PLC中雙CPU在快速鍛造壓機(jī)中的應(yīng)用

高尚暉 施一娜 王冬梅 李培力

(金屬擠壓/鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西710032)

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?？?，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)西門子CPU(414-2)，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中CPU(414-2)的掃描速度在8 ms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80次/min。如果20 MN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。為了滿足設(shè)備的工藝要求，同時(shí)兼顧設(shè)備的成本，經(jīng)過(guò)與西門子技術(shù)人員的溝通，決定采用雙CPU協(xié)同工作的模式解決這個(gè)問(wèn)題。

1 PLC中CPU工作原理

PLC主要由輸入部分、邏輯部分和輸出部分組成。CPU是PLC的邏輯部分，負(fù)責(zé)處理輸入部分所取得的信息，并根據(jù)被控制對(duì)象實(shí)際的動(dòng)作要求做出反應(yīng)。邏輯部分的數(shù)據(jù)處理方式是將PLC的輸入信息統(tǒng)一采入CPU中，之后執(zhí)行邏輯部件組合后所達(dá)到的邏輯功能，最后統(tǒng)一輸出，達(dá)到控制要求。隨著CPU處理程序量的增加，CPU每運(yùn)行一遍程序的時(shí)間就會(huì)加長(zhǎng)，這樣就不能滿足控制復(fù)雜、響應(yīng)速度快和控制精度高的設(shè)備的要求。

采用雙CPU(見(jiàn)圖1)協(xié)同工作，可以將一個(gè)CPU需要完成的工作，分給兩個(gè)CPU去完成，這樣就可以加快程序的運(yùn)行速度，滿足設(shè)備的工藝要求。雙CPU協(xié)同工作是在同一個(gè)機(jī)架上安裝兩個(gè)CPU，兩個(gè)CPU的通信是通過(guò)同一個(gè)底板總線進(jìn)行傳輸，這樣就可以使通信時(shí)間大大縮短，另外可以減少一套底板、電源和通訊模塊，大大節(jié)約成本。

圖1 雙CPU工作網(wǎng)絡(luò)Figure 1 Work net of double CPU

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#操作機(jī)和2#操作機(jī)的動(dòng)作。

快速鍛造壓機(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 ms～800 ms?！熬本褪清懠叽缇纫蟾?，精度為±1 mm。在一次鍛造過(guò)程中，位置量一般在40 mm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：

ωs≥2ωmax

式中ωmax——被采樣輸入信號(hào)中所含的最高頻率，單位為Hz；

ωs——采樣頻率，單位為Hz。

圖2 快速鍛造壓機(jī)的控制原理Figure 2 Control principle of rapidly forging press

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10 ms，也就要求CPU掃描周期要控制在10 ms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?！奥?lián)”就是與操作機(jī)的聯(lián)動(dòng)，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 實(shí)踐與應(yīng)用

我院已將雙CPU控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于多臺(tái)大型快速鍛造壓機(jī)。

針對(duì)西寧特鋼20 MN鍛造壓機(jī)(帶10 kN操作機(jī)和16 kN操作機(jī)各一臺(tái))，我院采用西門子S7-400系列雙CPU(414-2)工業(yè)可編程控制器作為主站，選用ET200M系列產(chǎn)品作為分布站。以414-2處理器為中心，與遠(yuǎn)程I/O構(gòu)成PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行順序控制、邏輯控制和精度控制。根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)和要求，對(duì)壓機(jī)、操作機(jī)的大車行走、鉗口旋轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位控制，并從時(shí)間上對(duì)各個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行合理分配?？蛇M(jìn)行參數(shù)修改，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的各種工作制度和工藝過(guò)程的自動(dòng)控制，并采用工業(yè)計(jì)算機(jī)作為人機(jī)接口。工業(yè)計(jì)算機(jī)與PLC通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)連接，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程，在屏幕上以多畫(huà)面和表格直觀地顯示機(jī)械、液壓、電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，并可實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入和輸出，對(duì)鍛件數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，顯示機(jī)組實(shí)際工藝參數(shù)、故障報(bào)警信息提示等。

對(duì)大連華銳45 MN鍛造壓機(jī)，也采用了雙CPU控制系統(tǒng)，其中1個(gè)CPU控制壓機(jī)鍛造程序，1個(gè)CPU控制壓機(jī)的液壓泵站。

雙CPU控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是它們之間的通訊。雙CPU通訊采用西門子自帶的SFB8(發(fā)送控制程序)和SFB9(接受控制程序)以及背景數(shù)據(jù)塊DB8和DB9。定義好兩個(gè)CPU的地址及要接收和發(fā)送的內(nèi)存地址起始點(diǎn)和區(qū)域范圍，然后各個(gè)CPU自己按照工藝要求編寫(xiě)各自的程序，最后將輸入輸出對(duì)應(yīng)到你預(yù)先定義好的內(nèi)存點(diǎn)上。注意：這種雙CPU在同一機(jī)架上工作，只有1個(gè)CPU可以對(duì)外連接外部的輸入輸出模塊，所有的對(duì)外輸出只能通過(guò)1個(gè)CPU給出。另外，并不是所有的CPU都可以實(shí)現(xiàn)這種同一機(jī)架安裝雙CPU的模式，應(yīng)用時(shí)需得到西門子技術(shù)支持。

在以上兩套鍛造壓機(jī)運(yùn)行中，通過(guò)監(jiān)控鍛造壓機(jī)，檢測(cè)CPU的掃描周期是7 ms左右，滿足了鍛造壓機(jī)掃描周期小于10 ms的要求，而且減小了系統(tǒng)的沖擊和振動(dòng)。自投產(chǎn)以來(lái)，設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)行正常，給用戶帶來(lái)了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)設(shè)備大型化、高效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，電氣控制系統(tǒng)對(duì)元件控制的反應(yīng)速度也在不斷提高，雙CPU甚至更多CPU協(xié)同工作將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 王兆義. 可編程控制器教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998: 10-11.