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大型模鍛壓機(jī)電氣液壓控制系統(tǒng)研究

2018-11-10 08:08:28王帥
世界家苑 2018年10期
關(guān)鍵詞:系統(tǒng)研究

王帥

摘 要:熱模鍛壓機(jī)是金屬熱成形的主要設(shè)備品種之一。近年來,由于其智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高精度、大噸位、全程數(shù)據(jù)跟蹤等特點(diǎn),在市場上占據(jù)了一席之地。大型模鍛壓機(jī)采用二次增壓方式,滿足壓力需求的同時(shí)又可以節(jié)能。本文根據(jù)大型模鍛壓機(jī)所采用三級分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,分析其硬件的結(jié)構(gòu)與功能以及軟件的應(yīng)用與特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:大型模鍛壓機(jī);電氣液壓控制;系統(tǒng)研究

1 前言

大型模鍛壓機(jī)主要用于輕金屬及其合金、鎳基和鐵基等高溫合金的大型模鍛件生產(chǎn),是制造大型軍事和民用裝備的基礎(chǔ)設(shè)備。其能夠?qū)Υ髩毫?、大流量的液壓系統(tǒng)進(jìn)行精確控制,且在壓制過程中保持高同步性,主要依賴于強(qiáng)大的電氣、液壓控制系統(tǒng)以及一整套完善的故障診斷與處理機(jī)制。對于傳統(tǒng)的大型模鍛壓機(jī)來言,鍛壓過程中所產(chǎn)生的偏心載荷可以通過導(dǎo)柱承受,但是對于800MN大型模鍛機(jī),全部載荷都加載到較小的工作臺(tái)面上,集中載荷使得導(dǎo)柱難以承受,這就需要采用位置閉環(huán)控制方法,利用液壓主缸來克服巨大的鍛造偏心力矩,從而保持活動(dòng)梁的姿態(tài)和鍛造尺寸。采用三級分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,結(jié)構(gòu)清晰,易于實(shí)現(xiàn)精確的位置閉環(huán)控制。

2 大型模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)和液壓原理

800MN大型模鍛壓機(jī)主要由機(jī)身、工作油缸、活動(dòng)橫梁、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成(如圖1所示)。其中機(jī)身包括C型機(jī)架、上橫梁、下橫梁、導(dǎo)向桿等部分,工作油缸包括5個(gè)高壓主缸、4個(gè)同步缸、4個(gè)回程缸等部分。高壓主缸采用增壓器增壓方式使直徑1800mm的油缸能產(chǎn)生160MN的壓力,采用位置閉環(huán)控制方式,形成主動(dòng)同步控制系統(tǒng),保證了鍛件的位置精度。同步缸采用壓力反饋控制,形成被動(dòng)同步控制系統(tǒng),其特點(diǎn)是反應(yīng)迅速、控制精細(xì),存在于整個(gè)鍛壓過程中,始終糾正鍛件的偏心現(xiàn)象?;爻谈自诳焖傧陆颠^程中起到穩(wěn)定下降速度的作用,防止出現(xiàn)由于下降速度變化太快造成的波動(dòng)現(xiàn)象,同時(shí)在回程過程中,起到快速回程的作用,增加了鍛壓機(jī)循環(huán)工作效率。

圖2為大型模鍛壓機(jī)液壓原理圖,主缸通過各自的液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加壓。當(dāng)鍛造壓力小于400MN時(shí),變量泵加載閥和增壓器旁通閥打開,增壓閥進(jìn)油閥關(guān)閉,油液通過變量泵增壓直接進(jìn)入主缸內(nèi),此時(shí)處于低壓壓制階段。當(dāng)鍛造壓力大于400MN時(shí),變量泵加載閥和增壓器進(jìn)油閥打開,增壓器旁通閥關(guān)閉,使得油液通過變量泵增壓后,再由增壓器二次增壓,最后進(jìn)入主缸內(nèi),形成兩級增壓的增壓方式,此時(shí)處于高壓壓制階段。利用增壓器和變量泵的配合工作實(shí)現(xiàn)低壓壓制和高壓壓制兩級壓制過程,使得壓力和位置控制更為精確,同時(shí)節(jié)省了能源。

3、電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

大型模鍛壓機(jī)主要用于極限鍛造的情況,因此對電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提出了較高的要求。依據(jù)“集中管理、分布控制”的原則,采用三級分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案,將大型模鍛壓機(jī)控制系統(tǒng)硬件分層為:系統(tǒng)級監(jiān)控層、中間級核心控制層、現(xiàn)場級數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行層。

1)系統(tǒng)級監(jiān)控管理層

包括工控機(jī)硬件、PC顯示器、WinCC開發(fā)系統(tǒng)。其中WinCC開發(fā)系統(tǒng)包含診斷報(bào)警數(shù)據(jù)庫、操作日志記錄、歷史數(shù)據(jù)歸檔及查詢、生產(chǎn)報(bào)表等,方便操作者進(jìn)行診斷分析及數(shù)據(jù)處理。利用WinCC軟件開發(fā)的人機(jī)界面進(jìn)行鍛造程序的選擇編輯、鍛造過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控及鍛造數(shù)據(jù)的記錄分析。通過簡單的操作,將控制指令、工藝要求參數(shù)等下載到PLC系統(tǒng)中,同時(shí)又根據(jù)PLC發(fā)送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測和診斷并記錄到系統(tǒng)中,從而形成與PLC系統(tǒng)之間的交互。

2)中間級核心控制層

包括兩個(gè)S7-400型PLC系統(tǒng),并通過數(shù)據(jù)通信模塊與其他部分相連。主PLC接收監(jiān)控管理層發(fā)出的控制指令,并讀取傳感器中壓力、位置等反饋信號,完成對鍛壓機(jī)伺服系統(tǒng)和液壓泵的控制,并通過總線把鍛壓過程中實(shí)時(shí)采集到的壓力、位移、溫度等信號傳遞給人機(jī)界面,用于操作員實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3)現(xiàn)場級數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行層

包括Profibus現(xiàn)場總線連接的分布式I/O網(wǎng)絡(luò)、ET200s遠(yuǎn)程I/O裝置、現(xiàn)場各種位置傳感器、應(yīng)變測量傳感器、主電機(jī)啟動(dòng)器、輔助電機(jī)啟動(dòng)器及各種液壓執(zhí)行原件等,主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制指令的輸出執(zhí)行等功能。每個(gè)PLC控制器具有單獨(dú)的ProfinetI/O網(wǎng)絡(luò)分支,其上含有許多位置節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括電源、通訊模塊及數(shù)據(jù)采集的I/O卡。

4 閉環(huán)同步控制功能分析

在大型模鍛壓機(jī)上,尺寸公差要求高、加工裕量小,整個(gè)鍛壓過程中容差度很小,活動(dòng)梁很小的傾斜就會(huì)極大影響鍛件精度,這樣就需要精確而迅速的控制方法?;趥鞲衅餍盘柗答伒拈]環(huán)同步控制成為目前相對成熟且精確的控制方法,其中包括被動(dòng)閉環(huán)同步控制和主動(dòng)閉環(huán)同步控制。

4.1被動(dòng)閉環(huán)同步控制

被動(dòng)糾偏油缸為等界面的雙作用油缸,兩兩對角線位置的被動(dòng)糾偏油缸上下油腔互連,形成封閉系統(tǒng)。當(dāng)產(chǎn)生偏心載荷時(shí),活動(dòng)梁發(fā)生側(cè)傾,一側(cè)下腔與另一側(cè)的上腔被壓縮,壓力升高,這一測上腔與另一側(cè)下腔容積增加,壓力降低,此時(shí)壓力差會(huì)形成一定的糾偏力矩,減緩這種側(cè)傾趨勢。同時(shí)蓄能器通過實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力之間的差值調(diào)節(jié)伺服閥開度來控制液體流動(dòng):向被壓縮的上下腔中補(bǔ)液并使容積變大的上下腔中液體流出,直到活動(dòng)梁恢復(fù)到正常位置。具體液壓控制過程為:把電磁鐵2YA和7YA通電,使得三位三通換向閥D左位工作,降低同步缸3上腔與同步缸4下腔壓力,把電磁鐵1YA和8YA斷電,使換向閥A右位工作,通過蓄能器增加同步缸3下腔與同步缸4上腔壓力,形成了被動(dòng)糾偏力矩,克服偏心力矩被動(dòng)。糾偏油缸雖然同步平衡能力較小,但反應(yīng)迅速、控制精度高,在鍛造整個(gè)過程中始終保持同步平衡能力。

4.2主動(dòng)閉環(huán)同步控制

當(dāng)偏心載荷產(chǎn)生的偏心力矩超過被動(dòng)糾偏油缸提供的最大糾偏力矩時(shí),主動(dòng)糾偏力矩成為主導(dǎo)糾偏力矩。通過安裝在活動(dòng)橫梁四個(gè)角的位移傳感器光柵尺和各主缸回路的流量與壓力傳感器,采集活動(dòng)橫梁四個(gè)角的位移和主缸內(nèi)的流量、壓力等信號,來控制主缸內(nèi)液體流量和壓力,使得工件重新回到設(shè)計(jì)鍛造位置,從而達(dá)到主動(dòng)同步控制的目的。

5 結(jié)語

大型模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定。采用兩級增壓方式的液壓動(dòng)力系統(tǒng)具有高壓大流量的特點(diǎn),能夠滿足大型鍛件的鍛造要求。三級分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使得大型模鍛壓機(jī)的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、操作便捷,管理與控制相分離,克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷,大大提升了控制精確度,同時(shí)也利于系統(tǒng)故障的監(jiān)測和診斷。

參考文獻(xiàn)

[1]薛春蘭.80MN熱模鍛壓機(jī)輪轂生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J].鍛造與沖壓,2009,(8).

[2]趙德龍,娜仁莎.80MN熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015,(5).

(作者單位:太重(天津)濱海重型機(jī)械有限公司)

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