PLC的穩(wěn)定性組態(tài)和仿真設計在高性能大型液壓鍛造設備中的應用

楊勛山

（西寧特鋼集團股份公司加工分廠，西寧 810005）

隨著高質(zhì)量鍛壓產(chǎn)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(yè)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(chǎn)和技術含量高的產(chǎn)品，對于設備裝備的穩(wěn)定性運行是一個不小的挑戰(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。

1 基本工藝流程和要求

鍛造車間的20MN 快鍛機組，由一臺主壓機和兩臺操作機組成，生產(chǎn)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(zhuǎn)，前進、后退、上傾、下傾。所有動作因考慮平穩(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(chǎn)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(wěn)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。

2 PLC 電控系統(tǒng)組成

2.1 硬件組態(tài)中出現(xiàn)的問題

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，與遠程Ι/O 構(gòu)成Profibus-DP 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)，對機組進行順序控制、邏輯控制和精度控制，根據(jù)預設工藝參數(shù)和要求，實現(xiàn)各部動作，應能滿足要求。

然而，在進行各動作分析后發(fā)現(xiàn)大量的Ι/O 點和遠程站點的通信對CPU 運行產(chǎn)生了影響，可靠性不足，往往中斷連續(xù)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Ι/O 的狀態(tài)，又要處理即時數(shù)據(jù)通信，常常出現(xiàn)動作響應慢和邏輯判斷錯誤，或發(fā)生某一故障點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)，以軟件方式 實現(xiàn)CPU 的冗余控制

2.2 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(tǒng)中增加備用關鍵設備，一旦工作中系統(tǒng)發(fā)生故障，控制系統(tǒng)便以最快速度起動，從而維持系統(tǒng)的正常工作。工業(yè)控制領域中，一些大型的工業(yè)生產(chǎn)線往往要求連續(xù)運行不能停頓，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，以軟件方式實現(xiàn)CPU 冗余控制。通信編程（設置如下）。

在地址和中斷分配中利用雙CPU 可以訪問在使用STEP 7 組態(tài)期間分配給它們的模塊地址。分別設定CPU 不同的MPΙ 地址通過總線從一個CPU 對另一個CPU 編程。通過K 總線通信（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(tǒng)資源的情況下，而且又不會增加Ι/O 點數(shù)。實踐證明，這種設計給PLC 后續(xù)的穩(wěn)定運行打下了堅實的基礎。

2.3 液壓控制系統(tǒng)中軟件設計出現(xiàn)的問題

由于系統(tǒng)壓力高、流量大、換向頻繁，閥的動作次數(shù)多給管路和閥體直接帶來振動，所以對管道的沖擊大。在生產(chǎn)運行中尤其是精鍛期間，可在液壓站聽到強大的沖擊聲，產(chǎn)生了大量熱量，熱量的傳遞使各管接頭密封開始老化。此外，對整個液壓系統(tǒng)閥體的穩(wěn)定性帶來影響。如在生產(chǎn)伊始，就曾出現(xiàn)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(chǎn)生漏點，進而導致高壓膠管破裂。

2.4 解決辦法

目前國內(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，工作過程通過S7-400 系列工業(yè)可編程近似于壓機運行的正弦曲線，以滿足穩(wěn)定驅(qū)動執(zhí)行元件，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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所示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(wěn)定驅(qū)動執(zhí)行元件近似計算出的油壓值進行補償修正。

圖3 用程序控制比例閥近似于 壓機比例閥運行的正弦曲線

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(jù)反饋位移值，不斷調(diào)整放大器的斜坡和差動偏流，近似的達到如圖4所示的模擬曲線。

需要注意的是，在快速鍛造液壓機的實際生產(chǎn)應用中，尤其是上線以來運行一段時間，控制往往會發(fā)生一定的偏移，因此并在日常維護中，根據(jù)現(xiàn)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(diào)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(chǎn)的需要。

圖4 仿真模擬曲線

3 結(jié)論

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(tǒng)油壓的沖擊，減少了大量的維護量，而且平穩(wěn)的液壓控制使人機能直接對話，實時根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整，可靠性極強，為產(chǎn)品的質(zhì)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。

[1] 廖常初,等.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡組態(tài)編程與故障診斷[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.10.

[2] 博世力士樂比例閥樣本手冊.RC 30 112 比例閥.