王帅

摘 要：热模锻压机是金属热成形的主要设备品种之一。近年来，由于其智能化、网络化、高精度、大吨位、全程数据跟踪等特点，在市场上占据了一席之地。大型模锻压机采用二次增压方式，满足压力需求的同时又可以节能。本文根据大型模锻压机所采用三级分布式网络控制系统的设计方案，分析其硬件的结构与功能以及软件的应用与特点。

关键词：大型模锻压机；电气液压控制；系统研究

1 前言

大型模锻压机主要用于轻金属及其合金、镍基和铁基等高温合金的大型模锻件生产，是制造大型军事和民用装备的基础设备。其能够对大压力、大流量的液压系统进行精确控制，且在压制过程中保持高同步性，主要依赖于强大的电气、液压控制系统以及一整套完善的故障诊断与处理机制。对于传统的大型模锻压机来言，锻压过程中所产生的偏心载荷可以通过导柱承受，但是对于800MN大型模锻机，全部载荷都加载到较小的工作台面上，集中载荷使得导柱难以承受，这就需要采用位置闭环控制方法，利用液压主缸来克服巨大的锻造偏心力矩，从而保持活动梁的姿态和锻造尺寸。采用三级分布式网络控制系统设计方案，结构清晰，易于实现精确的位置闭环控制。

2 大型模锻压机结构和液压原理

800MN大型模锻压机主要由机身、工作油缸、活动横梁、液压传动系统和电气控制系统组成（如图1所示）。其中机身包括C型机架、上横梁、下横梁、导向杆等部分，工作油缸包括5个高压主缸、4个同步缸、4个回程缸等部分。高压主缸采用增压器增压方式使直径1800mm的油缸能产生160MN的压力，采用位置闭环控制方式，形成主动同步控制系统，保证了锻件的位置精度。同步缸采用压力反馈控制，形成被动同步控制系统，其特点是反应迅速、控制精细，存在于整个锻压过程中，始终纠正锻件的偏心现象。回程缸在快速下降过程中起到稳定下降速度的作用，防止出现由于下降速度变化太快造成的波动现象，同时在回程过程中，起到快速回程的作用，增加了锻压机循环工作效率。

图2为大型模锻压机液压原理图，主缸通过各自的液压伺服系统实现加压。当锻造压力小于400MN时，变量泵加载阀和增压器旁通阀打开，增压阀进油阀关闭，油液通过变量泵增压直接进入主缸内，此时处于低压压制阶段。当锻造压力大于400MN时，变量泵加载阀和增压器进油阀打开，增压器旁通阀关闭，使得油液通过变量泵增压后，再由增压器二次增压，最后进入主缸内，形成两级增压的增压方式，此时处于高压压制阶段。利用增压器和变量泵的配合工作实现低压压制和高压压制两级压制过程，使得压力和位置控制更为精确，同时节省了能源。

3、电气控制系统结构分析

大型模锻压机主要用于极限锻造的情况，因此对电气系统的稳定性和安全性提出了较高的要求。依据“集中管理、分布控制”的原则，采用三级分布式网络控制系统方案，将大型模锻压机控制系统硬件分层为：系统级监控层、中间级核心控制层、现场级数据采集和执行层。

1）系统级监控管理层

包括工控机硬件、PC显示器、WinCC开发系统。其中WinCC开发系统包含诊断报警数据库、操作日志记录、历史数据归档及查询、生产报表等，方便操作者进行诊断分析及数据处理。利用WinCC软件开发的人机界面进行锻造程序的选择编辑、锻造过程的实时监控及锻造数据的记录分析。通过简单的操作，将控制指令、工艺要求参数等下载到PLC系统中，同时又根据PLC发送来的实时数据进行相应的监测和诊断并记录到系统中，从而形成与PLC系统之间的交互。

2）中间级核心控制层

包括两个S7-400型PLC系统，并通过数据通信模块与其他部分相连。主PLC接收监控管理层发出的控制指令，并读取传感器中压力、位置等反馈信号，完成对锻压机伺服系统和液压泵的控制，并通过总线把锻压过程中实时采集到的压力、位移、温度等信号传递给人机界面，用于操作员实时监测。

3）现场级数据采集与执行层

包括Profibus现场总线连接的分布式I/O网络、ET200s远程I/O装置、现场各种位置传感器、应变测量传感器、主电机启动器、辅助电机启动器及各种液压执行原件等，主要完成现场数据的采集和控制指令的输出执行等功能。每个PLC控制器具有单独的ProfinetI/O网络分支，其上含有许多位置节点，每个节点都包括电源、通讯模块及数据采集的I/O卡。

4 闭环同步控制功能分析

在大型模锻压机上，尺寸公差要求高、加工裕量小，整个锻压过程中容差度很小，活动梁很小的倾斜就会极大影响锻件精度，这样就需要精确而迅速的控制方法。基于传感器信号反馈的闭环同步控制成为目前相对成熟且精确的控制方法，其中包括被动闭环同步控制和主动闭环同步控制。

4.1被动闭环同步控制

被动纠偏油缸为等界面的双作用油缸，两两对角线位置的被动纠偏油缸上下油腔互連，形成封闭系统。当产生偏心载荷时，活动梁发生侧倾，一侧下腔与另一侧的上腔被压缩，压力升高，这一测上腔与另一侧下腔容积增加，压力降低，此时压力差会形成一定的纠偏力矩，减缓这种侧倾趋势。同时蓄能器通过实际压力与目标压力之间的差值调节伺服阀开度来控制液体流动：向被压缩的上下腔中补液并使容积变大的上下腔中液体流出，直到活动梁恢复到正常位置。具体液压控制过程为：把电磁铁2YA和7YA通电，使得三位三通换向阀D左位工作，降低同步缸3上腔与同步缸4下腔压力，把电磁铁1YA和8YA断电，使换向阀A右位工作，通过蓄能器增加同步缸3下腔与同步缸4上腔压力，形成了被动纠偏力矩，克服偏心力矩被动。纠偏油缸虽然同步平衡能力较小，但反应迅速、控制精度高，在锻造整个过程中始终保持同步平衡能力。

4.2主动闭环同步控制

当偏心载荷产生的偏心力矩超过被动纠偏油缸提供的最大纠偏力矩时，主动纠偏力矩成为主导纠偏力矩。通过安装在活动横梁四个角的位移传感器光栅尺和各主缸回路的流量与压力传感器，采集活动横梁四个角的位移和主缸内的流量、压力等信号，来控制主缸内液体流量和压力，使得工件重新回到设计锻造位置，从而达到主动同步控制的目的。

5 结语

大型模锻压机结构紧凑、性能稳定。采用两级增压方式的液压动力系统具有高压大流量的特点，能够满足大型锻件的锻造要求。三级分布式网络系统设计方法使得大型模锻压机的电气控制系统结构清晰、操作便捷，管理与控制相分离，克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，大大提升了控制精确度，同时也利于系统故障的监测和诊断。

参考文献

[1]薛春兰.80MN热模锻压机轮毂生产线的网络控制系统[J].锻造与冲压，2009，（8）.

[2]赵德龙，娜仁莎.80MN热模锻压力机控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2015，（5）.

（作者单位：太重（天津）滨海重型机械有限公司）