā)展，因此萬噸級模鍛液壓機作為大型、重型模鍛件的關鍵生產(chǎn)設備，其需求量不斷增加。同時由于萬噸級模鍛液壓機在工作時具有流量大、慣性大的特點，大流量和大慣性使得液壓機工作時的液壓沖擊也很大，巨大的液壓沖擊不僅使得設備的故障率居高不下，還嚴重影響設備的正常使用壽命和鍛件質(zhì)量。因此如何通過有效的電氣液壓系統(tǒng)設計和柔性控制系統(tǒng)來減小甚至消除萬噸級液壓機工作時的液壓沖擊成為了研究方向。本文將就此類液壓機一種典型應用中的柔性控制系統(tǒng)加以詳細介紹。

印度SQUAD公司是世界頂尖的航空航天用不銹鋼、高溫合金及鋁合金、鈦合金大型鍛件的生產(chǎn)公司，是空客、波音、通用、斯奈克瑪、古德里奇、阿海琺等國際著名企業(yè)的指定材料供應商。本機是為SQUAD公司設計生產(chǎn)的100MN模鍛液壓機，主要應用于航空類大型鎂鋁合金模鍛件的生產(chǎn)。本機主機結構采用拉桿預應力組合框架式七缸結構形式。主要部件由機身、主油缸（1個柱塞缸）、側(cè)油缸（4個柱塞缸）、回程缸（2個柱塞缸）、移動工作臺、下頂出裝置等部分組成。

電氣液壓系統(tǒng)設計及控制原理

液壓系統(tǒng)結構

⑴主動力系統(tǒng)。14臺比例泵構成本設備的動力系統(tǒng)，每個泵都有一套獨立的控制單元，可以自由的加入和退出主油路的輸出。單個比例泵的最大輸出流量370L/min，14臺共計5180L/min。

⑵滑塊動作系統(tǒng)。滑塊上腔設有壓力分級閥塊，以實現(xiàn)液壓機壓力分級功能。滑塊回程腔油路在配置了支撐閥和快下閥之后，又增加了一套比例流量插裝閥與快下閥串聯(lián)使用，用以實現(xiàn)滑塊在自重下行時回程腔被動排油的無級調(diào)節(jié)。

⑶其他動作系統(tǒng)。用以驅(qū)動頂出缸、液壓鎖、控制油路和工作臺油路等部件動作。

電氣控制系統(tǒng)拓撲結構

⑴工業(yè)控制計算機。作為系統(tǒng)的上位機和人機交互接口，通過交換機以TCP/IP協(xié)議與PLC進行通訊。通過工控機可以對整個壓機進行運行狀態(tài)的監(jiān)視、參數(shù)設置、故障監(jiān)視診斷、數(shù)據(jù)分析等等。

⑵PLC。整個壓機電控網(wǎng)絡的核心，使用S7-400CPU作為整個控制系統(tǒng)的主站，建立起基于Profinet通訊協(xié)議的網(wǎng)絡架構。CPU從各個分布式IO站點獲取各種傳感器的信號，并通過IO站點的模塊來控制各個執(zhí)行機構的動作。同時CPU上的Profinet通訊接口也支持PLC通過交換機以TCP/IP協(xié)議與工控機進行通訊。

⑶動力從站。Profinet從站，負責比例泵流量信號控制和比例泵控制單元開關閥的通斷控制，負責比例泵泵出口壓力信號的采集。

⑷上梁從站。Profinet從站，負責滑塊動作系統(tǒng)電磁閥的控制和壓力信號采集，負責滑塊回程腔比例流量插裝閥的控制輸出。

⑸上梁位移采集模塊。基于Profibus通訊協(xié)議的模塊，負責壓機四角位移信號的采集。

⑹其他從站。Profinet從站，負責壓機其他部分信號的采集和控制輸出。

⑺壓力傳感器。將壓力信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的電信號并接到PLC的信號采集模塊上。BP01～BP14：檢測比例泵泵出口的壓力信號，該信號通過分支器分為兩路，一路去PLC信號采集模塊，集成到PLC中做控制分析和顯示的作用；另一路去比例泵電子放大板（比例泵外部電子控制器）用作純控制作用。BP15～BP20：主機活動部件液壓腔的壓力檢測，直接進入到PLC的信號采集模塊，集成到PLC中做控制分析和顯示之用。

⑻位移傳感器：將位移信號轉(zhuǎn)換數(shù)字脈沖，并傳送給專門位移信號采集模塊，其檢測位移精度可以達到1μm。BQ1：左后角位移檢測；BQ2：左前角位移檢測；BQ3：右前角位移檢測；BQ4：右后角位移檢測。

⑼比例泵。可以通過調(diào)節(jié)比例泵外部電子放大板的信號給定來實現(xiàn)比例泵流量的無級調(diào)節(jié)。在本控制系統(tǒng)中，0～10V的電信號對電子放大板的控制對應著比例泵0～100% 的流量輸出。

液壓機動力系統(tǒng)柔性控制方法

系統(tǒng)硬件構成

⑴控制器：S7-400PLC，CPU412-2PN，控制系統(tǒng)運算核心。

⑵傳感器：位移傳感器檢測滑塊的位移，壓力傳感器檢測比例泵泵出口的壓力。

⑶比例泵：執(zhí)行機構，PLC通過控制比例電子放大板的信號大小來控制比例泵流量輸出的多少。數(shù)量14，單臺流量變化范圍0～370L/min。

⑷滑塊主油缸：數(shù)量1，內(nèi)徑1680mm。

⑸滑塊側(cè)油缸：數(shù)量4，內(nèi)徑550mm。

⑹滑塊回程缸：數(shù)量2，內(nèi)徑475mm。

技術要求

滑塊工作速度：0～25mm/s，回程速度最大150mm/s。

系統(tǒng)流量供給控制方法

對于油缸而言，動力系統(tǒng)流量供給與油缸進給速度之間關系見公式①：

Q=60πD2V/(4×106) ①

其中：D-油缸直徑（mm）；V-油缸進給速度（mm/s）；Q-系統(tǒng)流量供給目標值（L/min）。

對于本臺設備的油缸驅(qū)動系統(tǒng)而言，滑塊下行動作主要從滑塊主油缸和滑塊側(cè)油缸進油。根據(jù)上述公式，可以計算出滑塊下行時任意速度所需要的系統(tǒng)流量供給Q。

對本臺設備的動力系統(tǒng)而言，其中任意單臺比例泵流量輸出都可以實現(xiàn)從0到100%的變化(對應流量0～370L/min），根據(jù)這種特性，采取控制策略如下：首先規(guī)定好單臺比例泵流量輸出最大值QAmax，然后將系統(tǒng)流量供給目標值Q進行分解，分解公式見公式②：

Q = kQAmax+1×QA ②

其中：Q-系統(tǒng)流量給定目標值（L/min）；k-整數(shù)，表示進入輸出序列的比例泵數(shù)量，取值范圍0～14；QAmax-單臺比例泵流量輸出最大值（L/min），該數(shù)值可變，可按需設定；QA-Q分解余量（L/min）。

系統(tǒng)流量供給目標值Q按上述公式進行分解，得出以單臺最大流量QAmax輸出的泵數(shù)量為k，以Q分解余量QA輸出的比例泵數(shù)量為1，則進入流量輸出序列的比例泵數(shù)量為(k+1)，系統(tǒng)中不在輸出序列的比例泵數(shù)量為[14-(k+1)]。

根據(jù)公式①、②計算出不同的滑塊下行速度設定值對應的系統(tǒng)流量供給目標值Q以及Q分解后比例泵數(shù)量k和QA對應的流量百分比如表1所示。

下面就根據(jù)表1來簡述柔性控制系統(tǒng)對滑塊從開始啟動階段到從高速到低速階段的控制過程（滑塊工作速度都是從高速到低速變化，沒有從低速到高速的變化）。

⑴開始啟動階段。

由滑塊下行速度設定值計算出系統(tǒng)流量供給目標值Q和比例泵投入數(shù)量k+1之后，系統(tǒng)流量供給從0到Q的變化如果采用階躍給定，一是對液壓管路以及閥組沖擊大，容易增加設備的故障率，不利于設備保養(yǎng)；二是當比例泵流量增加過快時，對泵自身也有一個沖擊，對比例泵的長期使用不利，長此以往也影響泵的正常使用壽命。因此系統(tǒng)流量的增加應該采用曲線方式，可以通過調(diào)節(jié)比例泵電子放大板的加速增益來改變比例泵的加速曲線，但是該種方法的專業(yè)性很強，需要調(diào)試人員有豐富的經(jīng)驗，另外一旦電子放大板的加速增益改變了，該放大板就變成針對特定比例泵特殊定制的硬件，如果放大板損壞，新放大板必須重新調(diào)整加速增益方可使用，這降低了放大板的通用性，增加了其調(diào)試專業(yè)門檻。因此在程序中設計了一套阻尼發(fā)生器，通過軟件方式來改變比例泵的加速曲線，該種方法不依賴于電子放大板等外圍硬件，僅依靠PLC內(nèi)部程序，工程師調(diào)定好參數(shù)之后，即使外圍硬件損壞，重新更換硬件就可以達到原來效果，使得維護簡單可靠。

⑵從高速到低速階段。

滑塊速度從高速變化到低速時，需要將系統(tǒng)流量供給目標值Q減小。現(xiàn)以滑塊速度從25mm/s減速到5mm/s為例分析。通過表1可得出這兩個速度段分別對應的系統(tǒng)流量供給目標值Q(25)=4750L/min和Q(5)=950L/min[以Q(25)表示25mm/s對應的系統(tǒng)流量供給目標值，Q(5)表示5mm/s對應的系統(tǒng)流量供給目標值，下同]。

表1 不同滑塊下行速度對應的Q、k及QA值

系統(tǒng)供給流量從Q(25)降到Q(5)，有兩種方法可以實現(xiàn)該目標，一種是并聯(lián)控制，將輸出序列中k+1個比例泵視為一體，其輸出流量百分比同步減小，達到減小流量供給的目的。一種串聯(lián)控制，根據(jù)目標Q(5)的值，重新計算出輸出序列中比例泵數(shù)量[k(5)+1]，然后將現(xiàn)輸出序列中多余的比例泵關閉。在實際應用中并聯(lián)控制的優(yōu)點在于輸出序列的所有比例泵輸出流量百分比同步減小，程序上實現(xiàn)起來比較簡單，其缺點在于若滑塊減速比較大時，比例泵輸出流量百分比最終的目標值過小。如本例而言，從表1可知25mm/s時在輸出序列中泵數(shù)量為13個，其流量輸出降到目標值Q(5)時，每個泵的流量輸出百分比變成19.7%，該流量百分比有些小，對于這么多泵而言不是一個有效率的輸出方式。相比之下串聯(lián)控制根據(jù)Q(5)值重新計算之后，其輸出序列泵數(shù)量如表1所示為3個比例泵，對于Q(25)對應的13個比例泵，關閉了10個比例泵。相比并聯(lián)控制讓13個泵都處于低百分比輸出的低效率運行方式，串聯(lián)控制讓3個泵處在高百分比輸出的高效率運行方式，其他10個泵處在空循環(huán)的節(jié)能運行方式，因此在這個階段的控制方式采取串聯(lián)控制的方式。

結束語

隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，對于萬噸級模鍛液壓機的需求越來越高，針對于該類設備的柔性控制系統(tǒng)也得到越來越多的應用。本文所闡述的控制系統(tǒng)應用于我公司為印度SQUAD公司設計的100MN模鍛液壓機上，運行情況良好，各部件動作流暢無沖擊，有效保證了整機正常運行。