SIMATIC T-CPU在快锻液压机压头控制中的应用.pdf

DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 7 S I MA T I C T C P U在快锻液压机压头控制中的应用 王 宇翔 ，冯作全 ，芦光 荣 兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 信息与 自动化研究中心，甘肃兰州 7 3 0 0 3 0 摘要介绍了西门子新型电气伺服控制技术，采用T E C H N O L O G Y C P U以及 I M1 7 4 接 口模块构建伺服控制系统，并成功应用于 快锻液压机液压缸伺服驱动及控制，实现了快锻液压机压头位置的准确控制与压头的柔性调速。通过实际验证和应用，系统具 有动态响应快、定位控制性能优良等特点，该新型液压缸电气伺服控制技术对于提高快锻液压机的高频次和高精度控制具有重 要作用 ， 此项技术的推广应用对各类液压设备中液压轴定位及速度控制具有现实指导意义。 关键词快锻液压机；液压轴；液压伺服系统； T E C H N O L O G Y C P U ；凸轮补偿 中图分类号 T P 2 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 51 1 00 1 0 7一O 5 S I M ATI C T- CPU Ap p l i c a t i o n i n t h e Co n t r o l o f F a s t F o r g i n g P r e s s e s W ANG Yu x i a n g， FENG Z uo q ua n， LU Gua ng r o n g L a n z h o u L a n s h i E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f E n e r g y E q u i p m e n t s C o ． ， L t d ． ，R e s e a r c h C e n t e r f o r I n f o r ma t i o n a n d A u t o m a t i o n ， L a n z h o u 7 3 0 0 3 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e d e s c rib e s t h e ne w e l ect ric s e l w o c o n t r o l t e c h n o l o g y o f S i e me n s， TECHNOLOGY CPU a n d I M1 7 4 i n t e rfa c e mo d ul e t o b u i l d a s e r v o c o n t r o l s y s t e m， a n d s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o c y l i n d e r s e r v o d r i v e a n d c o n t r o l o f t h e f a s t f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s e s t o a c h i e v e p o s i t i o n a c c u r a t e c o n t rol a n d fl e x i b l e s p e e d a d j u s t me n t ． T h rou g h p r a c t i c a l v e ri fi c a t i o n a n d a p p l i c a t i o n ， t h e s y s t e m h a s f a s t d y n a m i c r e s p o n s e， e x c e l l e n t p e rfo r ma n c e c h a r a c t e ris t i c s o f p o s i t i o n c o n t r o l ， t h e ne w c y l i n d e r e l e c t ric s e r v o c o n tr o l t e c h n o l o g y f o r i mp r o v i n g t h e h i g h - f r e q u e n c y a n d h i g h - p r e c i s i o n c o n t r o l o f s p e e d f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s h a s a n i mp o r t a n t r o l e， p r o mo t e t h e u s e o f t h i s t e c h n o l o g y f o r a v a ri e t y o f h y d r a u l i c e q u i pme n t h y d r a u l i c a x i s p o s i t i o n i n g a n d s p e e d c o n t r o l h a v e p r a c t i c a l s i g n i fi c a n c e ． Ke y wo r f a s t for gin g p r e s s e s ；h y d r a u l i c axe s ；h y d r a u l i c s y s t e m；T E C HN O L O GY C P U；c a m c o m p e n s a t i o n 1 概 述 快锻液压机是 一种进行 自由锻 造的大压力 、 高频次专用设备 ，主要应用于塑性差、变形抗力 大 、锻造温度范围窄的金属材料的锻造。 传统的快锻液压机压头位置控制采用半闭环 电液控制方式，通过位移传感器检测压头位置 ， 经控制器 P L C 计算后输出到电磁阀控制压头 位移，但由于快锻液压机压头自身重量大 一般 在几十吨以上 ，且液压油的物理特性导致其响应 速度和动态特性有一定的滞后性 ，这使得该控制 模式下压头位置时时存在不准确情况，特别是在 1 0 0 次／ 分钟 的高频次锻造时这一现象表现 的尤为 明显。近年来随着钨钼合金等一些新型合金材料 应用 ，对快锻液压机的锻造频次和控制精度提 出 了更高的要求 ，这就必须要引入 电液伺服控制技 术。液压缸电气伺服技术控制既能满足压头位置 准确控制要求 ，同时还能对锻造速度进行控制 ， 显著改善控制闭环中的补偿参数 ，使其精度更 高，效率更快 ，因此，它是液压技术 自动控制的 重要发展方 向。而国内外对于电液伺服控制技术 的应用仅限于液压元件制造商的控制器 如力士 乐 H NC ，并没有利用P L C本身的运动控制模块来 完成，这样势必造成了控制系统本身的资源浪费 和成本增加[ 1 1 。 本文 利用 西 门子 T E C H N O L O G Y C P U运 动控 制器 以下简称T C P U 对传统的快锻液压机压 收稿 日期 2 0 1 50 42 1 亘 自 化 头位置控制系统进行改进设计 ，改进后 的基于液 压轴伺服控制系统具有动态响应快 、压力控制性 能优 良等特点 ，对于提高快 锻液压机的高频次和 高精度控制具有重要作用。 2传统控制方式与伺服液压轴控制方式比较 传统的快锻液压机压头位置控制如图 1 所 示 ，其位置设定值为S ，人为补偿值为5 。 ，实际给 定值 ，本控制方式是将位置设定值与人为补偿 值相加作为控制给定值 ，通过与压头液压缸位移 传感器 的实际反馈值 比较 ，计算出液压 阀的实际 给定值，控制其液压阀驱动液压缸移动至 目标位 置。对于本系统 ，只要人工补偿值设置合适 ，压 头位移通常是可 以控制的 ，但 由于锻件材料 、锻 造频次等 因素影响 ，造成压头控制不 准确现象 ， 需要人 工校 订此 补偿值 ，是非 全闭 环 的控 制系 统 。随着 电传动伺 服控制技术 的不断发展 ，可利 用现有 的系统模 型来构建一个全 闭环的电液伺服 控制系统 ，即液压轴控制系统 。一般来说 “ 液压 轴” 由一个受 比例换 向阀控制的液压缸组 成。泵 提供液压油，P L C 通过计算输出控制 比例阀的开 度 ，并 由比例换向阀控制油缸 内液压油的流量或 压力 。液压缸 的当前位置和速度 由位置测量系统 编码器系统检测并反馈至P L C并跟设定值 比较 以计算出合适 的控制曲线。 图 1 压头定位控制模型 位移传感器 比例液 压阀 3 快锻压头伺服液压轴控制方案 一 般来说，控制器 传统P L C 都是为线性 控制系统而设计 ，如 电气伺 服轴控制系统 。而 电 液伺服 系统响应速度和动态特性 由于具有一定 的 滞后性 ，导致输 出给定与执行速度之间是非线性 关系 如图 2 ，若直接以控制线性 电气轴的模型 来控制非线性液压缸时 ，就存在速度不稳定 ，且 位置闭环会不断修正 由速度不稳 定所带来的位置 偏差 ，导致液压执行机构来 回跳动或者抖动 ，造 成定位误差 大甚至损坏机械设备。对 于一个最优 控制的液压轴 ，其技术补偿特性要求控制器的线 性驱动信号必须能映射到非线性的液压轴控制上。 给定电压 1 OV 一 1 0 0 ％ l O 0 9 { | ⋯一 应速度 图2 液压轴控制响应曲线 西 门子T C P U能够实现轴控曲线 的高精度调 整 ，通过其特有的伺服轴工艺模板可以将确定的 补偿特性嵌入到应用程序 中而永久使用 ，不仅增 加 了控制 的稳定性 而且 减少 了液压轴 定位 的时 间 。T C P U的设计 理念是 把西 门子 s 7 3 0 0系列 C P U和运动控制功能，传动装置参数化功能有机 结合，使其不但具有普通P L C的特点和功能 ，同 时集成了大量 的如凸轮 、位控 、同步等工艺控制 功能。通讯模式采用等时同步 I S O C H R O N E方 式 ，等时同步是 P R O F I B U S D P 通讯的最新技术 ， 它使P R O F I B U S D P的总线周期保持恒定 ，大大提 高通讯的稳定性 ，进 而提高传动控制 的稳定性和 精度[ 2 1 。 通常 ，若要在原有快锻液压机控制系统的基 础上使用伺服轴控制技术，则必须另外增加伺服 控制系统，其控制思想是由常规P L C 完成传统控 制 而由伺服控制系统完成液压轴控制 ，或者 由伺 服控制系统实现快锻液压机全部控制功能 ，但无 论采用何种控制方式，都需要对原控制系统作很 大的改动 ，无疑造成控制成本及 工作量 的增加 ， 而使用集成运动控制功能的西 门子 T C P U，将传 统P L C 控制和伺服控制集中到一个控制器中来完 成，无需对原控制系统作较大改动，既节约了成 王宇翔 等S I M A T I C T C P U在快锻液压机压头控制中的应用 本 ，又提高了控制精度，可应用于实际现场快锻 液压机控制及改造设计。为实现其控制功能，本 控 制系统选 配西门子 S 7 3 0 0 T系列 P L C ，中央处 理单元采用 C P U 3 1 7 T 一 2 D P ，并扩展 C P 3 4 3 1 工业 以太网接口模块 ，实现与工业监控设定触摸屏之 间的数据通讯 ；并通过 D P 总线连接运动控制模块 I M1 7 4 ，由I M1 7 4 完成对液压轴的检测和控制 】。 控制系统硬件组成如图3 所示。 图3 液压轴控制硬件组成 4 系统控制策略 基 于 T C P U控 制 系统 ，通过 使用功 能块 F B 5 2 0 G e t C h a r a c t e r i s t i c s 和 F B 5 2 1 Wr i t e C a m． D a t a 可 自动获取快锻液压机压头液压轴的补偿 曲线。首先上位机将预先设定值计算处理后输出 给液压轴阀 ，使其驱动液压缸移动 。液压轴 的移 动速度 由位 置反馈 系统检测并存储在 T C P U内。 此过程在不同的设定值下执行若干次后 ，控制系 统将获得一些控制输出和液压缸移动速率之间的 对应关系点。基于这些关系点，液压轴的补偿特 性即被确定。液压轴补偿曲线测量点如图4 所示。 液压伺服轴补偿曲线反映了液压比例阀输出 给定与液压轴速度之间的对应关系 。通 过优化控 制曲线的调整与补偿，提高了液压轴定位精度 ， 加快 了轴控 响应速度 。本系统使用功能块 F B 5 2 0 和 F B 5 2 1 来 自动获得补偿 曲线 ，需要创建两个凸 轮盘 C a m D i s k 来确定补偿曲线。其基本原理 为第一个 凸轮盘主要完成测量 、寻找补偿点 ，并 将测量后 的结果写入到另外一个 凸轮盘 ，被写入 的 凸轮 盘就是 当前液 压伺 服 系统 的最 终补偿 曲 线 。通过功能块 F B 5 2 0 系统能够执行测量并得到 当前液压系统的补偿曲线，并将相应的凸轮盘激 活为 当前液压系统 的用户配置文件。首先初始化 F B 5 2 0 ，液压 轴被设置为闭环模式 ，生成 的线 性 参考凸轮盘被激活；然后从正方向开始测量补偿 曲线，T C P U 在不同的位置上给出一系列给定速 度 ，并根据反馈速度测量补偿点 ，测量结束后回到 初始位置 ；再从负方向开始测量补偿曲线 ，T C P U 在不同的位置上给出一系列给定速度， 并根据反馈 速度测量偿点， 测量结束后回到初始位置。在上述 过程 中，根据控制器发出的 目标给定以及液压轴的 响应时间计算 出死区；当所有位置上的测量值记录 完成后会以凸轮盘的形式存在T C P U中。凸轮盘 的坐标分别对应的是阀的给定开度和液压轴的当前 速度 ，最后 T C P U会执行 功能块 F B 4 3 9 设置特征 量的补偿曲线写人到另外一个凸轮盘 ，并将其激 活为 当前液压轴 的最终补偿 曲线。F B 5 2 1 功能块 能够将测量的补偿曲线写入到相应的凸轮盘中。 为了提高补偿曲线的精度 ，一般可以确定两 个范 围进行测量 ，如图4所示 的 “ 粗调 范围”和 “ 精调范围” 。通过在设定速度下的不同给定值的 液压 轴 的实 际控 制结 果可 以划定这 两个测 量范 围 ，通常 “ 精调 范 围”液压 轴 的变化 较设 定值 低 ，反之在 “ 粗调范围”液压轴的变化则 比较 快。对于” 粗调范围” 测量点的间距可放大 ，而 “ 精 调范围”内的测量点分布则较为密集。在 F B 5 2 0 执 行完上述两个范围的检测后，液压伺服轴的补偿曲 线就建立起来了， 可以通过在线方式观察补偿曲线 速度 i 0 m Ⅲ ／ s J l I ⋯一 粗 调 范 围 曩 蔷 萎 粗 调 范 围 I I Ⅷ I I I I l I I I I I I I I l l l 一 1 0 0 ％ J} ． ． I f ／ I I ／ l I ／ I l I l ／ ‘ I I I l I I l I I 一 1 0 m ／ 。 I I 图4 液压轴补偿曲线测量点 给 定值 自动化 在 T C P U中运行情况并做相应调整。最终控制器 会 自动使 用补偿 曲线 中的速度对 应关 系调 节输 出，并通过使用定位功能块对液压轴进行控制。 5液压轴组态与软件实现 首先 ，在 S 7 T C o n f i g中插人一个轴对 象并选 择 “ 速度控制”和 “ 定位”控制。然后打开轴向 导，在轴类型对话框中选择 “ 液压轴”类型，将 阀类型定义为 “ Q阀” 。在配置完输人输出的地址 和参数后即完成了压头液压轴的组态。但是根据 前文所述 ，液压伺服系统需要确定一条补偿曲线 来线性化输出变量与液压轴速度之间的关系，因 此还需建立相应补偿曲线的凸轮盘。在C A MS 下 面建立两个凸轮盘，分别取名为C a m _ P r o fi l e 与 C a m R e f e r e n c e ，并填入两个差补点描绘一条输 出 给定与执行速度间的参考关系曲线。 做好上述工作后 ，将 S 7 T C o n f i g 存盘编译 ， 并将组态好 的轴和凸轮盘等工艺对象生成相应 的 工艺对象数据块并下载 到T C P U，就完成 了完整 的液压轴组态工作 。 基 于液压轴伺服控制系统快锻压头程序 主要 包括液压伺服轴的补偿曲线创建；压头液压轴启 停控制；液压轴定位控制；压头液压轴位置自动 调整。其部分程序如下 程序段 1 C AL L ” Ge t C b a r a c t e r i s t i c s ”． DB5 2 0 Ax i s 3 Ca mRe f e r e n c e 4 Ca mPr o fil 5 En a b l e M 1 0 0 ． 0 Mo d e O ma x Di s t a n c e 1 ． 6 0 OO 0 0e O 03 J o g P o s DB4 0 ． DB X0 ． 0 J o g Ne g DB 4 0 ． DB X0 ． 1 J o g Ve l o c i t y DB5 0 ． DB D0 D o n e DB 4 1 ． DB X0 ． 0 Bu s y DB4 1 ． DBXO． 1 Er r o r DB41 ． DBX0 ． 2 Er r o r I D DB5 1 ． DB r 0 Er r o r S o u r c e DB5 1 ． DBW 2 S t a t e DB5 1 ． DBW 4 Ac t i v e Ca m DB5 1 ． DBW 6 初 始位 置 ，输入 要执行测量液压缸 的最大行程 ， 通 过状态 字观察 当前 的执行 情况 ，当测量结 束 后 ，将测量 出的补偿 曲线写入到凸轮盘中。 程序段2 CALL ” MC _Po we r ”， DB4 01 Ax i s 3 En a b l e M 1 0 0． 1 Mo d e O S t o p Mo d e 3 St a t u s DB41 ． DBX1 ． O Bu s y DB41 ． DBX1 ． 1 Er r o r DB41 ． DBX1 ． 1 Er r o r l D DB5 1 ． DBW 8 程序段 2 通过调用 MC _ P o w e 可实现对液压轴 3 的启停控制。控制模式选择0 ，使该轴的启动控 制响应对应于轴的组态。停止模式选择 3 ，使该 轴 的控制信号通过 已组态 的斜坡更改为 已编程 的 替换控制信号，以确保其准确定位。 程序段 3 CALL ” MC Mo v e Re l a t i v e ”， DB 41 1 Ax i s 3 Ex e c u t e M 1 0 0 ． 2 Di s t a n c e DB5 0． DBD4 Ve l o c i t y DB 5 0 ． DBD8 Ac c e l e r a t i o n D B5 0 ． DB D 1 2 De c e l e r a t i o n DB5 0． DBD 1 6 J e r k 0 Do ne Fl a g DB5 0 ． DBW 22 Do n e DB41 ． DBX2． 0 Bus y DB4 1 ． DBX2 ． 1 C o mma n d Ab o r t e d DB 4 1 ． DB X2 ． 2 Er r o r DB4 1 ． DBX2． 3 Er r o r I D DB5 1 ． DBW 1 0 程序段 3 通过调用 MC Mo v e R e l a t i v e 实现液压 轴 3 定 位控制 。通 过 D B 5 0 ． D B D 4 给定 定位距离 ， D B 5 0 ． D B D8 给定速 度值 ，D B 5 0 ． D B D 1 2给定加速 值，D B 5 0 ． D B D 1 6 给定减速值 。冲击 J e r k 设定为 0 ，使用梯形运动曲线。 程序段4 CALL ” MC Mo v e S u p e r I mp o s e d”， DB41 3 Ax i s 3 程序段 1 通过调用 F B 5 2 0 功能块建立液压伺 E x e c u t e M1 0 0 ． 3 服轴补偿曲线 ，其基本过程为输入液压轴工 艺对D i s t a n c e D B 5 0 ． D B D 2 4 象 D B号 ，通过点动，将液压轴移动到要运行的最 V e l o c i t y D i ff D B 5 0 ． DB D 2 8 匿 ] l 王宇翔 等 S I MA T I C T C P U在快锻液压机压头控制 中的应用 工业自 Ac c e l e r a t i o n DB5 0． DBD32 De c e l e r a t i o n DB5 0． DBD36 J e r k D B5 0 ． DBD 4 0 Do n e Fl a g DB50 ． DBW 42 Do n e DB41 ． DBX3 ． 0 Bus y DB41 ． DBX3． 1 Co mma n dAb o r t e d DB41 ． DBX3． 2 Er r o r DB4 1 ． DBX3 ． 3 Er r o r l D DB5 1 ． DBW I 2 程序 段 4通 过 调用 MC M 0 v e s u p e r I mp o s e d实 现液压轴 3 位置叠加调整。通过D B 5 0 ． D B D 2 4给定 进行 叠加定位 的其他距 离 ，D B 5 0 ． D B D 2 8 给定相 对 于当前运 动的最大速 度偏差 ，D B 5 0 ． D B D 3 2 给 定 加 速 值 ， D B 5 0 ． DB D 3 6给 定 减 速 值 ， D B 5 0 ． D B D 4 0 给定位置调整的冲击值 。 6结束语 本文根据快锻液压机] 二 艺特点设计 了基 于液 压轴的伺服控制系统 ，构建了以西门子T E C H N O L O G Y C P U及 I M1 7 4接 口模块 为基础 的网络架构 ， 对快锻压头 自动控制的实现过程进行阐述 ，设计了 控制系统各软件模块，经实验验证 ，程序各功能块 运行准确 ，不仅实现了快锻液压机压头 的准确定 位 ，还可对压头的速度进行无级控制。此项技术可 推广用于各种液压设备中液压轴定位及速度控制。 参考文献 [ 1 ]王东明，张怀德，马麟． 基于T C P U的多缸电液比例 同步控制 系统研 究与应 用 『 J ]． 制造技术与机床 ， 2 0 l 2 0 6 l 0 5 1 0 8 ． [ 2 ]龚慧斌 ，郑珊珊，闻娟．一种基于S I MA T I C F - C P U 的 运 动 控 制 伺 服 系 统 设 计[ J ]．自动 化 应 用 ， 2 0 l 0 01 3 3 3 5 ． [ 3 ]翟国涛． 基于S I MA T I C T C P U的旋压机控制系统研究 与设计 [ D]． 秦皇岛燕山大学，2 0 l 2 ． 第一作者简介王宇翔，男，1 9 8 3 年生，1 f 肃兰州人，硕 士，工程师。研究领域设备运动过程 自动控制。已发表 沦文 3 篇 。 编辑 王智 圣 - - - - - - 4- - - - 一- --f 一 - } 一 - 一 - - 一 - - ● 一 - - 一- - 一 一 - - 卜 - ’ 一- 一 - 卜- - ’ 一 - 十 一 - - - 一 一 ● 一- ’ 一- 卜- -’ 一 上接 第4 5 页 a 应力云图 表 1 最大应 力和位移 o o ． o o s 『_- o ． o⋯ 1 总位移分布 图6 弹片厚度为 0 ． 5 m i l l 参 考文献 [ 1 ]郑志祥． 机械零件 [ M]． 北京高等教 育出版社 ， 2 基于 A N S Y S 软件 ，能够在弹片加T之前 对其进行必要的仿真分析 ，可以确定弹片的厚度 和形状 ，保证 自动离合机构的整体运动效果 ，以 缩短开发周期 。同时 ，本文对相似的弹片的设计 和分析方法都有一定的参考价值。 20 07． [ 2 ]李 亦文． 产品设计原理 [ M]． 北京化学工业出版 社 ，2 0 0 4 ． [ 3 ]李黎明． A N S Y S 有限元分析实用教程 [ M]． 北京清 华 大学 出版社 ，2 0 0 5 ． [ 4 ]邹建奇，崔亚平． 材料力学第一版 [ M]． 北京清 华大学出版社，2 0 0 7 ． 作者简介李晶，男，1 9 8 5 年生，湖北荆州人，硕士。 研究领域 机 电一体化产品的结构设计 。已发表论文 1 篇。 ‘ 编辑 阮毅 厂 T _ ]