伺服集成控制系統(tǒng)在管式充液成形液壓機(jī)中的應(yīng)用

輕量化意味著在保證車輛重量和安全性能的前提下，應(yīng)盡可能減少車輛的整體質(zhì)量，提高車輛的動(dòng)力量，減少燃料消耗，減少污染。充液成形技術(shù)作為中高端汽車輕量化的核心技術(shù)之一，經(jīng)過幾十年的發(fā)展在發(fā)達(dá)國家已完全成熟，并已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，成為國際汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流制造技術(shù)。伺服集成控制系統(tǒng)是管材充液成形液壓機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，管材充液成形零件廣泛應(yīng)用在高端汽車、航空航天等領(lǐng)域。由于此類管件根據(jù)材料不同會(huì)有成形壓力高，控制精度高的要求，伺服集成控制系統(tǒng)則是此類設(shè)備水壓力控制的核心。為了使液壓機(jī)的水壓力達(dá)到成形需要的穩(wěn)定壓力，水壓需要通過增壓器放大，并且采用閉環(huán)控制，壓力閉環(huán)通過高頻響比例伺服閥完成。該系統(tǒng)由壓力傳感器完成系統(tǒng)壓力的采集工作，壓力傳感器將系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)并傳送給PLC可編程控制器，可編程控制器通過數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，完成系統(tǒng)壓力的閉環(huán)控制。這套系統(tǒng)可完成水壓在公稱力內(nèi)所有壓力的無極調(diào)節(jié)和控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)壓力的數(shù)顯和數(shù)控。并且增壓器的水壓力可以達(dá)到0.1%的控制精度。1控制傳感器7該系統(tǒng)的管理層為人機(jī)界面（HMI)1，可方便實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，幫助操作者了解液壓機(jī)的工作狀態(tài)，以達(dá)到控制方式簡易化的目的。可編程序控制器（PLC)2，作為此壓力控制系統(tǒng)的核心處理器，完成整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和控制，根據(jù)檢測(cè)元件壓力傳感器7的反饋信號(hào)，應(yīng)用程序控制執(zhí)行元件電磁鐵3和伺服閥4，做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而控制增壓器6動(dòng)作，直線位移傳感器5用于檢測(cè)增壓器活塞位置。如圖1所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要元件為電磁鐵3：控制相應(yīng)油路的通斷及油路的換向；伺服閥4：由伺服閥驅(qū)動(dòng)，伺服閥電壓值按比例轉(zhuǎn)化為機(jī)械力，電壓值增加，機(jī)械力也相應(yīng)的增加，伺服閥電樞腔中充滿油液并保持壓力平衡，從而能夠控制伺服閥閥芯的開度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)通過伺服閥的流量的控制。壓力傳感器7作為檢測(cè)元件接在增壓器高壓水出口處，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再通過PLC2的模擬量模塊將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示高壓水的壓力。直線位移傳感器5作為位置檢測(cè)元件內(nèi)置于增壓器油壓端，通過增壓器活塞處安裝的磁環(huán)，檢測(cè)活塞位置，控制增壓器的工作行程。2控制裝置的控制原理2.1監(jiān)控管理模塊系統(tǒng)采用西門子公司S7-300型PLC，其結(jié)構(gòu)由電源模塊、CPU處理單元、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊等組成。PLC各模塊功能如下：(1）電源模塊，選用西門子PLC專用供電電源，能夠?yàn)榭刂破魈峁└€(wěn)定的供電電源。(2)CPU單元，可以完成該系統(tǒng)西門子PLC模塊的硬件組態(tài)，完成各模塊I/O地址的設(shè)定。通過程序設(shè)定通訊端口和通訊協(xié)議，完成與觸摸屏終端的信號(hào)交換。最重要的就是完成系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和控制工作。(3）數(shù)字量輸入模塊，完成系統(tǒng)內(nèi)如行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力繼電器、控制按鈕信號(hào)的檢測(cè)工作，將此信號(hào)傳送給CPU，完成各部信號(hào)的控制，完成程序的安全互鎖，同時(shí)完成緊急停止、壓力報(bào)警等信號(hào)的控制，保證該系統(tǒng)安全和穩(wěn)定工作。(4）數(shù)字量輸出模塊，可編程控制器核心（CPU）按照編程程序執(zhí)行邏輯控制，完成數(shù)字信號(hào)的邏輯分析，執(zhí)行邏輯輸出動(dòng)作，并通過繼電器隔離，完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的電磁鐵和氣閥的控制。同時(shí)在系統(tǒng)出現(xiàn)如緊急停止等報(bào)警信號(hào)時(shí)，完成對(duì)硬件回路的互鎖控制工作。(5）模擬量輸入模塊，完成系統(tǒng)內(nèi)壓力傳感器和直線位移尺數(shù)據(jù)采集工作，將4～20mA模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為可編程控制器可以運(yùn)算的數(shù)字量信號(hào)。數(shù)據(jù)分析和計(jì)算公式根據(jù)直線位移傳感器和壓力傳感器的量程相應(yīng)調(diào)整。(6）模擬量輸出模塊，將系統(tǒng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力進(jìn)行分析和比較，結(jié)合西門子自帶的閉環(huán)控制功能塊，計(jì)算得出處理后的期望值，模擬量模塊可以將此數(shù)字量轉(zhuǎn)化為-10～+10V的電壓信號(hào)輸出，由此輸出調(diào)節(jié)伺服閥的開口大小，從而完成壓力的閉環(huán)控制。2.2雙極性伺服閥PLC可處理的信號(hào)是一種特殊的數(shù)字信號(hào)，位移傳感器和壓力傳感器檢測(cè)的模擬量信號(hào)不可以直接由CPU控制，需要將此模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，完成這種模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的模塊就是模擬量輸入模塊。同樣高頻響比例伺服閥無法由可編程控制器數(shù)據(jù)運(yùn)算用的數(shù)字量直接控制，需要將運(yùn)算后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為執(zhí)行元件可識(shí)別的電壓、電流等模擬量信號(hào)，這種將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的模塊稱為模擬量輸出模塊。在此控制系統(tǒng)中選擇16位分辨率的輸入輸出模塊，其他控制系統(tǒng)可根據(jù)控制精度的要求，選擇不同分辨率的輸入輸出模塊，單極性可以轉(zhuǎn)化為0～27648之間的數(shù)值（用于接直線位移傳感器和壓力傳感器），雙極性可以轉(zhuǎn)化為-27648～27648之間的數(shù)值（用于接伺服閥的閥芯反饋）。在增壓器的高壓水出口處，接有檢測(cè)用壓力傳感器。它將0～3000Bar的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號(hào)。這種將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置被稱為壓力傳感器。壓力信號(hào)通過壓力傳感器可轉(zhuǎn)換為0～10V或-10～+10V的壓力信號(hào)，同樣也可轉(zhuǎn)換為4～20mA或0～20mA的電流信號(hào)。在此壓力控制系統(tǒng)中采用的是4～20mA電流來傳輸模擬量。電流信號(hào)相比電壓信號(hào)有更強(qiáng)的抗干擾能力。電壓信號(hào)在長線驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于線纜長度的增加，線上電阻增加，對(duì)控制電壓有分壓現(xiàn)象，導(dǎo)致到達(dá)執(zhí)行元件的電壓虧損，無法到達(dá)控制執(zhí)行元件的要求。而采用電流信號(hào)時(shí)，模擬量輸出模塊為電流源，不受導(dǎo)線電阻的影響，可以完成數(shù)百米以上的長線驅(qū)動(dòng)的要求。同時(shí)4～20mA的電流信號(hào)還可滿足斷線檢測(cè)和防爆系統(tǒng)的控制要求。壓力控制系統(tǒng)控制最重要的部分是伺服閥，它可以通過輸入的信號(hào)（一般為±10V）調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)：壓力P和流量Q。伺服閥輸入必須與電子放大器一起使用，輸入信號(hào)給到電子放大器，然后會(huì)向伺服閥電磁鐵輸出合適的電流，電磁鐵器件會(huì)將這個(gè)信號(hào)作用在線軸上的機(jī)械力。因此，電流增加后，電磁鐵的輸出力隨之增加，彈簧會(huì)出現(xiàn)壓縮，并且線軸移動(dòng)。于先導(dǎo)式伺服閥而言，先導(dǎo)閥的作用是調(diào)節(jié)在主閥上發(fā)揮作用的流量和壓力。當(dāng)回路發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)復(fù)位彈簧會(huì)將閥芯保持在中性位置，以保證斷電保護(hù)這項(xiàng)功能。換句話說，確保在沒有輸入信號(hào)或整個(gè)電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)不會(huì)造成損壞。該系統(tǒng)采用比例放大板集成在伺服閥上的高頻響比例伺服閥。通過伺服閥接頭A和B兩個(gè)管腳來為放大板提供DC24電源供電，伺服閥控制給定值接到D和E兩個(gè)管腳。同時(shí)通過檢測(cè)C和F兩個(gè)管腳的電壓值可以監(jiān)控伺服閥閥芯位置反饋值。通過比較伺服閥的給定值和反饋值可以監(jiān)控伺服閥動(dòng)作，當(dāng)反饋值與給定值差異較大時(shí)，認(rèn)為伺服閥工作異常，或出現(xiàn)卡閥現(xiàn)象，并由PLC給出報(bào)警提示，保證該系統(tǒng)安全工作。伺服閥放大版圖如圖2所示。2.3壓力檢測(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化該系統(tǒng)采用模擬量輸入和輸出模塊，完成模擬量和數(shù)字的轉(zhuǎn)換。輸入輸出模塊接線圖如圖3所示。模擬量輸入模塊有8個(gè)輸入通道，將壓力傳感器接到其中的一個(gè)通道上，輸入值都為電流值，范圍在4～20mA。模擬量輸出模塊有4個(gè)輸出通道，將伺服閥的集成放大器接到其中的一個(gè)通道上。如圖4所示，程序塊FC105將壓力傳感器檢測(cè)的4～20mA信號(hào)通過模擬量輸入模塊和功能塊的調(diào)用轉(zhuǎn)化為300.0MPa的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)類型。模擬量輸出模塊通道輸出-10～+10V的模擬量信號(hào)，我們可以在PLC的一個(gè)存儲(chǔ)器（如：DB1.DBD58）給一個(gè)數(shù)字量信號(hào)（-100.0～100.0）通過該模塊將的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)化為-10～+10V的模擬量信號(hào)，程序塊FC106如圖4所示。這個(gè)信號(hào)又通過放大器的處理，在集成放大器的端子D和E上輸出一個(gè)變化的電流信號(hào)。在觸摸屏中做棒圖，當(dāng)增壓器手動(dòng)頂出時(shí)，用棒圖調(diào)節(jié)伺服閥的輸出電流，改變伺服閥的開口，增壓器油端以一個(gè)恒定流量打油，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定時(shí)切斷信號(hào)，此為開環(huán)控制。當(dāng)增壓器手動(dòng)退回時(shí)，給伺服閥一個(gè)負(fù)向電流，增壓器實(shí)現(xiàn)退回動(dòng)作。這樣就實(shí)現(xiàn)了從觸摸屏調(diào)節(jié)改變0～100.0的數(shù)字量數(shù)值→改變0～10V（頂出）或-10～0V（退回）的模擬量信號(hào)。2.4伺服閥控制原理如圖5所示，將高壓水傳感器檢測(cè)壓力作為實(shí)際輸入，將設(shè)置的高壓水壓力作為目標(biāo)值輸入，調(diào)用FB41功能塊，實(shí)現(xiàn)PID控制，輸出指令給模擬量輸出模塊，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)比例參數(shù)和積分時(shí)間參數(shù)和微分時(shí)間參數(shù)可以調(diào)節(jié)PID曲線。在增壓過程中可以利用伺