彈藥成型裝備數(shù)字化系統(tǒng)研究

梁曉輝，曹志偉

LIANG Xiao-hui, CAO Zhi-wei

（中國工程物理研究院化工材料研究所，綿陽 621900）

0 引言

彈藥成型是采用成型裝備實現(xiàn)將炸藥粉體材料按照一定的配方壓制成固體材料。常采用的設(shè)備包括：材料試驗機(jī)、液壓機(jī)與溫等靜壓機(jī)。液壓機(jī)與溫等靜壓機(jī)主要用于大型彈藥部件成型，相比之下，溫等靜壓機(jī)壓制的材料密度與均勻性好、工藝較短、壓制效率高但成本較高，而液壓機(jī)設(shè)備簡單、成本低但工藝過程長[1]。

彈藥成型作業(yè)的特點是：工藝比較復(fù)雜、涉及設(shè)備多、危險性較高、事故損傷性大。綜合考慮作業(yè)過程安全且不斷提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量水平等因素，提高設(shè)備的數(shù)字化水平，實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程的透明化、可檢測性、故障自診斷性，對于提升彈藥成型制造水平具有十分重要意義。

綜合采用先進(jìn)控制、計算機(jī)與大數(shù)據(jù)等工程技術(shù)以及工藝管理、設(shè)備管理與企業(yè)管理等管理技術(shù)，實現(xiàn)彈藥成型裝備數(shù)字化[2]。研究下位機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場底層控制；構(gòu)建上位機(jī)軟件，實現(xiàn)工藝編制與實時模擬、作業(yè)過程數(shù)據(jù)記錄與查詢等車間層管理；構(gòu)建管理層軟件，實現(xiàn)工藝、設(shè)備運(yùn)行過程、安全、質(zhì)量等管理功能；研究增壓過程壓力曲線控制方法，實現(xiàn)高精度曲線控制。

1 彈藥成型裝備介紹

彈藥成型裝備數(shù)字化系統(tǒng)的控制技術(shù)核心是研究壓力曲線控制算法[3]。以液壓機(jī)為彈藥成型裝備，開展數(shù)字化系統(tǒng)研究。

1.1 液壓機(jī)特性

液壓機(jī)的常用動作包括：快速運(yùn)行、慢速升壓、保壓、卸壓與回程等。該文以增壓過程為對象，研究壓力曲線控制。增壓過程的主要元部件或者裝置包括：高壓泵、換向閥、比例流量閥、比例溢流閥、插裝閥與高壓工作缸。

1.2 液壓機(jī)增壓原理

高壓泵運(yùn)行產(chǎn)生高壓油液，換向閥控制高壓油路的方向，比例流量閥控制進(jìn)入高壓工作缸的介質(zhì)油流量。通過向定容量的高壓工作缸里不斷注入介質(zhì)油，實現(xiàn)高壓工作缸增壓。

增壓過程滿足液體壓縮公式[4]，如下：

式中V為工作缸的有效容積，V0為工作缸內(nèi)壓力達(dá)到P時需往缸內(nèi)注入的介質(zhì)油體積。

1.3 液壓機(jī)增壓控制方法

控制比例流量閥的開口度，即可控制進(jìn)入高壓工作缸的介質(zhì)油體積，進(jìn)而控制升壓過程。采用連續(xù)型、自適應(yīng)閉環(huán)控制算法，由控制器實時計算比例流量閥開口度，即可實現(xiàn)升壓過程曲線控制。

2 數(shù)字化系統(tǒng)研究與設(shè)計

彈藥成型裝備數(shù)字化系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)現(xiàn)場控制層、車間層與管理層分級控制[5]。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖2 現(xiàn)場控制層硬件設(shè)計

2.1 現(xiàn)場層設(shè)計

現(xiàn)場層完成設(shè)備的現(xiàn)場檢測、控制與指示等功能。具體包括：液壓泵、電磁閥、比例閥等執(zhí)行部件單動控制，手動控制，壓力檢測與報警，真空泵控制與真空度檢測，安全聯(lián)鎖控制等。

2.1.1 現(xiàn)場層硬件設(shè)計

現(xiàn)場層硬件主要為智能儀表和以SIMATIC S7-300 PLC為主處理器的電氣控制系統(tǒng)。儀表實現(xiàn)壓力檢測、報警與安全控制；PLC主要實現(xiàn)按鈕、檢測開關(guān)、執(zhí)行部件、傳感器等信號的輸入輸出、邏輯與數(shù)值計算、工藝數(shù)據(jù)存儲等功能。PLC與智能儀表通過RS232接口的Modbus協(xié)議實現(xiàn)通信。現(xiàn)場層采用Profibus總線與車間層控制器通信?，F(xiàn)場層硬件設(shè)計如圖2所示。

2.1.2 現(xiàn)場層軟件設(shè)計

現(xiàn)場層軟件采用SIMATIC Step7工具開發(fā)，采用輪訓(xùn)式的程序結(jié)構(gòu)。各個功能塊在OB1里調(diào)用實現(xiàn)，中斷型程序在0.1秒中斷塊OB35實現(xiàn)，啟動時執(zhí)行一次的程序在OB100里實現(xiàn)?，F(xiàn)場層控制軟件功能包括：手動控制、自動控制、壓力與真空傳感器檢測、壓力曲線控制、運(yùn)動滑塊行程與速度測量、配方管理與安全聯(lián)鎖等。現(xiàn)場層軟件流程圖如圖3所示。

2.2 車間層設(shè)計

車間層實現(xiàn)工藝人員的對設(shè)備的操作，主要包括：工藝數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定、工藝模擬與曲線下載、過程自動記錄保存與查詢、設(shè)備故障自診斷、狀態(tài)設(shè)定、設(shè)備運(yùn)行歷史記錄等功能。

2.2.1 車間層硬件設(shè)計

車間層以工控機(jī)作為硬件平臺，具備總線與RS232串口接口，能連接集線器HUB或者路由器，具備通信擴(kuò)展接口功能。工控機(jī)與現(xiàn)場控制層通過Profibus總線通信，與管理層通過以太網(wǎng)通信。

圖3 現(xiàn)場層軟件流程圖

2.2.2 車間層軟件設(shè)計

車間層軟件主要為人機(jī)交互界面軟件，采用KingView6.53開發(fā)。車間層軟件采用界面管理方式，主要包含的軟件畫面包括：開機(jī)用戶權(quán)限管理畫面、主畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、自動壓制過程仿真與監(jiān)控畫面、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢畫面、報警畫面、故障診斷畫面等。人機(jī)交互界面軟件主畫面如圖4所示。

圖4 車間層人機(jī)交互軟件主界面

2.3 管理層設(shè)計

管理層實現(xiàn)企業(yè)級對成型裝備的工藝過程、制造進(jìn)度、安全運(yùn)行、制造過程質(zhì)量等管理。主要功能包括：制定生產(chǎn)計劃并對生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行管控，編制、校對、審核并批準(zhǔn)工藝卡片，監(jiān)控設(shè)備重要工藝參數(shù)、故障報警、安全運(yùn)行、過程質(zhì)量控制等。采用基于.Net或者Java等開發(fā)工具進(jìn)行軟件開發(fā)。管理層軟件包括：工藝審核與批準(zhǔn)管理模塊、工藝參數(shù)計算與仿真模塊、關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)實時記錄與查詢模塊、制造過程實時監(jiān)控與查詢模塊、制造進(jìn)度管控與質(zhì)量管理模塊等。

3 增壓過程建模、算法設(shè)計與仿真

對增壓過程辨識數(shù)學(xué)模型，設(shè)計控制器與控制算法并進(jìn)行仿真，為實物研制提供理論依據(jù)。

3.1 增壓過程建模

3.1.1 增壓過程系統(tǒng)特性

液壓機(jī)增壓過程為單輸入單輸出的連續(xù)控制系統(tǒng)。影響壓力曲線控制精度的非線性因素有：油液溫度變化、坯件體積壓縮、粘度、工作介質(zhì)油等，這些因素對控制精度影響較小，可以忽略[6]。

3.1.2 增壓過程模型推導(dǎo)

根據(jù)控制信號、比例閥流量、注入高壓缸介質(zhì)油體積與缸內(nèi)壓力的數(shù)值關(guān)系，得到控制信號與缸內(nèi)壓力的數(shù)學(xué)關(guān)系。設(shè)控制信號i(t)，比例流量閥系數(shù)k0，比例流量閥流量Q0(t)，工作缸體積V0，初始壓強(qiáng)P0，液壓油壓縮系數(shù)K，注入介質(zhì)油體積V，注入ΔV介質(zhì)油后缸內(nèi)壓力增量ΔP。

控制信號與比例閥流量關(guān)系：

介質(zhì)油注入工作缸后，由液體壓縮公式得到關(guān)系式：

由于ΔV＜＜V0，忽略ΔV，得到：

進(jìn)一步變化形式，得到：

由于壓力與體積均為連續(xù)變量，故可微分，得到：

數(shù)值上，比例流量閥的流量等于注入缸內(nèi)介質(zhì)油體積的微分，即：

聯(lián)合式(2)～式(7)，得到增壓系統(tǒng)的微分方程：

實驗方法計算系統(tǒng)的慣性常數(shù)，代入各個已知參數(shù)，得到增壓系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)：

3.2 增壓過程控制算法設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化

增壓過程為一階連續(xù)、低慣性、近似線性時不變系統(tǒng)。非線性因素對控制精度影響較小，基于改進(jìn)型PID控制器負(fù)反饋控制策略可對模型近似后引起的曲線控制精度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2.1 控制算法設(shè)計

增壓控制采用分時開環(huán)與閉環(huán)控制算法。起始階段采用開環(huán)，對比例閥開口度固定值控制，到達(dá)起始點后轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制采用開口度帶限的PID閉環(huán)控制策略?？刂扑惴ㄈ鐖D5所示。

圖5 壓力曲線控制策略

3.2.2 控制器設(shè)計、參數(shù)整定與優(yōu)化

增壓控制是一種跟隨控制系統(tǒng)，PID控制器可應(yīng)用于增壓過程曲線控制。壓力控制系統(tǒng)屬于低滯后系統(tǒng)，采用比例-積分控制策略。通過仿真實驗，控制器比例系數(shù)為0.04，積分時間常數(shù)為5s。

3.3 增壓過程控制算法仿真

3.3.1 仿真平臺組建

采用SIMULINK軟件實現(xiàn)增壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與PID控制器，構(gòu)建仿真平臺[7,8]。如圖6所示。

3.3.2 仿真實驗

對一種常用的由圓、橢圓與直線組成的曲線開展控制算法仿真。跟隨曲線函數(shù)如式(10)所示。

開展工藝仿真后，仿真曲線如圖7所示。

圖6 升壓系統(tǒng)SIMULINK仿真平臺

圖7 工藝仿真曲線

4 結(jié)論

研究了彈藥成型裝備數(shù)字化系統(tǒng)的組成，研究了一種現(xiàn)場層、車間層與管理層軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法。針對成型裝備增壓過程高精度壓力曲線控制的需求，研究了增壓過程建模、控制算法設(shè)計、控制器參數(shù)確定，并采用SIMULINK仿真平臺對常見工藝曲線進(jìn)行仿真實驗。本文所述的科研成果已經(jīng)應(yīng)用于彈藥成型裝備的數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計，取得較好的使用效果。

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