四種粉末成形壓機電液比例伺服系統(tǒng)淺析

張海山，李進(jìn)，王卓，祝俊松，朱改新，李佳如

（1.上海蘭石重工機械有限公司，上海 201108；2.蘭州蘭石重工機械有限公司，甘肅 蘭州 730714）

0 引言

粉末成形壓機是粉末冶金行業(yè)的重要設(shè)備之一，它通過加壓、加熱方法使粉末成形。為了使粉末均勻地分布在一個復(fù)雜的零件模具，并最終壓制出精確復(fù)雜的零件，必然需要多個執(zhí)行機構(gòu)的協(xié)同工作[1]。

很長時間以來，粉末成形壓機采用液壓+機械的方式實現(xiàn)模架的控制。該方式往往導(dǎo)致液壓系統(tǒng)龐大，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維護(hù)困難，零件加工品種單一，在應(yīng)對今天千變?nèi)f化的市場需求時就顯得力不從心。市場迫切需要具有更多柔性，更高精度的設(shè)備。而電液比例伺服系統(tǒng)通過電氣軟硬件平臺來實現(xiàn)傳統(tǒng)的由液壓機械完成的控制，大大簡化了傳統(tǒng)粉末成形壓機的液壓和機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，同時，電液比例伺服系統(tǒng)還可通過人機接口根據(jù)不同的產(chǎn)品需求靈活地配置不同的加工程序，使粉末成形壓機從固定單一化產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝曰鄻踊a(chǎn)品生產(chǎn)。

1 電液比例系統(tǒng)的構(gòu)成

電液比例伺服系統(tǒng)采用控制器+液壓庫作為主控單元，通過電氣信號驅(qū)動電液比例閥，將小功率電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力，從而實現(xiàn)類似電氣伺服的單軸定位、多軸耦合等控制。

電液比例伺服系統(tǒng)由以下幾個部分構(gòu)成[2]，如圖1 所示：①液壓油箱；②液壓泵；③電液比例方向閥+比例放大器；④位移傳感器（測量反饋系統(tǒng)）；⑤控制器及與其配套的液壓庫。

圖1 電液比例伺服系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)中，控制器根據(jù)設(shè)定量和反饋量的偏差值，通過其液壓庫軟件計算出輸出值，以模擬量形式從端口輸出，通過比例放大器來控制比例換向閥的開度和方向，從而控制液壓缸的運動方向和速度；測量反饋系統(tǒng)的信號通過接口模塊將信號實時反饋給控制器，從而完成閉環(huán)控制。通過兩個壓力傳感器，也可以實現(xiàn)壓力、力的閉環(huán)控制。如果系統(tǒng)中有多個類似液壓缸（同樣適用于液壓馬達(dá)），可實現(xiàn)多軸同步等復(fù)雜控制。

2 四種電液比例伺服系統(tǒng)

2.1 西門子SIMOTION C

SIMOTION 是西門子的運動控制系統(tǒng)，目前SIMOTION 家族有三種硬件平臺，即基于控制器的SIMOTION C、基于PC 的SIMOTION P 和基于驅(qū)動的SIMOTION D。每個硬件平臺都有其自身的優(yōu)點，分別在特定應(yīng)用中使用。當(dāng)只作液壓軸驅(qū)動控制器時，推薦采用SIMOTION C。SIMOTION C 分為C240 和C240PN，采用與西門子S7-300 PLC 相同的模塊化設(shè)計，使用靈活，可以擴展S7-300 PLC 的I/O 模塊及功能模塊。SIMOTION C240 本體具有4 個模擬量驅(qū)動/步進(jìn)電機驅(qū)動接口，用于連接驅(qū)動器，可通過模擬量模塊或總線（PROFIBUS 或PROFINET）擴展，最多可帶32 軸[3]。

西門子SIMOTION C 編程環(huán)境采用SCOUT 軟件，通過工藝對象（TO）方式配置液壓軸，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，SIMOITON 支持線性液壓軸和旋轉(zhuǎn)液壓軸，并且可被指定為標(biāo)準(zhǔn)運動控制，或標(biāo)準(zhǔn)運動控制+壓力控制，或標(biāo)準(zhǔn)運動控制+力控制等。所有參數(shù)配置通過對話框方式完成，交互性好。

圖2 SCOUT 液壓軸配置

SCOUT 軟件的液壓軟件包提供了豐富的液壓軸控制函數(shù)，如_enableAxis()使能軸、_pos()軸定位，_homing () 軸回原點等。除SCOUT 自帶函數(shù)外，SCOUT 也支持PLCopen 指令用于液壓軸控制。

SIMOTION C 也支持多液壓軸耦合、多液壓軸軌跡控制等，滿足各種液壓控制場合需求。并且SIMOTION 上市已久，有很多成功案例。只是開發(fā)系統(tǒng)和手冊以英文為主，對開發(fā)設(shè)計人員英文有一定要求。

2.2 西門子S7-1500(T)及其LSimaHydTO 液壓庫

S7-1500（T）是西門子公司新一代控制器，集成了運動控制、工業(yè)信息安全和故障安全功能。采用界面友好的TIA 博途軟件，其從推出之日起，就成為行業(yè)應(yīng)用的熱點。

當(dāng)前的SIMATIC S7-1500（T）控制器固件版本不直接支持液壓軸。無法如SCOUT 一樣在軸類型配置界面直接選擇液壓軸，而是通過組態(tài)電氣伺服軸配合“LSimaHydTO”庫進(jìn)行液壓軸的閉環(huán)控制。S7-1500（T）工藝對象與LSimaHydTO 液壓庫的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3 所示。

圖3 S7-1500（T）工藝對象與LSimaHydTO 液壓庫的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

借助“LSimaHydTO”液壓庫中的模塊化功能塊，擴展SIMATIC S7-1500（T）的工藝對象，無論是閥控液壓應(yīng)用還是那些帶有可變轉(zhuǎn)速的泵驅(qū)動器都可以實現(xiàn)。SIMATIC S7-1500（T）的定位/同步軸工藝對象的運動控制功能可用于所含液壓軸的運動控制。

在“LSimaHydTO”庫中，SIMATIC S7-1500（T）中存在的液壓軸由控制器中創(chuàng)建的工藝對象驅(qū)動，工藝對象與液壓軸連接，實現(xiàn)液壓軸驅(qū)動功能的實現(xiàn)。使用集成在控制器中的運動控制指令，可以如下方式控制并操作液壓軸：將液壓軸創(chuàng)建為定位軸或同步軸；通過“MC_Power”運動控制功能使能液壓軸；全面支持基本的運動控制功能，例如“MC_Reset”和“MC_Home”；通過“MC_MoveJog”運動控制指令以點動模式移動液壓軸功能；通過SIMATIC 控制器中包含的運動控制功能以實現(xiàn)閉環(huán)的位置控制；如果液壓創(chuàng)建為同步軸，可以使用控制器中的同步功能；液壓反饋控制包含液壓軸的位置控制和壓力/力控制，以及液壓閥的閥特性曲線 用于在反饋控制中補償液壓閥的非線性[4]。

從上述功能描述可知，SIMATIC S7-1500（T）在電氣伺服軸工藝對象基礎(chǔ)上，通過擴展庫的形式間接實現(xiàn)了液壓軸的閉環(huán)控制，這種方式?jīng)Q定了，在應(yīng)用過程中需要處理的接口和數(shù)據(jù)相對比較多，并且該庫推出不久，應(yīng)用的案例和文檔不多，后續(xù)如果SIMATIC S7-1500（T）固件直接支持液壓軸，會是非常好的選擇。

2.3 倍?？刂破骷捌湟簤簬?/h3>

德國倍福公司是PC 控制技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，目前擁有工業(yè)PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和TwinCAT 自動化軟件平臺（如圖4 所示），構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)。

圖4 TwinCAT3 軟件平臺

倍?？刂破髋浜蟃winCAT 軟件平臺的液壓庫可以組成電液比例伺服系統(tǒng)，在軟件實現(xiàn)時，TwinCAT軟件直接引入液壓庫TF5810，調(diào)用對應(yīng)函數(shù)即可實現(xiàn)復(fù)雜液壓軸控制。

TwinCAT 液壓庫主要特點[5]：TwinCAT 液壓庫（TF5810）提供閥和泵控制的軸或伺服泵所需的所有軟件功能；液壓庫使用標(biāo)準(zhǔn)化的PLCopen 接口；液壓軸的優(yōu)化操作都可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)定值發(fā)生器、自動特性曲線識別、分段運動和在力、壓力和位置控制之間的自由編程切換實現(xiàn)；能夠?qū)崿F(xiàn)具有匹配的CPU 性能的任意數(shù)量軸的高級運動控制；當(dāng)使用TwinCAT NC I 或TwinCAT CNC時，液壓軸可以在插補模式下運行；TwinCAT 液壓庫支持與倍福I/O 系統(tǒng)配套的所有通用接口。

倍福液壓庫是應(yīng)用比較廣泛的通用電液比例伺服控制系統(tǒng)之一，在金屬加工、注塑等很多行業(yè)都有比較成功的應(yīng)用案例，比如液壓式數(shù)控彎箍機、注塑機等。Twincat 軟件界面友好易學(xué)易用，但是在液壓庫應(yīng)用方面，相對資料不多，且多為英文，開發(fā)人員需要一定時間積累和學(xué)習(xí)，才能真正發(fā)揮TwinCAT 平臺的強大功能。

2.4 專用液壓軸控制器

為了適應(yīng)市場需求，許多液壓件生產(chǎn)廠家推出專用于液壓軸控制的控制器，比如穆格的MSCIII、博世力士樂的HMC 等。

出于多種因素綜合考慮，筆者選擇了在粉末成形壓機行業(yè)應(yīng)用較多的美國Delta 計算機公司的RMC 專用液壓軸控制器。RMC 控制器有三個系列，分別是RMC70 單軸和雙軸控制器，RMC150/151 2/4/6/8 軸控制器，RMC200 32 軸控制器。

RMC 控制器支持位置控制、壓力、力的控制、多軸耦合控制等多種控制模式[6]。

RMC 控制器采用RMCTOOL 軟件編程對控制器編程[7]，RMCTOOL 軟件類似填表格式的編程語言，簡單易用，如圖5 所示，官網(wǎng)下載可直接應(yīng)用。

圖5 RMCTool 軟件編程語言

RMC 控 制 器 支 持RS232、RS485、Ethernet/IP、profinet 等多種通信方式，可與主控PLC 直接通信。易于組成分工明確的控制系統(tǒng)，如圖6 所示，是采用了專用控制器后的典型系統(tǒng)架構(gòu)圖，主控PLC 完成設(shè)備整體邏輯控制，以通信方式發(fā)送控制指令和定位參數(shù)給液壓軸控制器，由液壓軸控制器完成液壓軸的復(fù)雜定位控制。

圖6 典型系統(tǒng)架構(gòu)圖

采用這個結(jié)構(gòu)的好處是，專用液壓控制器一般功能單一，對開發(fā)設(shè)計人員學(xué)習(xí)比較快，并且控制器廠家可以提供有針對的培訓(xùn)和技術(shù)支持，幫助開發(fā)人員盡快上手；另外，可實現(xiàn)分工協(xié)作編程，PLC 工程師和液壓軸控制器編程工程師分別編程調(diào)試，各司其職，最大限度節(jié)約了調(diào)試時間。只是需要考慮的，專用液壓軸控制器價格相對比較昂貴。

3 總結(jié)

（1）西門子SIMOTION 和倍福液壓庫在液壓軸控制應(yīng)用方面相對資料不多，且大多是英文文檔，技術(shù)人員熟悉和技術(shù)積累所需時間稍長，成本中等，但是利于構(gòu)成單控制器的系統(tǒng)，不存在與第三方專用控制器通信等問題，利于現(xiàn)場維護(hù)人員的后期設(shè)備維護(hù)。

（2）西門子S7-1500（T）的LSimaHydTO 液壓庫推出不久，應(yīng)用還不是很廣泛，資料不多。在實際應(yīng)用前，建議做一些驗證性實驗。但因其采用的TIA 博途中文編程環(huán)境，相對較易于被廣大熟悉西門子PLC 的工程師接受。

（3）PLC 與專用液壓軸控制器組成的電液比例伺服系統(tǒng)，一般成本較高，但是易于調(diào)試，易于分工協(xié)作，縮短了產(chǎn)品上市時間。

（4）需要注意的是，電液比例伺服系統(tǒng)與電氣伺服系統(tǒng)（通常執(zhí)行元件是伺服電機）不同。伺服電機根據(jù)給定改變運行速度，響應(yīng)快，動態(tài)特性好，給定與輸出之間呈線性關(guān)系；而電液比例伺服系統(tǒng)因其液壓油的物理特性決定了其響應(yīng)速度和動態(tài)特性都較低，而且在電液比例伺服系統(tǒng)啟動、停止及換向時都會出現(xiàn)大滯后，這就導(dǎo)致了給定信號與執(zhí)行速度之間的非線性關(guān)系[2]。這種非線性的關(guān)系曲線通常需要技術(shù)人員手動標(biāo)定或者通過控制器自帶的自識別工具獲得。