大型模鍛壓機電氣液壓控制系統研究

王帥

摘 要：熱模鍛壓機是金屬熱成形的主要設備品種之一。近年來，由于其智能化、網絡化、高精度、大噸位、全程數據跟蹤等特點，在市場上占據了一席之地。大型模鍛壓機采用二次增壓方式，滿足壓力需求的同時又可以節能。本文根據大型模鍛壓機所采用三級分布式網絡控制系統的設計方案，分析其硬件的結構與功能以及軟件的應用與特點。

關鍵詞：大型模鍛壓機；電氣液壓控制；系統研究

1 前言

大型模鍛壓機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，是制造大型軍事和民用裝備的基礎設備。其能夠對大壓力、大流量的液壓系統進行精確控制，且在壓制過程中保持高同步性，主要依賴于強大的電氣、液壓控制系統以及一整套完善的故障診斷與處理機制。對于傳統的大型模鍛壓機來言，鍛壓過程中所產生的偏心載荷可以通過導柱承受，但是對于800MN大型模鍛機，全部載荷都加載到較小的工作臺面上，集中載荷使得導柱難以承受，這就需要采用位置閉環控制方法，利用液壓主缸來克服巨大的鍛造偏心力矩，從而保持活動梁的姿態和鍛造尺寸。采用三級分布式網絡控制系統設計方案，結構清晰，易于實現精確的位置閉環控制。

2 大型模鍛壓機結構和液壓原理

800MN大型模鍛壓機主要由機身、工作油缸、活動橫梁、液壓傳動系統和電氣控制系統組成（如圖1所示）。其中機身包括C型機架、上橫梁、下橫梁、導向桿等部分，工作油缸包括5個高壓主缸、4個同步缸、4個回程缸等部分。高壓主缸采用增壓器增壓方式使直徑1800mm的油缸能產生160MN的壓力，采用位置閉環控制方式，形成主動同步控制系統，保證了鍛件的位置精度。同步缸采用壓力反饋控制，形成被動同步控制系統，其特點是反應迅速、控制精細，存在于整個鍛壓過程中，始終糾正鍛件的偏心現象。回程缸在快速下降過程中起到穩定下降速度的作用，防止出現由于下降速度變化太快造成的波動現象，同時在回程過程中，起到快速回程的作用，增加了鍛壓機循環工作效率。

圖2為大型模鍛壓機液壓原理圖，主缸通過各自的液壓伺服系統實現加壓。當鍛造壓力小于400MN時，變量泵加載閥和增壓器旁通閥打開，增壓閥進油閥關閉，油液通過變量泵增壓直接進入主缸內，此時處于低壓壓制階段。當鍛造壓力大于400MN時，變量泵加載閥和增壓器進油閥打開，增壓器旁通閥關閉，使得油液通過變量泵增壓后，再由增壓器二次增壓，最后進入主缸內，形成兩級增壓的增壓方式，此時處于高壓壓制階段。利用增壓器和變量泵的配合工作實現低壓壓制和高壓壓制兩級壓制過程，使得壓力和位置控制更為精確，同時節省了能源。

3、電氣控制系統結構分析

大型模鍛壓機主要用于極限鍛造的情況，因此對電氣系統的穩定性和安全性提出了較高的要求。依據“集中管理、分布控制”的原則，采用三級分布式網絡控制系統方案，將大型模鍛壓機控制系統硬件分層為：系統級監控層、中間級核心控制層、現場級數據采集和執行層。

1）系統級監控管理層

包括工控機硬件、PC顯示器、WinCC開發系統。其中WinCC開發系統包含診斷報警數據庫、操作日志記錄、歷史數據歸檔及查詢、生產報表等，方便操作者進行診斷分析及數據處理。利用WinCC軟件開發的人機界面進行鍛造程序的選擇編輯、鍛造過程的實時監控及鍛造數據的記錄分析。通過簡單的操作，將控制指令、工藝要求參數等下載到PLC系統中，同時又根據PLC發送來的實時數據進行相應的監測和診斷并記錄到系統中，從而形成與PLC系統之間的交互。

2）中間級核心控制層

包括兩個S7-400型PLC系統，并通過數據通信模塊與其他部分相連。主PLC接收監控管理層發出的控制指令，并讀取傳感器中壓力、位置等反饋信號，完成對鍛壓機伺服系統和液壓泵的控制，并通過總線把鍛壓過程中實時采集到的壓力、位移、溫度等信號傳遞給人機界面，用于操作員實時監測。

3）現場級數據采集與執行層

包括Profibus現場總線連接的分布式I/O網絡、ET200s遠程I/O裝置、現場各種位置傳感器、應變測量傳感器、主電機啟動器、輔助電機啟動器及各種液壓執行原件等，主要完成現場數據的采集和控制指令的輸出執行等功能。每個PLC控制器具有單獨的ProfinetI/O網絡分支，其上含有許多位置節點，每個節點都包括電源、通訊模塊及數據采集的I/O卡。

4 閉環同步控制功能分析

在大型模鍛壓機上，尺寸公差要求高、加工裕量小，整個鍛壓過程中容差度很小，活動梁很小的傾斜就會極大影響鍛件精度，這樣就需要精確而迅速的控制方法。基于傳感器信號反饋的閉環同步控制成為目前相對成熟且精確的控制方法，其中包括被動閉環同步控制和主動閉環同步控制。

4.1被動閉環同步控制

被動糾偏油缸為等界面的雙作用油缸，兩兩對角線位置的被動糾偏油缸上下油腔互連，形成封閉系統。當產生偏心載荷時，活動梁發生側傾，一側下腔與另一側的上腔被壓縮，壓力升高，這一測上腔與另一側下腔容積增加，壓力降低，此時壓力差會形成一定的糾偏力矩，減緩這種側傾趨勢。同時蓄能器通過實際壓力與目標壓力之間的差值調節伺服閥開度來控制液體流動：向被壓縮的上下腔中補液并使容積變大的上下腔中液體流出，直到活動梁恢復到正常位置。具體液壓控制過程為：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，形成了被動糾偏力矩，克服偏心力矩被動。糾偏油缸雖然同步平衡能力較小，但反應迅速、控制精度高，在鍛造整個過程中始終保持同步平衡能力。

4.2主動閉環同步控制

當偏心載荷產生的偏心力矩超過被動糾偏油缸提供的最大糾偏力矩時，主動糾偏力矩成為主導糾偏力矩。通過安裝在活動橫梁四個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，采集活動橫梁四個角的位移和主缸內的流量、壓力等信號，來控制主缸內液體流量和壓力，使得工件重新回到設計鍛造位置，從而達到主動同步控制的目的。

5 結語

大型模鍛壓機結構緊湊、性能穩定。采用兩級增壓方式的液壓動力系統具有高壓大流量的特點，能夠滿足大型鍛件的鍛造要求。三級分布式網絡系統設計方法使得大型模鍛壓機的電氣控制系統結構清晰、操作便捷，管理與控制相分離，克服了集中式數字控制系統中對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，同時也利于系統故障的監測和診斷。

參考文獻

[1]薛春蘭.80MN熱模鍛壓機輪轂生產線的網絡控制系統[J].鍛造與沖壓，2009，（8）.

[2]趙德龍，娜仁莎.80MN熱模鍛壓力機控制系統設計[J].電子技術與軟件工程，2015，（5）.

（作者單位：太重（天津）濱海重型機械有限公司）