淺談快速鍛造壓機(jī)中PLC電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

1、淺談快速鍛造壓機(jī)中PLC電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用    摘要：快速鍛造油壓機(jī)是廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)的重要設(shè)備，具有鍛造速度快、鍛件精度高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外快速鍛造壓機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：PLC；控制；快速鍛造；壓機(jī) 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 對(duì)形狀復(fù)雜、技術(shù)含量高、材料性能特殊的大型鍛件的需求量不斷增加， 同時(shí)對(duì)鍛件的精度要求也越來(lái)越高。針對(duì)這種趨勢(shì)， 非常需要發(fā)展大型、高精度的快速鍛造壓機(jī)。 快速鍛造油壓機(jī)在我國(guó)已經(jīng)有了近30多年的發(fā)展，其電氣控制系統(tǒng)也在隨著逐步改進(jìn)和不斷完善，從單純的繼電器控制，經(jīng)過(guò)STD總線控制、計(jì)算機(jī)控制、單片機(jī)控制，

2、發(fā)展到目前的PLC和工業(yè)計(jì)算機(jī)兩級(jí)控制，自動(dòng)化程度和可靠性大大地提高，成本也在不斷下降，達(dá)到了很高的性能成本比。我國(guó)鍛造液壓機(jī)的發(fā)展是從對(duì)原有國(guó)外產(chǎn)品的修復(fù)及仿制，到獨(dú)立研發(fā)的過(guò)程，并在大學(xué)開(kāi)設(shè)了鍛壓專業(yè)?，F(xiàn)在我國(guó)已成為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)鍛造液壓機(jī)的大國(guó)之一，從主機(jī)結(jié)構(gòu)上分大致可分為三類： 1）三梁四柱上動(dòng)式，傳動(dòng)形式大多為水泵蓄勢(shì)器傳動(dòng)，操縱形式為“接力器”式控制的“提閥分配器”、“水力接力器”的伺服控制、“伺服閥”的小手把控制和“力矩電動(dòng)機(jī)-伺服旋閥”的分配器控制等。鍛造的配套設(shè)備主要是鍛造行車加翻料機(jī)，有一些用上了自制的鍛造操作機(jī)。這類液壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件國(guó)產(chǎn)化程度高，故障易于排除。 2）兩柱

3、下拉式，液壓泵直接傳動(dòng)，采用電液伺服控制，可以較為精確地控制行程大小，其機(jī)械結(jié)構(gòu)重心低，鍛造時(shí)上部晃動(dòng)小，機(jī)器油箱傳動(dòng)系統(tǒng)都在地坑里，因此，可有效地避免火災(zāi)的發(fā)生。但是，地坑的設(shè)置將增加廠房投資，整體機(jī)架下拉，會(huì)增加運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，能源消耗較大。 3）雙柱斜置式，傳動(dòng)和控制方式與兩柱下拉式相同，配有操作機(jī)（有的還用雙操作機(jī)），壓機(jī)本體由兩個(gè)堅(jiān)固的長(zhǎng)方形空心立柱作為機(jī)架，拉桿置于空心立柱中，在拉桿全長(zhǎng)上將上、下橫梁和立柱預(yù)緊固成一個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)組合機(jī)架，上下梁開(kāi)檔內(nèi)側(cè)之間不再需要設(shè)置和緊固螺母。承受工作負(fù)荷時(shí)能夠達(dá)到很好的平衡和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的整體結(jié)構(gòu)剛性、抗疲勞強(qiáng)度、承載能力和安全可

4、靠性，對(duì)速度、壓力、活動(dòng)橫梁的行程大小能夠?qū)崿F(xiàn)更為精確的控制，操作靈活，視野廣闊，故障率低，易于維護(hù)，很容易實(shí)現(xiàn)鍛造液壓機(jī)生產(chǎn)的自動(dòng)化。 綜上所述，第三種結(jié)構(gòu)形式較之前兩種有較為明顯的優(yōu)越性，能夠大大提高設(shè)備的工作效率和鍛件成品率，是今后鍛造液壓機(jī)的發(fā)展方向。 快速鍛造壓機(jī)有三大特點(diǎn)， 即： 快、精、聯(lián)。這些特點(diǎn)要求快速鍛造壓機(jī)的鍛造速度非常快， 達(dá)到每分鐘（75-85）次， 相應(yīng)地對(duì)CPU 的掃描速度也有較高的要求。對(duì)于帶一臺(tái)操作機(jī)的小型快速鍛造壓機(jī)，選用一臺(tái)西門(mén)子CPU（414-2），在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中CPU（414-2）的掃描速度在8ms左右，完全可以滿足設(shè)備的工藝要求， 快鍛速度可以達(dá)到

5、80次/m in。如果20MN 及以上噸位的鍛造壓機(jī)仍采用同樣的配置， 則很難滿足工藝要求。尤其是目前為了提高工作效率， 多采用一臺(tái)快速鍛造壓機(jī)帶兩套操作機(jī)， 這樣CPU 就更難滿足大型快速鍛造壓機(jī)和雙操作機(jī)協(xié)同工作的要求。 1 液壓傳動(dòng)和控制系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)作為各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)介質(zhì)，其設(shè)計(jì)方案和硬件配置的優(yōu)略直接決定著壓機(jī)的各機(jī)構(gòu)運(yùn)行是否能更平穩(wěn)、更精確。由于雙柱斜置式的快速鍛造壓機(jī)較之前兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)形式有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此我們對(duì)這種形式的快速鍛造壓機(jī)所配置的液壓系統(tǒng)作進(jìn)一步介紹。 “電液伺服控制的二通插裝閥”和“液壓泵直接傳動(dòng)”是目前最為廣泛應(yīng)用的控制方式，其強(qiáng)大的可控性和維護(hù)工作的簡(jiǎn)易性

6、得到了業(yè)內(nèi)人士的普遍認(rèn)同，而快鍛壓機(jī)所應(yīng)用的核心液壓元件就是高頻響電液伺服閥，通過(guò)對(duì)它的控制可以滿足壓機(jī)的快速和精確定位的性能， 設(shè)計(jì)思路如圖1示。 1.液壓泵；2.工作缸進(jìn)油閥；3.高頻向電液伺服閥； 4.郵箱； 5.工作缸； 6.活動(dòng)橫梁；7.回程缸 在快速鍛造過(guò)程中，工作缸進(jìn)油閥始終保持常開(kāi)狀態(tài)，液壓泵也始終保持大流量輸出，電液伺服閥從關(guān)閉狀態(tài)到開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，工作缸的壓力從電液伺服閥卸荷，流量通過(guò)伺服閥進(jìn)入低壓系統(tǒng)（油箱），主工作缸近似為無(wú)壓狀態(tài)，此時(shí)回程缸將通過(guò)蓄能器積蓄的壓力釋放，使活動(dòng)橫梁上升；電液伺服閥從開(kāi)啟狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，主工作缸由卸荷狀態(tài)進(jìn)入帶壓狀態(tài)，使活動(dòng)橫梁下降，并且給蓄

7、能器積蓄能量。由此可以看出，電液伺服閥以很高的頻率在開(kāi)啟與關(guān)閉狀態(tài)之間來(lái)回的切換，就實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)橫梁不斷地上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滿足了壓機(jī)快速性的要求，而準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電液伺服閥的開(kāi)口度可以對(duì)活動(dòng)橫梁的位置進(jìn)行精確的控制。其精確定位的重要性在于能夠提高鍛件的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)少切削或無(wú)切削，提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本，因此它對(duì)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)和發(fā)展尤為關(guān)鍵。下一節(jié)我們就詳細(xì)介紹怎樣通過(guò)軟件編程來(lái)控制高頻響電液伺服閥的開(kāi)閉動(dòng)作，以達(dá)到控制活動(dòng)橫梁位置的目的。 2 快速鍛造壓機(jī)的控制原理 快速鍛造壓機(jī)的控制原理如圖2 所示。PLC接收操作臺(tái)和觸摸屏的給定操作信號(hào)， 根據(jù)給定信號(hào)控制鍛造壓機(jī)的液壓泵站系統(tǒng)、壓機(jī)的控制系統(tǒng)、1

8、#操作機(jī)和2#操作機(jī)的動(dòng)作?？焖馘懺靿簷C(jī)的三大特點(diǎn)中，“快”就是要求鍛造速度快， 最快鍛造次數(shù)要達(dá)到每分鐘（75-85）次。這樣就要求鍛造壓機(jī)鍛造一次的時(shí)間為700-800ms?！熬本褪清懠叽缇纫蟾?，精度為+1mm。在一次鍛造過(guò)程中， 位置量一般在40mm左右， 要求采樣數(shù)據(jù)每毫米不小于2個(gè)。這樣，根據(jù)香農(nóng)（Shannon）采樣定理， 數(shù)據(jù)采樣頻率的下限為： s2max。 在一次鍛造過(guò)程中采樣點(diǎn)在80個(gè)以上， 這就要求每個(gè)采樣點(diǎn)的采樣周期不大于10ms， 也就要求CPU 掃描周期要控制在10ms以內(nèi)， 才能對(duì)尺寸檢測(cè)作出精確反應(yīng)， 通過(guò)運(yùn)算來(lái)控制壓機(jī)的尺寸精度。“聯(lián)”就是與操作機(jī)的聯(lián)動(dòng)

9、， 壓機(jī)每鍛造一次， 操作機(jī)前進(jìn)一定距離或鍛件旋轉(zhuǎn)一定角度（觸摸屏設(shè)定），提高快速鍛造壓機(jī)的生產(chǎn)效率， 這無(wú)疑也增加了程序量和控制的復(fù)雜程度，增加了CPU 處理程序的時(shí)間。隨著壓機(jī)向大型化發(fā)展， 壓機(jī)液壓系統(tǒng)也在不斷加大， 同樣也導(dǎo)致了控制系統(tǒng)的大型化、復(fù)雜化。 3 電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用 電氣控制系統(tǒng)的硬件配置不作過(guò)多介紹了，以西門(mén)子Profubus-DP 做為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，其低成本、易維護(hù)的特點(diǎn)也已被認(rèn)同，而它的編程軟件STEP7的超強(qiáng)功能對(duì)于實(shí)現(xiàn)各種控制手段變得非常輕松自如。 1）對(duì)于控制伺服閥的開(kāi)口度來(lái)說(shuō)，可以使用以下編程方法： （1） 建立一個(gè)共享數(shù)據(jù)塊，例如DB100，以單整為數(shù)據(jù)類型存入伺服閥開(kāi)口度值（單位為千分?jǐn)?shù)，“0”表示開(kāi)口度為零，即關(guān)閉狀態(tài)，“1000”表示開(kāi)口度為最大）。 2） 位置控制精度對(duì)于提高鍛件的質(zhì)量和材料利用率非常重要，因此如何修正位置誤差是實(shí)現(xiàn)高精度的關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用誤差反饋補(bǔ)償?shù)姆绞剑ㄗ詫W(xué)習(xí)控制方式）修正下一次鍛造的位置給定值，來(lái)達(dá)到逐次減小誤差的目的。 鍛件的誤差分布符合正態(tài)分布，為了更快地達(dá)到控制精度，位置設(shè)定值需給一個(gè)初值，考慮到第一錘鍛造不能使誤差為負(fù)，故初置應(yīng)稍微大一些。 4 結(jié)語(yǔ) 快速鍛造操作機(jī)PLC 控制系統(tǒng)， 針對(duì)操作機(jī)的功能和控制要求設(shè)計(jì)， 其控制效果滿足快速鍛造操