基于T－CPU的多缸电液比例同步控制系统研究与应用

王东明 张怀德 马 麟

（天水锻压机床有限公司国家级企业技术中心，甘肃天水 741020）

1 多油缸同步技术概述

影响油缸同步的因素很多，主要有以下几方面:（1）偏载造成油缸工作负荷不同和不稳定;（2）油缸内部摩擦阻力不同;（3）导轨摩擦阻力不同;（4）油缸和液压阀的泄漏不同;（5）油缸的直径制造误差不同;（6）系统和元件的流动阻力不同;（7）机械系统刚性不同等［1］。

多油缸（以下简述为多缸）同步传统的解决方法有:（1）机械强制同步（俗称扭轴同步）技术;（2）机液同步（俗称旋阀同步）技术;（3）电液伺服阀同步技术;（4）电液比例阀同步技术等。其中电液伺服阀响应速度快，控制精度高，有良好的动态特性，是解决油缸同步技术的一种先进方案，但是生产成本和使用成本较高，目前国内外在工业领域的应用逐渐减少。电液比例阀是利用比例电磁铁技术对电液伺服阀进行了简化，在压力、流量和方向阀的基础上发展的一种液压控制阀［2］。特别是高性能比例阀内置位移传感器LVDT（linear variable differential transformer线性可变差动变压器），使比例阀的控制精度、响应速度、动态特性有很大提高，通过电液比例阀，实现多缸电液比例同步控制，生产成本和使用成本比较低，是目前国内外多缸同步控制的主流解决方案。

2 多缸同步控制系统现状

和车、铣床等通用数控系统国产化研究快速发展相比，国内多缸同步控制系统的研究和国外有较大的差距。车、铣床通用数控系统控制的轴一般是电气伺服轴和机械多轴联动控制。多缸同步系统由于液压油的物理特性决定了其响应速度和动态特性都较低，而且在液压电液比例系统启动、停止以及换向时都会出现大滞后性，导致给定量与执行系统速度之间有非线性区域，该区域恰恰影响液压系统定位精度。如果以控制线性电气轴的模型来控制非线性液压轴，速度会不稳定，而且位置闭环会不停地修正由速度不稳定所带来的位置偏差，液压执行机构不稳定，造成定位误差较大。另外由于液压系统的特殊性，需要电气研发人员具有丰富的液压行业从业经验，特别是对液压专业技术掌握程度要求比较高。

目前，国内国外多缸电液比例同步控制系统由荷兰DELEM公司、瑞士CBLCLE公司、比利时LVD公司和德国BOSCH－REXROCH公司等国外几家公司生产。其中荷兰DELEM公司的DA65W系列产品和瑞士CBLCLE公司的MODEVA12系列产品，装备了国内绝大多数两缸同步液压板料折弯机生产厂家。对于电液比例多缸（大于等于四缸）同步控制系统只有比利时LVD公司和德国BOSCH－REXROCH公司可以生产，LVD公司不提供商业化产品，BOSCH－REXROCH公司产品先后提供从HNC4系列控制器、MX4系列控制系统到MAC8系列控制系统，由于成本等方面的原因国内装备该系列控制系统的液压板料折弯机厂商未见报道。

3 基于T－CPU的多缸电液比例同步控制系统研究

3.1 西门子T－CPU控制平台

近年来西门子公司推出了T－CPU（Technological tasks with SIMATIC），给用户提供 S7－300 PLC逻辑控制的同时，提供了典型的多轴联动运动控制、压力控制和液压轴的控制功能，是一种实用性很强的电气液压多功能控制平台。

T－CPU设计理念是把PLC控制功能和运动控制功能，传动装置参数化功能融合在一起，组成一个自动化控制平台。T－CPU是双CPU系统，一个是传统的S7系列PLC的CPU，另一个是运动控制CPU，两CPU之间通过硬件连接，不需要用户编写程序。T－CPU还包含一个符合PLCopen国际标准的功能块库，用于对运动控制任务的编程，用户可以调用现成的运动控制功能块，该功能块在接口、功能和顺序方面方便工程组态、调试和服务。

T－CPU硬件包括DP/MPI和DP（DRIVE）两个接口，使用 HW Config创建所需驱动组件。通过DP（DRIVE）接口和IM174模块链接。每个IM174模块，可以输出4个独立的模拟量给定信号;编码器类型可以选择4个TTL增量型编码器，或者4个SSI绝对值编码器;20路I/O点，和T－CPU的同步通讯速率最大到12 MB/s。

3.2 基于T－CPU多缸电液比例同步控制系统方案

T－CPU控制多缸电液比例同步系统时，T－CPU是该系统的主控制器。就单个油缸控制而言，T－CPU可以通过模拟量输出来控制比例方向阀的开度和方向，从而控制液压缸的运动方向和速度大小;油缸速度和位置反馈传感器（光栅尺或磁栅尺）通过IM174接口模块输入脉冲信号反馈给T－CPU，油缸实际速度和位置反馈值通过PROFIBUS－DP（DRIVE）从IM174模块传送至T－CPU，由T－CPU控制器计算出的控制设定值传送至IM174模块，传送的控制设定值作为模拟量值从IM174模块输出至电液比例方向阀，电液比例方向阀控制液压油缸运行，组成一个单轴位置闭环电液比例控制系统。

在T－CPU软件系统中，“同步轴”概念的提出使多缸同步控制成为可能。“同步轴”是在同步控制多个轴时，其中以一个轴的控制数据或以这个轴的实际反馈传感器为主轴，提供控制基准，其他轴均为从轴，按比例系数或按预设的曲线进行同步跟踪，移植液压单轴运动控制功能，同步轴控制功能完成多缸间精确的同步速度及最终位置控制。在该系统中将Y1轴作为主轴，其他Y2、Y3、Y4三个轴为同步从轴是主轴的跟随轴，将同步控制的速度和位置赋值给主轴，各从轴同时获得速度和位置的所有赋值，在动态控制过程中从轴跟随主轴的主控值，主控值和从轴的位置之比按照一比一计算。图1给出了基于T－CPU的多缸电液比例同步电气控制系统结构图。

3.3 基于T－CPU的多缸电液比例同步控制系统软硬件配置

该系统硬件配置在S7－317－2DP系统基础上增加了S7T Config即CPU硬件配置，具体配置过程如下:①在SIMATIC管理器中创建新的项目并添加一个SIMATIC300站点，配置硬件组态;②在 S7T Config中配置液压轴，S7T Config的浏览器中，双击“插入轴”（Insert axis），在“常规”（General）选项卡中，选择“速度控制”（Speed control）和”定位”（Positioning）控制，然后打开轴向导，在轴类型话框中，选择“液压”（Hydraulic）轴类型，将阀类型定义为“Q阀”（Q valve）;③配置完液压轴的物理单位后，进入到输入输出的配置界面，并选择其输出方式模为拟量输出;④选择输出设备为模拟量输出模块，填入相应参数，如模拟量输出地址（Output）;⑤进入位置反馈参数分配界面，输入系数及偏置（Factor/Offset）;⑥分配完所有参数，单击“完成”（Finish）退出轴组态对话框。

该系统软件配置在STEP7系统基础上，增加了S7－Technology功能库，从库中可以方便选取多缸同步控制需要的功能块:①读取参数（MC_ReadSysParameter FB406）;②修改工艺对象的参数（MC_WriteParameter FB 407）;③使能/去能轴（MC_Power FB 401）;④以固定速度进给（MC_MoveVelocity FB 414）;⑤运行到目标位置/终点（MC_MoveToEndPos FB 415）;⑥启动齿轮同步（MC_GearIn FB 420）;⑦停止齿轮同步（MC_GearOut FB 421）;⑧主动轴和从动轴之间的相对移动（MC_Phasing FB 424）;⑨比例压力限制（MC_ForceLimiting FB470）;⑩比例压力控制（MC_ForceControl FB471）等。

4 基于T－CPU的多缸电液比例同步控制系统在液压板料折弯机中的应用

液压板料折弯机是一种由模具相对运动对板料折制成不同角度的板料加工通用设备。近年液压板料折弯机向大吨位（6 000 t）、多缸（四缸以上）、超长度（工作台长达13 m）方面发展。大型液压板料折弯机的关键技术之一是液压油缸多缸同步控制技术。

液压板料折弯机液压系统主要组成:①4组油缸（Y1～Y4液压轴）;②4组电液比例方向阀组;③4组油缸下腔安全阀组;④4组油泵电动机及电磁溢流阀组;⑤1组比例压力阀组;⑥4组油缸位置检测传感器。每组油缸液压控制系统原理完全一致，图2给出了液压板料折弯机多缸电液比例同步液压系统图。

液压板料折弯机4组油缸驱动滑块运动，滑块运动共分为5个冲程:①快速下行，滑块以85 mm/s速度快速下行;②慢速工进，滑块到快慢速切换位置后转入小于10 mm/s的慢速工进，在该冲程开始折制工件;③保压，工件折制到设定的位置后开始3～5 s的保压;④卸压，保压结束后液压系统卸压;⑤快速返程，卸压完成后滑块进入75 mm/s快速返回［3］。

将基于T－CPU的多缸电液比例同步控制系统作为通用控制器，应用到液压板料折弯机中，其控制性能、控制指标完全达到荷兰 DELEM公司和瑞士CBLCLE公司两缸同步控制水平，实现多缸速度控制、多缸精确的位置控制、多缸间精确的位置同步控制，在大吨位、多缸、超长工作台液压板料折弯机中性价比更高，优势更明显。

［1］杨宝光.锻压机械液压传动［M］.北京:机械工业出版社，1981.

［2］杨逢瑜.电液伺服与电液比例控制技术［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［3］雷天觉.液压工程手册［M］.北京:机械工业出版社，1990.