1 引言

隨著高質量鍛壓產品在機械制造、軍工、航空航天、核電、海上平臺以及石油化工行業的廣泛應用，特別是大型異形鍛件，市場前景廣闊。要形成批量生產和技術含量高的產品，對于設備裝備的穩定性運行是一個不小的挑戰，尤其是可靠的電氣液壓控制系統直接決定動作的轉換節奏，穩定的控制精度方能在鍛造中精確控制鍛件形態，滿足工藝要求。

2 基本工藝流程和要求

鍛造車間的20MN快鍛機組，有1臺主壓機和2臺操作機組成，生產時由操作機夾持各種錠型，送入壓機。完成壓機的快下、慢下、加壓、回程，同時要求操作機配合壓機的動作完成旋轉，前進、后退、上傾、下傾。所有動作因考慮平穩，由液壓控制完成。

根據生產鍛造工藝壓機在自動常鍛時，要求壓機加壓力達到20MN級，鍛造壓下量≥100mm,每分鐘20~40次，同時要滿足自動快鍛時，壓機加壓力達到16MN級，鍛造壓下量為5mm,每分鐘75~85次的精確控制，還需要兼顧加熱退火工序工藝，因此在時間和動作的銜接，上述配合首先必須滿足頻次控制。并在運行中通過上位機的壓下尺寸控制，不斷修改、刷新尺寸并產生反饋值給上位機。

為了使每個動作精確銜接，除了在PLC控制中要求穩定性和響應速度外，還要處理大量的外部壓力、溫度、位移傳感器、編碼器、等開關量、模擬量信號，主要鍛造閥還引入了伺服閥去控制大流量液壓閥頻繁換向。

3 PLC電控系統組成

3.1 硬件組態中出現的問題

理想狀態下采用高性能西門子S7-400可編程控制器，搭載ET200M系列產品作為分布站，以S7-400 PLC處理器為中心，與遠程I/O構成PROFIBUS-DP總線網絡系統，對機組進行順序控制、邏輯控制和精度控制，根據預設工藝參數和要求，實現各部動作，應能滿足要求。

然而，在進行各動作分析后發現大量的I/0點和遠程站點的通訊對CPU運行產生了影響，可靠性不足，往往中斷連續的動作。在控制中既要掃描連接各操作機及輔助遠程ET-200，運行I/O的狀態，又要處理即時數據通訊，常常出現動作響應慢和邏輯判斷錯誤，或發生某一故障點CPU中斷，從而影響系統的穩定性。

圖1. 雙CPU穩定的組態

3.2 解決的辦法

如圖1所示：針對這一問題，基于快速鍛造工藝近似苛刻的要求，如果能在控制系統中增加備用關鍵設備,一旦工作中系統發生故障,控制系統便以最快速度啟動,從而維持系統的正常工作。

工業控制領域中,一些大型的工業生產線往往要求連續運行不能停頓, 利用雙CPU的冗余控制是一種滿足連續生產要求、提高系統可用性的有效手段。若采用雙CPU的PLC控制器，并考慮硬件成本，以軟件方式實現CPU冗余控制。如下通訊編程（設置）：

在地址和中斷分配中利用雙CPU可以訪問在使用STEP 7組態期間分配給它們的模塊地址。分別設定CPU不同的MPI地址通過總線從一個CPU對另一個CPU編程。通過K總線通訊（Communciation，德文則是Kommunciation）不但可拆開處理一個復雜的任務，在增加系統資源的情況下，而且又不會增加I/O點數。實踐證明，這種設計給PLC后續的穩定運行打下了堅實的基礎。

3.3 液壓控制系統中軟件設計出現的問題

由于系統壓力高，流量大，換向頻繁，閥的動作次數多給管路和閥體直接帶來了振動，對管道的沖擊也大，在生產運行中尤其是精鍛期間，可在液壓站聽到強大的沖擊聲，產生了大量熱量，熱量的傳遞使各管接頭密封開始老化。此外對整個液壓系統閥體的穩定性帶來影響。

如在生產伊始，就曾出現壓機頻次和壓下量達不到要求，同時油溫的超高導致密封件的損壞而產生漏點，進而導致高壓膠管破裂。

3.4 解決的辦法

目前國內普遍采用高性能比例閥，變量泵控制相結合，經軟件仿真分析，工作過程通過S7-400系列工業可編程近似于壓機運行的正弦曲線，以滿足穩定驅動執行元件，系統控制精度好、響應頻率高。

其最顯著特點是先導控制用油與系統工作油液完全隔離，只需單獨處理小流量的控制油，從而避免了因比例控制對系統大流量油液的苛刻要求而大幅度增加設備負荷和維護問題。選用力士樂VT-VSPA1-1型比例流量閥，如圖2雙電磁鐵時特性曲線。

圖2. 雙電磁鐵時特性曲線

在編程過程中，除對比例閥輸出“位移”采用閉環控制的方式外，還要考慮比例閥電流信號輸入線性的影響，為了保證鍛壓過程中油壓響應的快速性，在編程中用軟件對比例閥的特性進行修正。如圖2比例閥的特性曲線在斜率逐漸變化，避免震蕩。因此，在編程時對模擬量輸入采用正旋曲線按比例閥的電流電位計，以滿足穩定驅動執行元件近似計算出的油壓值進行補償修正。

圖3. 用程序控制比例閥的正弦曲線

在程序控制中通過不斷修正MD370的值按照0-π/2的取值范圍，再將MD370（自定義）的值賦給MW128配合模擬量輸出在OB1模塊里的PQW516（自定義）和PQW518（自定義），去控制2WRC（雙電磁鐵）的輸入電流，根據反饋位移值，不斷調整放大器的斜坡和差動偏流，近似的達到如下圖所示的模擬曲線。

圖4. 仿真模擬曲線

需要注意的是在快速鍛造液壓機的實際生產應用中，尤其是上線以來運行一段時間，控制往往會發生一定的偏移，因此并在日常維護中，根據現場流量的控制，需要檢測比例閥的電流輸入信號，在外加電源DC24時，當給定電壓值（電流值）變化時，通過反饋電壓的變化，調整上位機流量給定值和放大板的比例積分、微分設置來適應生產的需要。

4 結束語

在大流量鍛壓設備雙CPU軟件冗余控制和仿真曲線程序設計的應用下，大大減少了本身系統油壓的沖擊，減少了大量的維護量，而且平穩的液壓控制使人機能直接對話，實時根據生產需要調整，可靠性極強，為產品的質和量帶來強有力的保障，值得在液壓鍛造或沖擊力比較大的設備技術改造中借鑒使用。