浅谈快速锻造压机中PLC电气控制系统的应用

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摘要：快速锻造油压机是广泛应用于冶金行业的重要设备，具有锻造速度快、锻件精度高、自动化程度高等特点，是目前国内外快速锻造压机的发展趋势。

关键词：plc；控制；快速锻造；压机

随着我国经济的快速发展， 对形状复杂、技术含量高、材料性能特殊的大型锻件的需求量不断增加， 同时对锻件的精度要求也越来越高。针对这种趋势， 非常需要发展大型、高精度的快速锻造压机。

快速锻造油压机在我国已经有了近30多年的发展，其电气控制系统也在随着逐步改进和不断完善，从单纯的继电器控制，经过STD总线控制、计算机控制、单片机控制，发展到目前的PLC和工业计算机两级控制，自动化程度和可靠性大大地提高，成本也在不断下降，达到了很高的性能成本比。我国锻造液压机的发展是从对原有国外产品的修复及仿制，到独立研发的过程，并在大学开设了锻压专业。现在我国已成为设计、生产锻造液压机的大国之一，从主机结构上分大致可分为三类：

1）三梁四柱上动式，传动形式大多为水泵蓄势器传动，操纵形式为“接力器”式控制的“提阀分配器”、“水力接力器”的伺服控制、“伺服阀”的小手把控制和“力矩电动机-伺服旋阀”的分配器控制等。锻造的配套设备主要是锻造行车加翻料机，有一些用上了自制的锻造操作机。这类液压机结构简单，元器件国产化程度高，故障易于排除。

2）两柱下拉式，液压泵直接传动，采用电液伺服控制，可以较为精确地控制行程大小，其机械结构重心低，锻造时上部晃动小，机器油箱传动系统都在地坑里，因此，可有效地避免火灾的发生。但是，地坑的设置将增加厂房投资，整体机架下拉，会增加运动部分的质量，能源消耗较大。

3）双柱斜置式，传动和控制方式与两柱下拉式相同，配有操作机（有的还用双操作机），压机本体由两个坚固的长方形空心立柱作为机架，拉杆置于空心立柱中，在拉杆全长上将上、下横梁和立柱预紧固成一个预应力结构组合机架，上下梁开档内侧之间不再需要设置和紧固螺母。承受工作负荷时能够达到很好的平衡和稳定性，结构紧凑，具有较高的整体结构刚性、抗疲劳强度、承载能力和安全可靠性，对速度、压力、活动横梁的行程大小能够实现更为精确的控制，操作灵活，视野广阔，故障率低，易于维护，很容易实现锻造液压机生产的自动化。

综上所述，第三种结构形式较之前两种有较为明显的优越性，能够大大提高设备的工作效率和锻件成品率，是今后锻造液压机的发展方向。

快速锻造压机有三大特点， 即： 快、精、联。这些特点要求快速锻造压机的锻造速度非常快， 达到每分钟（75--85）次， 相应地对CPU 的扫描速度也有较高的要求。对于带一台操作机的小型快速锻造压机，选用一台西门子CPU（414-2），在设备运行过程中CPU（414-2）的扫描速度在8ms左右，完全可以满足设备的工艺要求， 快锻速度可以达到80次/m in。如果20MN 及以上吨位的锻造压机仍采用同样的配置， 则很难满足工艺要求。尤其是目前为了提高工作效率， 多采用一台快速锻造压机带两套操作机， 这样CPU 就更难满足大型快速锻造压机和双操作机协同工作的要求。

1 液压传动和控制系统

液压系统作为各执行机构的传动介质，其设计方案和硬件配置的优略直接决定着压机的各机构运行是否能更平稳、更精确。由于双柱斜置式的快速锻造压机较之前两种机械结构形式有无可比拟的优势，因此我们对这种形式的快速锻造压机所配置的液压系统作进一步介绍。

“电液伺服控制的二通插装阀”和“液压泵直接传动”是目前最为广泛应用的控制方式，其强大的可控性和维护工作的简易性得到了业内人士的普遍认同，而快锻压机所应用的核心液压元件就是高频响电液伺服阀，通过对它的控制可以满足压机的快速和精确定位的性能，

设计思路如图1示。

1.液压泵；2.工作缸进油阀；3.高频向电液伺服阀；

4.邮箱； 5.工作缸； 6.活动横梁；7.回程缸

在快速锻造过程中，工作缸进油阀始终保持常开状态，液压泵也始终保持大流量输出，电液伺服阀从关闭状态到开启状态时，工作缸的压力从电液伺服阀卸荷，流量通过伺服阀进入低压系统（油箱），主工作缸近似为无压状态，此时回程缸将通过蓄能器积蓄的压力释放，使活动横梁上升；电液伺服阀从开启状态到关闭状态时，主工作缸由卸荷状态进入带压状态，使活动横梁下降，并且给蓄能器积蓄能量。由此可以看出，电液伺服阀以很高的频率在开启与关闭状态之间来回的切换，就实现了活动横梁不断地上下往复运动，满足了压机快速性的要求，而准确调节电液伺服阀的开口度可以对活动横梁的位置进行精确的控制。其精确定位的重要性在于能够提高锻件的质量，实现少切削或无切削，提高材料的利用率，降低生产成本，因此它对企业的运营和发展尤为关键。下一节我们就详细介绍怎样通过软件编程来控制高频响电液伺服阀的开闭动作，以达到控制活动横梁位置的目的。

2 快速锻造压机的控制原理

快速锻造压机的控制原理如图2 所示。PLC接收操作台和触摸屏的给定操作信号， 根据给定信号控制锻造压机的液压泵站系统、压机的控制系统、1#操作机和2#操作机的动作。快速锻造压机的三大特点中，“快”就是要求锻造速度快， 最快锻造次数要达到每分钟（75--85）次。这样就要求锻造压机锻造一次的时间为700--800ms。“精”就是锻件尺寸精度要求高，精度为+1mm。在一次锻造过程中， 位置量一般在40mm左右， 要求采样数据每毫米不小于2个。这样，根据香农（Shannon）采样定理， 数据采样频率的下限为： ωs≥2max。

在一次锻造过程中采样点在80个以上， 这就要求每个采样点的采样周期不大于10ms， 也就要求CPU 扫描周期要控制在10ms以内， 才能对尺寸检测作出精确反应， 通过运算来控制压机的尺寸精度。“联”就是与操作机的联动， 压机每锻造一次， 操作机前进一定距离或锻件旋转一定角度（触摸屏设定），提高快速锻造压机的生产效率， 这无疑也增加了程序量和控制的复杂程度，增加了CPU 处理程序的时间。随着压机向大型化发展， 压机液压系统也在不断加大， 同样也导致了控制系统的大型化、复杂化。

3 电气控制系统的应用

电气控制系统的硬件配置不作过多介绍了，以西门子Profubus-DP 做为网络构造的应用已经十分普遍，其低成本、易维护的特点也已被认同，而它的编程软件STEP7的超强功能对于实现各种控制手段变得非常轻松自如。

1）对于控制伺服阀的开口度来说，可以使用以下编程方法：

（1） 建立一个共享数据块，例如DB100，以单整为数据类型存入伺服阀开口度值（单位为千分数，“0”表示开口度为零，即关闭状态，“1000”表示开口度为最大）。

2） 位置控制精度对于提高锻件的质量和材料利用率非常重要，因此如何修正位置误差是实现高精度的关键。在实际应用中，可以采用误差反馈补偿的方式（自学习控制方式）修正下一次锻造的位置给定值，来达到逐次减小误差的目的。

锻件的误差分布符合正态分布，为了更快地达到控制精度，位置设定值需给一个初值，考虑到第一锤锻造不能使误差为负，故初置应稍微大一些。

4 结语

快速锻造操作机PLC 控制系统， 针对操作机的功能和控制要求设计， 其控制效果满足快速锻造操作机快速性和精度的要求。实际运行状况证明了该系统的可行性和实用性。

参考文献

[1]闫军.快速锻造油压机的自动控制系统[J].现代电子技术，2006（6）：117-118.

[2]谢剑英.微型计算机控制技术[M].北京：国防工业出版社，1985.

[3]王兆义.可编程控制器教程[M].北京：机械工业出版社，1998（3）：10-11.