PLC的稳定性组态和仿真设计在高性能大型液压锻造设备中的应用

在高性能大型锻压设备技术改造中，通过PLC的稳定性组态和仿真设计的应用，在适应设备使用特点的基础上采用双CPU软件冗余控制和仿真曲线设计取得良好的控制效果。

1 引言

随着高质量锻压产品在机械制造、军工、航空航天、核电、海上平台以及石油化工行业的广泛应用，特别是大型异形锻件，市场前景广阔。要形成批量生产和技术含量高的产品，对于设备装备的稳定性运行是一个不小的挑战，尤其是可靠的电气液压控制系统直接决定动作的转换节奏，稳定的控制精度方能在锻造中精确控制锻件形态，满足工艺要求。

2 基本工艺流程和要求

锻造车间的20MN快锻机组，有1台主压机和2台操作机组成，生产时由操作机夹持各种锭型，送入压机。完成压机的快下、慢下、加压、回程，同时要求操作机配合压机的动作完成旋转，前进、后退、上倾、下倾。所有动作因考虑平稳，由液压控制完成。

根据生产锻造工艺压机在自动常锻时，要求压机加压力达到20MN级，锻造压下量≥100mm,每分钟20~40次，同时要满足自动快锻时，压机加压力达到16MN级，锻造压下量为5mm,每分钟75~85次的精确控制，还需要兼顾加热退火工序工艺，因此在时间和动作的衔接，上述配合首先必须满足频次控制。并在运行中通过上位机的压下尺寸控制，不断修改、刷新尺寸并产生反馈值给上位机。

为了使每个动作精确衔接，除了在PLC控制中要求稳定性和响应速度外，还要处理大量的外部压力、温度、位移传感器、编码器、等开关量、模拟量信号，主要锻造阀还引入了伺服阀去控制大流量液压阀频繁换向。

3 PLC电控系统组成

3.1 硬件组态中出现的问题

理想状态下采用高性能西门子S7-400可编程控制器，搭载ET200M系列产品作为分布站，以S7-400 PLC处理器为中心，与远程I/O构成PROFIBUS-DP总线网络系统，对机组进行顺序控制、逻辑控制和精度控制，根据预设工艺参数和要求，实现各部动作，应能满足要求。

然而，在进行各动作分析后发现大量的I/0点和远程站点的通讯对CPU运行产生了影响，可靠性不足，往往中断连续的动作。在控制中既要扫描连接各操作机及辅助远程ET-200，运行I/O的状态，又要处理即时数据通讯，常常出现动作响应慢和逻辑判断错误，或发生某一故障点CPU中断，从而影响系统的稳定性。

图1. 双CPU稳定的组态

3.2 解决的办法

如图1所示：针对这一问题，基于快速锻造工艺近似苛刻的要求，如果能在控制系统中增加备用关键设备,一旦工作中系统发生故障,控制系统便以最快速度启动,从而维持系统的正常工作。

工业控制领域中,一些大型的工业生产线往往要求连续运行不能停顿, 利用双CPU的冗余控制是一种满足连续生产要求、提高系统可用性的有效手段。若采用双CPU的PLC控制器，并考虑硬件成本，以软件方式实现CPU冗余控制。如下通讯编程（设置）：

在地址和中断分配中利用双CPU可以访问在使用STEP 7组态期间分配给它们的模块地址。分别设定CPU不同的MPI地址通过总线从一个CPU对另一个CPU编程。通过K总线通讯（Communciation，德文则是Kommunciation）不但可拆开处理一个复杂的任务，在增加系统资源的情况下，而且又不会增加I/O点数。实践证明，这种设计给PLC后续的稳定运行打下了坚实的基础。

3.3 液压控制系统中软件设计出现的问题

由于系统压力高，流量大，换向频繁，阀的动作次数多给管路和阀体直接带来了振动，对管道的冲击也大，在生产运行中尤其是精锻期间，可在液压站听到强大的冲击声，产生了大量热量，热量的传递使各管接头密封开始老化。此外对整个液压系统阀体的稳定性带来影响。

如在生产伊始，就曾出现压机频次和压下量达不到要求，同时油温的超高导致密封件的损坏而产生漏点，进而导致高压胶管破裂。

3.4 解决的办法

目前国内普遍采用高性能比例阀，变量泵控制相结合，经软件仿真分析，工作过程通过S7-400系列工业可编程近似于压机运行的正弦曲线，以满足稳定驱动执行元件，系统控制精度好、响应频率高。

其最显著特点是先导控制用油与系统工作油液完全隔离，只需单独处理小流量的控制油，从而避免了因比例控制对系统大流量油液的苛刻要求而大幅度增加设备负荷和维护问题。选用力士乐VT-VSPA1-1型比例流量阀，如图2双电磁铁时特性曲线。

图2. 双电磁铁时特性曲线

在编程过程中，除对比例阀输出“位移”采用闭环控制的方式外，还要考虑比例阀电流信号输入线性的影响，为了保证锻压过程中油压响应的快速性，在编程中用软件对比例阀的特性进行修正。如图2比例阀的特性曲线在斜率逐渐变化，避免震荡。因此，在编程时对模拟量输入采用正旋曲线按比例阀的电流电位计，以满足稳定驱动执行元件近似计算出的油压值进行补偿修正。

图3. 用程序控制比例阀的正弦曲线

在程序控制中通过不断修正MD370的值按照0-π/2的取值范围，再将MD370（自定义）的值赋给MW128配合模拟量输出在OB1模块里的PQW516（自定义）和PQW518（自定义），去控制2WRC（双电磁铁）的输入电流，根据反馈位移值，不断调整放大器的斜坡和差动偏流，近似的达到如下图所示的模拟曲线。

图4. 仿真模拟曲线

需要注意的是在快速锻造液压机的实际生产应用中，尤其是上线以来运行一段时间，控制往往会发生一定的偏移，因此并在日常维护中，根据现场流量的控制，需要检测比例阀的电流输入信号，在外加电源DC24时，当给定电压值（电流值）变化时，通过反馈电压的变化，调整上位机流量给定值和放大板的比例积分、微分设置来适应生产的需要。

4 结束语

在大流量锻压设备双CPU软件冗余控制和仿真曲线程序设计的应用下，大大减少了本身系统油压的冲击，减少了大量的维护量，而且平稳的液压控制使人机能直接对话，实时根据生产需要调整，可靠性极强，为产品的质和量带来强有力的保障，值得在液压锻造或冲击力比较大的设备技术改造中借鉴使用。

压缩热再生式干燥机为什么节能？

结合几种常用压缩空气干燥机的运行特性，并对各种干燥机的实际运行数据进行统计分析得出结论：压缩热再生式干燥机能效比高，节能效果显著。

常用的压缩空气干燥机包含冷冻式和吸附式干燥机两种。

冷冻式干燥机只能将压缩空气露点温度处理到3℃左右，需要更低露点温度只能采用吸附式干燥机，根据吸附式干燥机再生方式不同可分为无热再生式干燥机、微热再生式干燥机、鼓风加热再生式干燥机以及圧缩热再生式干燥机。

本文首先论述压缩热再生式干燥机的工作原理，并以一个工程实例将各种干燥机的能耗进行对比。重点讨论压缩热再生式干燥机在工程应用中存在的问题，从工程设计优化及对设备工艺流程改造两方面解决问题。

1、压缩热再生式干燥机的工作原理

吸附式干燥机一般采用双塔结构，一个用于气体干燥，另一个发生吸附剂再生过程。目前常用的吸附剂材料为活性氧化铝和分子筛，活性氧化铝对工作介质温度敏感，当吸附剂环境温度达到130℃以上时，吸附剂含水量只有1%左右，几乎完全脱附。而分子筛对水分的吸附能力高于同等温度下的活性氧化铝，脱附没有活性氧化铝彻底。

吸附剂再生过程分为4个阶段：加热-降压-冷吹-均压。吸附塔和再生塔根据干燥机PLC 给定的控制信号切换。见图1。

高温压缩空气（110℃以上）进入干燥机，然后直接流入再生塔，因为高温压缩空气是不饱和的，而且会使吸附剂储存的水分汽化，汽化后的水分被不饱和高温压缩空气吸附，进入干燥机的后续配套冷却器，冷却至40℃左右，此时压缩空气处于过饱和状态，析出大量液态水，液态水经汽水分离器排除。冷却后的压缩空气进入干燥塔，达到露点要求后大部分输出至压缩空气管网，供应车间及各用气工位使用，另有小部分经控制阀流入再生塔，对吸附剂进行冷吹，这个阶段耗损的压缩空气占到总气量的2% 左右。由于用于冷吹的压缩空气为干燥的压缩空气，可以使吸附剂二次脱附，冷吹过程结束后，这部分压缩空气经消音器排出。

再生塔和吸附塔在切换之前需要经过压力均衡过程，这个过程由干燥机PLC 控制程序控制，每次切换意味着干燥机经历一个完整的工作周期，控制方式一般包括露点控制和时间控制。

压缩空气进出干燥机是一个连续的过程，而干燥机的双塔切换是一个间歇过程，所以二者存在不同步的状态。当再生塔正在进行冷吹过程时，此时进入干燥机的高温压缩空气必须被旁通，直接进入后置冷却器和汽水分离器，然后再进入干燥塔。这些过程必须经干燥机控制程序实现。

2、吸附式干燥机功耗对比

为了便于将几种常用的吸附式干燥机能耗进行对比，本文对其他几种干燥机的再生过程进行简述。

无热再生式干燥机 再生过程不需要加热，处理过的部分洁净压缩空气减压后流入再生塔，通过变压吸附原理时吸附剂脱附，再生压缩空气带走吸附剂水分后经消音器排出，再生气耗占总处理气量的20%~25%。

微热再生式干燥机 再生过程也经历4 个阶段，区别在于加热阶段，加热阶段需要外界提供热源，加热阶段所用的压缩空气为处理过的洁净压缩空气，再生过程气耗占总处理气量的7% 左右。

鼓风加热再生式干燥机 用于加热的压缩空气来自外界环境，冷吹阶段需要用到洁净压缩空气，再生过程气耗占总处理气量的7% 左右。

本文选用处理量为60m³/min 的吸附式干燥机作为对比基础，空压机选用无油螺杆式空压机，空压机电机功率为315kW，排气压力为0.75MPa，排气量为51.3m³/min。干燥机和空压机各选1台，表1列出各种干燥机能耗数据。

吸附式干燥机耗能主要出现在两个阶段：即吸附剂的加热和冷吹阶段。为便于对比，将各种能耗统一折算为电功率。

表1只表示一种工况，但是其他工况定性分析结果与本工况类似，由此得出结论：圧缩热再生式干燥机总再生功耗最低，单位功耗最低，能效比最高，而无热再生式干燥机能效比最低，微热再生式干燥机和鼓风加热再生式干燥机能效比居中。

3、压缩热再生式干燥机的应用

压缩空气站一般工艺流程为： 空压机-前置储气罐-前置过滤器-干燥机-后置过滤器-后置储气罐-压缩空气管网。

因为吸附剂的最佳再生温度为130℃以上，低于100℃时再生效果急剧下降，所以进入干燥机的压缩空气温度不宜低于110℃。这导致干燥机前无法设置前置过滤器，因此要求进入干燥机的空气含油量必须控制在较低水平，只有离心式空压机和无油螺杆机才能满足这个要求。

采用压缩热再生式干燥机作为后处理设备时，空压站工艺流程更改为：空压机-干燥机-后置过滤器-后置储气罐-压缩空气管网。

经干燥机处理后的压缩空气露点能否达到要求，从设备层面讲取决于吸附剂的种类及填充容量；从运行层面讲取决于吸附剂的再生是否彻底。

活性氧化铝脱附速度快，吸附剂再生过程短，双塔切换周期短，但是吸附能力不及分子筛，所以要求压力露点温度为-40℃时，吸附塔可以只填充活性氧化铝作为吸附剂，当需要压力露点达到-70℃时，必须填充一定数量的分子筛。

干燥机的运行工况会对吸附剂的加热过程产生影响。因为压缩机出口的高温压缩空气全部进入再生塔对吸附剂进行加热，所以进入的压缩空气流量和温度都会对加热时间产生影响。而进入干燥机的压缩空气流量受空压机排气量及空压机与干燥机之间压缩空气管网水力特性影响；进入干燥机的压缩空气温度受空压机排气温度及设备和管网与外界热量交换有关。

为了保证圧缩热再生式干燥机出口压力露点稳定，结合工艺流程，在工程应用中应遵循以下原则：

（1）空压机和干燥机应该一一对应。 每台干燥机和对应的空压机匹配，空压机和干燥机之间的连接不宜采用母管方式，空压机和对应的干燥机直接连接。可以避免因为设备台数较多造成水力失调，处于最不利环路的干燥机入口压缩空气流量偏低。连接管路越简短，热量损失越小，可以保证干燥机入口压缩空气温度符合工艺要求。

（2）压缩热再生式干燥机不宜与变频空压机配套。 因为变频空压机的流量范围为60%~100%，如果进入干燥机的压缩空气流量过小，干燥剂加热阶段时间变长，干燥剂再生效果不理想。如果空压机必须选用变频空压机，吸附塔切换控制方式宜采用露点控制方式。

（3）压缩热再生式干燥机的进气管道及附件应做保温处理。 干燥机进口压缩空气温度越高，干燥剂再生效果越理想。如果进气管道系统不做保温处理，压缩空气在输送过程中会降温，而且导致压缩空气管道管壁温度升高至60℃以上，造成烫伤事故。

（4）对于用气负荷变化较大的压缩空气系统，压缩热再生式干燥机的控制方式宜选用露点控制和时间控制两种方式。 当压缩空气系统系统处于用气高峰，且运行工况比较平稳时，采用时间控制模式，当运行工况变化较大时，宜切换至露点控制模式，保证处理后压缩空气露点合格。

（5）当干燥机入口温度有可能出现偏低工况时，干燥机宜配置电辅热系统，对入口压缩空气进行二次加热。

综上所述，压缩热再生式干燥机用于用气负荷大，负荷波动小的场合，采用常规时间控制模式即可取得理想的运行效果，节能效果显著。

当用气负荷波动较大时，需要对设备进行改进，改为露点控制模式，并增加电辅热，以防止露点控制模式失效时，自动转换为微热再生式干燥机运行。

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