1 引言

隨著高質(zhì)量鍛壓產(chǎn)品在機(jī)械制造、軍工、航空航天、核電、海上平臺(tái)以及石油化工行業(yè)的廣泛應(yīng)用，特別是大型異形鍛件，市場(chǎng)前景廣闊。要形成批量生產(chǎn)和技術(shù)含量高的產(chǎn)品，對(duì)于設(shè)備裝備的穩(wěn)定性運(yùn)行是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，尤其是可靠的電氣液壓控制系統(tǒng)直接決定動(dòng)作的轉(zhuǎn)換節(jié)奏，穩(wěn)定的控制精度方能在鍛造中精確控制鍛件形態(tài)，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(jī)組，有1臺(tái)主壓機(jī)和2臺(tái)操作機(jī)組成，生產(chǎn)時(shí)由操作機(jī)夾持各種錠型，送入壓機(jī)。完成壓機(jī)的快下、慢下、加壓、回程，同時(shí)要求操作機(jī)配合壓機(jī)的動(dòng)作完成旋轉(zhuǎn)，前進(jìn)、后退、上傾、下傾。所有動(dòng)作因考慮平穩(wěn)，由液壓控制完成。

根據(jù)生產(chǎn)鍛造工藝壓機(jī)在自動(dòng)常鍛時(shí)，要求壓機(jī)加壓力達(dá)到20MN級(jí)，鍛造壓下量≥100mm,每分鐘20~40次，同時(shí)要滿足自動(dòng)快鍛時(shí)，壓機(jī)加壓力達(dá)到16MN級(jí)，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(shí)間和動(dòng)作的銜接，上述配合首先必須滿足頻次控制。并在運(yùn)行中通過(guò)上位機(jī)的壓下尺寸控制，不斷修改、刷新尺寸并產(chǎn)生反饋值給上位機(jī)。

為了使每個(gè)動(dòng)作精確銜接，除了在PLC控制中要求穩(wěn)定性和響應(yīng)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(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)，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(tǒng)組成

3.1 硬件組態(tài)中出現(xiàn)的問(wèn)題

理想狀態(tài)下采用高性能西門子S7-400可編程控制器，搭載ET200M系列產(chǎn)品作為分布站，以S7-400 PLC處理器為中心，與遠(yuǎn)程I/O構(gòu)成PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行順序控制、邏輯控制和精度控制，根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)和要求，實(shí)現(xiàn)各部動(dòng)作，應(yīng)能滿足要求。

然而，在進(jìn)行各動(dòng)作分析后發(fā)現(xiàn)大量的I/0點(diǎn)和遠(yuǎn)程站點(diǎn)的通訊對(duì)CPU運(yùn)行產(chǎn)生了影響，可靠性不足，往往中斷連續(xù)的動(dòng)作。在控制中既要掃描連接各操作機(jī)及輔助遠(yuǎn)程ET-200，運(yùn)行I/O的狀態(tài)，又要處理即時(shí)數(shù)據(jù)通訊，常常出現(xiàn)動(dòng)作響應(yīng)慢和邏輯判斷錯(cuò)誤，或發(fā)生某一故障點(diǎn)CPU中斷，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1. 雙CPU穩(wěn)定的組態(tài)

3.2 解決的辦法

如圖1所示：針對(duì)這一問(wèn)題，基于快速鍛造工藝近似苛刻的要求，如果能在控制系統(tǒng)中增加備用關(guān)鍵設(shè)備,一旦工作中系統(tǒng)發(fā)生故障,控制系統(tǒng)便以最快速度啟動(dòng),從而維持系統(tǒng)的正常工作。

工業(yè)控制領(lǐng)域中,一些大型的工業(yè)生產(chǎn)線往往要求連續(xù)運(yùn)行不能停頓, 利用雙CPU的冗余控制是一種滿足連續(xù)生產(chǎn)要求、提高系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)CPU冗余控制。如下通訊編程（設(shè)置）：

在地址和中斷分配中利用雙CPU可以訪問(wèn)在使用STEP 7組態(tài)期間分配給它們的模塊地址。分別設(shè)定CPU不同的MPI地址通過(guò)總線從一個(gè)CPU對(duì)另一個(gè)CPU編程。通過(guò)K總線通訊（Communciation，德文則是Kommunciation）不但可拆開(kāi)處理一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，在增加系統(tǒng)資源的情況下，而且又不會(huì)增加I/O點(diǎn)數(shù)。實(shí)踐證明，這種設(shè)計(jì)給PLC后續(xù)的穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 液壓控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問(wèn)題

由于系統(tǒng)壓力高，流量大，換向頻繁，閥的動(dòng)作次數(shù)多給管路和閥體直接帶來(lái)了振動(dòng)，對(duì)管道的沖擊也大，在生產(chǎn)運(yùn)行中尤其是精鍛期間，可在液壓站聽(tīng)到強(qiáng)大的沖擊聲，產(chǎn)生了大量熱量，熱量的傳遞使各管接頭密封開(kāi)始老化。此外對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)閥體的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。

如在生產(chǎn)伊始，就曾出現(xiàn)壓機(jī)頻次和壓下量達(dá)不到要求，同時(shí)油溫的超高導(dǎo)致密封件的損壞而產(chǎn)生漏點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致高壓膠管破裂。

3.4 解決的辦法

目前國(guó)內(nèi)普遍采用高性能比例閥，變量泵控制相結(jié)合，經(jīng)軟件仿真分析，工作過(guò)程通過(guò)S7-400系列工業(yè)可編程近似于壓機(jī)運(yùn)行的正弦曲線，以滿足穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，系統(tǒng)控制精度好、響應(yīng)頻率高。

其最顯著特點(diǎn)是先導(dǎo)控制用油與系統(tǒng)工作油液完全隔離，只需單獨(dú)處理小流量的控制油，從而避免了因比例控制對(duì)系統(tǒng)大流量油液的苛刻要求而大幅度增加設(shè)備負(fù)荷和維護(hù)問(wèn)題。選用力士樂(lè)VT-VSPA1-1型比例流量閥，如圖2雙電磁鐵時(shí)特性曲線。

圖2. 雙電磁鐵時(shí)特性曲線

在編程過(guò)程中，除對(duì)比例閥輸出“位移”采用閉環(huán)控制的方式外，還要考慮比例閥電流信號(hào)輸入線性的影響，為了保證鍛壓過(guò)程中油壓響應(yīng)的快速性，在編程中用軟件對(duì)比例閥的特性進(jìn)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(shí)對(duì)模擬量輸入采用正旋曲線按比例閥的電流電位計(jì)，以滿足穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件近似計(jì)算出的油壓值進(jìn)行補(bǔ)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(guò)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(jù)反饋位移值，不斷調(diào)整放大器的斜坡和差動(dòng)偏流，近似的達(dá)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(jī)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，尤其是上線以來(lái)運(yùn)行一段時(shí)間，控制往往會(huì)發(fā)生一定的偏移，因此并在日常維護(hù)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流量的控制，需要檢測(cè)比例閥的電流輸入信號(hào)，在外加電源DC24時(shí)，當(dāng)給定電壓值（電流值）變化時(shí)，通過(guò)反饋電壓的變化，調(diào)整上位機(jī)流量給定值和放大板的比例積分、微分設(shè)置來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

在大流量鍛壓設(shè)備雙CPU軟件冗余控制和仿真曲線程序設(shè)計(jì)的應(yīng)用下，大大減少了本身系統(tǒng)油壓的沖擊，減少了大量的維護(hù)量，而且平穩(wěn)的液壓控制使人機(jī)能直接對(duì)話，實(shí)時(shí)根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整，可靠性極強(qiáng)，為產(chǎn)品的質(zhì)和量帶來(lái)強(qiáng)有力的保障，值得在液壓鍛造或沖擊力比較大的設(shè)備技術(shù)改造中借鑒使用。