四種粉末成形壓機電液比例伺服系統淺析

張海山，李進，王卓，?？∷?，朱改新，李佳如

（1.上海蘭石重工機械有限公司，上海 201108；2.蘭州蘭石重工機械有限公司，甘肅 蘭州 730714）

0 引言

粉末成形壓機是粉末冶金行業的重要設備之一，它通過加壓、加熱方法使粉末成形。為了使粉末均勻地分布在一個復雜的零件模具，并最終壓制出精確復雜的零件，必然需要多個執行機構的協同工作[1]。

很長時間以來，粉末成形壓機采用液壓+機械的方式實現模架的控制。該方式往往導致液壓系統龐大，機械結構復雜，成本高，維護困難，零件加工品種單一，在應對今天千變萬化的市場需求時就顯得力不從心。市場迫切需要具有更多柔性，更高精度的設備。而電液比例伺服系統通過電氣軟硬件平臺來實現傳統的由液壓機械完成的控制，大大簡化了傳統粉末成形壓機的液壓和機械結構的復雜度，同時，電液比例伺服系統還可通過人機接口根據不同的產品需求靈活地配置不同的加工程序，使粉末成形壓機從固定單一化產品生產轉變為柔性化多樣化產品生產。

1 電液比例系統的構成

電液比例伺服系統采用控制器+液壓庫作為主控單元，通過電氣信號驅動電液比例閥，將小功率電信號轉換為大功率的液壓動力，從而實現類似電氣伺服的單軸定位、多軸耦合等控制。

電液比例伺服系統由以下幾個部分構成[2]，如圖1 所示：①液壓油箱；②液壓泵；③電液比例方向閥+比例放大器；④位移傳感器（測量反饋系統）；⑤控制器及與其配套的液壓庫。

圖1 電液比例伺服系統構成

該系統中，控制器根據設定量和反饋量的偏差值，通過其液壓庫軟件計算出輸出值，以模擬量形式從端口輸出，通過比例放大器來控制比例換向閥的開度和方向，從而控制液壓缸的運動方向和速度；測量反饋系統的信號通過接口模塊將信號實時反饋給控制器，從而完成閉環控制。通過兩個壓力傳感器，也可以實現壓力、力的閉環控制。如果系統中有多個類似液壓缸（同樣適用于液壓馬達），可實現多軸同步等復雜控制。

2 四種電液比例伺服系統

2.1 西門子SIMOTION C

SIMOTION 是西門子的運動控制系統，目前SIMOTION 家族有三種硬件平臺，即基于控制器的SIMOTION C、基于PC 的SIMOTION P 和基于驅動的SIMOTION D。每個硬件平臺都有其自身的優點，分別在特定應用中使用。當只作液壓軸驅動控制器時，推薦采用SIMOTION C。SIMOTION C 分為C240 和C240PN，采用與西門子S7-300 PLC 相同的模塊化設計，使用靈活，可以擴展S7-300 PLC 的I/O 模塊及功能模塊。SIMOTION C240 本體具有4 個模擬量驅動/步進電機驅動接口，用于連接驅動器，可通過模擬量模塊或總線（PROFIBUS 或PROFINET）擴展，最多可帶32 軸[3]。

西門子SIMOTION C 編程環境采用SCOUT 軟件，通過工藝對象（TO）方式配置液壓軸，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，SIMOITON 支持線性液壓軸和旋轉液壓軸，并且可被指定為標準運動控制，或標準運動控制+壓力控制，或標準運動控制+力控制等。所有參數配置通過對話框方式完成，交互性好。

圖2 SCOUT 液壓軸配置

SCOUT 軟件的液壓軟件包提供了豐富的液壓軸控制函數，如_enableAxis()使能軸、_pos()軸定位，_homing () 軸回原點等。除SCOUT 自帶函數外，SCOUT 也支持PLCopen 指令用于液壓軸控制。

SIMOTION C 也支持多液壓軸耦合、多液壓軸軌跡控制等，滿足各種液壓控制場合需求。并且SIMOTION 上市已久，有很多成功案例。只是開發系統和手冊以英文為主，對開發設計人員英文有一定要求。

2.2 西門子S7-1500(T)及其LSimaHydTO 液壓庫

S7-1500（T）是西門子公司新一代控制器，集成了運動控制、工業信息安全和故障安全功能。采用界面友好的TIA 博途軟件，其從推出之日起，就成為行業應用的熱點。

當前的SIMATIC S7-1500（T）控制器固件版本不直接支持液壓軸。無法如SCOUT 一樣在軸類型配置界面直接選擇液壓軸，而是通過組態電氣伺服軸配合“LSimaHydTO”庫進行液壓軸的閉環控制。S7-1500（T）工藝對象與LSimaHydTO 液壓庫的結構關系如圖3 所示。

圖3 S7-1500（T）工藝對象與LSimaHydTO 液壓庫的結構關系圖

借助“LSimaHydTO”液壓庫中的模塊化功能塊，擴展SIMATIC S7-1500（T）的工藝對象，無論是閥控液壓應用還是那些帶有可變轉速的泵驅動器都可以實現。SIMATIC S7-1500（T）的定位/同步軸工藝對象的運動控制功能可用于所含液壓軸的運動控制。

在“LSimaHydTO”庫中，SIMATIC S7-1500（T）中存在的液壓軸由控制器中創建的工藝對象驅動，工藝對象與液壓軸連接，實現液壓軸驅動功能的實現。使用集成在控制器中的運動控制指令，可以如下方式控制并操作液壓軸：將液壓軸創建為定位軸或同步軸；通過“MC_Power”運動控制功能使能液壓軸；全面支持基本的運動控制功能，例如“MC_Reset”和“MC_Home”；通過“MC_MoveJog”運動控制指令以點動模式移動液壓軸功能；通過SIMATIC 控制器中包含的運動控制功能以實現閉環的位置控制；如果液壓創建為同步軸，可以使用控制器中的同步功能；液壓反饋控制包含液壓軸的位置控制和壓力/力控制，以及液壓閥的閥特性曲線 用于在反饋控制中補償液壓閥的非線性[4]。

從上述功能描述可知，SIMATIC S7-1500（T）在電氣伺服軸工藝對象基礎上，通過擴展庫的形式間接實現了液壓軸的閉環控制，這種方式決定了，在應用過程中需要處理的接口和數據相對比較多，并且該庫推出不久，應用的案例和文檔不多，后續如果SIMATIC S7-1500（T）固件直接支持液壓軸，會是非常好的選擇。

2.3 倍?？刂破骷捌湟簤簬?/h3>

德國倍福公司是PC 控制技術的領導者，目前擁有工業PC、現場總線模塊、驅動產品和TwinCAT 自動化軟件平臺（如圖4 所示），構成了一套完整的、相互兼容的控制系統。

圖4 TwinCAT3 軟件平臺

倍?？刂破髋浜蟃winCAT 軟件平臺的液壓庫可以組成電液比例伺服系統，在軟件實現時，TwinCAT軟件直接引入液壓庫TF5810，調用對應函數即可實現復雜液壓軸控制。

TwinCAT 液壓庫主要特點[5]：TwinCAT 液壓庫（TF5810）提供閥和泵控制的軸或伺服泵所需的所有軟件功能；液壓庫使用標準化的PLCopen 接口；液壓軸的優化操作都可以通過適當的設定值發生器、自動特性曲線識別、分段運動和在力、壓力和位置控制之間的自由編程切換實現；能夠實現具有匹配的CPU 性能的任意數量軸的高級運動控制；當使用TwinCAT NC I 或TwinCAT CNC時，液壓軸可以在插補模式下運行；TwinCAT 液壓庫支持與倍福I/O 系統配套的所有通用接口。

倍福液壓庫是應用比較廣泛的通用電液比例伺服控制系統之一，在金屬加工、注塑等很多行業都有比較成功的應用案例，比如液壓式數控彎箍機、注塑機等。Twincat 軟件界面友好易學易用，但是在液壓庫應用方面，相對資料不多，且多為英文，開發人員需要一定時間積累和學習，才能真正發揮TwinCAT 平臺的強大功能。

2.4 專用液壓軸控制器

為了適應市場需求，許多液壓件生產廠家推出專用于液壓軸控制的控制器，比如穆格的MSCIII、博世力士樂的HMC 等。

出于多種因素綜合考慮，筆者選擇了在粉末成形壓機行業應用較多的美國Delta 計算機公司的RMC 專用液壓軸控制器。RMC 控制器有三個系列，分別是RMC70 單軸和雙軸控制器，RMC150/151 2/4/6/8 軸控制器，RMC200 32 軸控制器。

RMC 控制器支持位置控制、壓力、力的控制、多軸耦合控制等多種控制模式[6]。

RMC 控制器采用RMCTOOL 軟件編程對控制器編程[7]，RMCTOOL 軟件類似填表格式的編程語言，簡單易用，如圖5 所示，官網下載可直接應用。

圖5 RMCTool 軟件編程語言

RMC 控 制 器 支 持RS232、RS485、Ethernet/IP、profinet 等多種通信方式，可與主控PLC 直接通信。易于組成分工明確的控制系統，如圖6 所示，是采用了專用控制器后的典型系統架構圖，主控PLC 完成設備整體邏輯控制，以通信方式發送控制指令和定位參數給液壓軸控制器，由液壓軸控制器完成液壓軸的復雜定位控制。

圖6 典型系統架構圖

采用這個結構的好處是，專用液壓控制器一般功能單一，對開發設計人員學習比較快，并且控制器廠家可以提供有針對的培訓和技術支持，幫助開發人員盡快上手；另外，可實現分工協作編程，PLC 工程師和液壓軸控制器編程工程師分別編程調試，各司其職，最大限度節約了調試時間。只是需要考慮的，專用液壓軸控制器價格相對比較昂貴。

3 總結

（1）西門子SIMOTION 和倍福液壓庫在液壓軸控制應用方面相對資料不多，且大多是英文文檔，技術人員熟悉和技術積累所需時間稍長，成本中等，但是利于構成單控制器的系統，不存在與第三方專用控制器通信等問題，利于現場維護人員的后期設備維護。

（2）西門子S7-1500（T）的LSimaHydTO 液壓庫推出不久，應用還不是很廣泛，資料不多。在實際應用前，建議做一些驗證性實驗。但因其采用的TIA 博途中文編程環境，相對較易于被廣大熟悉西門子PLC 的工程師接受。

（3）PLC 與專用液壓軸控制器組成的電液比例伺服系統，一般成本較高，但是易于調試，易于分工協作，縮短了產品上市時間。

（4）需要注意的是，電液比例伺服系統與電氣伺服系統（通常執行元件是伺服電機）不同。伺服電機根據給定改變運行速度，響應快，動態特性好，給定與輸出之間呈線性關系；而電液比例伺服系統因其液壓油的物理特性決定了其響應速度和動態特性都較低，而且在電液比例伺服系統啟動、停止及換向時都會出現大滯后，這就導致了給定信號與執行速度之間的非線性關系[2]。這種非線性的關系曲線通常需要技術人員手動標定或者通過控制器自帶的自識別工具獲得。