随着现代化工业的迅速发展，人们对锻造液压机的整体性能提出了越来越高的要求，因为这不仅可以提高生产率，还可以减小工件损耗，节约原材料 。锻造液压机具有高压、大流量、大运动惯量等特点，这些特点往往造成锻造液压机快速性和稳定性难以协调、卸压卸荷换向冲击大、控制精度低和故障率高 。针对这些负面影响，在22 MN快锻液压机液压及电器控制系统研发的过程中，结合当前先进的电液比例控制技术 ，在系统设计和控制方面做了进一步的研究工作，取得了较大突破，提高了锻压机的整体性能。
1 22 MN快锻液压机机组概述
22 MN快锻液压机组包括快锻液压机本体、锻造操作机、液压驱动系统及电器、计算机监控系统。如图1所示。22 MN快锻液压机结构形式为单缸、整体框架双柱下拉式结构，液压系统采用泵直接驱动的阀控系统，控制系统由基础自动化级(PLC)和过程自动化级(工业控制机)组成，二者之间的数据通信通过工业以太网实现，可以实现集中监控，分级管理。
2 22 MN快锻液压机电液伺服系统
2．1 电液比例系统原理
22 MN快锻液压机电液伺服系统完全利用先进的电液比例控制技术，在其主缸和回程缸进排液回路上均采用了大通径电液比例插装阀，如图2所示。22MN快锻液压机能够实现空程下降、压下和返程过程中的无级调速，使各个工作过程平稳过渡，冲击振动小，便于操作工掌握锻造速度，提高了工作效率和锻件质量。另外，电液比例元件的高速响应特性又为液压机快锻速度和精度的提高奠定了良好基础。
l一电机 2一泵 3-安全阀 4一单向插装阀 5-蓄能器 6一溢流阀 7-回程缸
8-主缸 9一电液比例插装阀
图2 快锻液压机简化原理图
2．2 22 MN液压系统工作特性
2．2．1 快速性实现
锻造液压机的快速性能可用每分钟工作循环次数来衡量，本系统要求的快锻次数高达每分钟85次，约706 ms一个工作周期。
制约快锻次数实现的主要有3个因素： (1)建压时间；(2)卸压时间；(3)返程加速度，这3点和系统所选元件的动态特性有密切关系。因此，在系统设计和泵站装配时要充分考虑高压泵、主控阀、管道、蓄能器等元件的特性及位置摆放，减小其液容效应，提高系统快速性。建压主要包括弹性体建压和系统建压两个方面，弹性体建压中影响最大的是工作缸及高压管道的初始容积，因此要减少增压所需时间，应尽可能减少工作缸及高压管道的初始容积。图3是流量为3 000 L／min，压力变化为30 MPa时，不同的体积所需要的建压时问。可知高压大流量系统体积对建压时间的影响很大。对于快速锻造油压机机组而言，每分钟要完成80～120次的锻击，即500～700 ms的时间内压机完成一次锻打，建压时间虽和阀的启闭时间有所重合，但一般不能超过快锻周期的30％ ，否则会大大影响锻造速度，因此尽量减少工作缸及高压管道的初始容积是提高快速锻造油压机组锻造次数的一个重要因素。系统建压主要和所使用元件本身的特性有关，该系统所选用的63通径比例插装用大通径电液比例插装阀，不仅响应快，而且流量大，能满足快锻时高频转换的特殊要求。
2．2．2 冲击振动小
图3 不同体积时建压时间比较
22 MN快锻液压机系统工作压力32 MPa，镦粗时要达到35 MPa，系统压下时速度为95 mm／s，最大流量为3 600 L／min。快锻液压机工作于高压大流量状态，流动的液体具有强大液压能，其中一部分能量用来使工件产生塑性变形，另一部分则使工作缸、管道及机架等产生弹性变形，同时由于液压油的液压弹簧效应也储存了大量能量，这部分势能的释放势必导致系统压力、动梁等具有振动特性，所以解决压机的振动冲击问题是高压大流量系统的重中之重。
液压机液压系统的冲击振动一般发生在主缸卸压时。22 MN快锻液压机卸压采用电液比例插装阀，卸压曲线通过PLC给定不同的输入信号可获得满意的卸载曲线。一般情况下，为了简化程序，比例阀的放大器上配有斜坡发生器，可直接触发斜坡发生器，通过更改其斜坡调整时间以优化卸压效果。斜坡输入卸压效果好坏与选择的比例插装阀类型有关，理想的卸压过程是先平缓卸压再大流量卸荷。Bosch Rexroth公司研制的电液比例插装阀根据其阀芯不同形式分为3种类型，如图4所示，可以看出，D型和S型比较适合用于卸压阀。而Parker公司生产的电液比例插装阀也注意到这一点，如图5所示，在输入信号小于20％的范围内，流量飞升速率小，变化平缓。和三级插装阀卸压相比，采用这种类型的比例插装阀，完全排除了人为调节的影响，使得调试过程从传统的人工定性调节转变为计算机定量控制，方便可靠，并且简化了液压系统。结合现场调试结果可知：电液比例阀的卸压效果明显优于三级卸荷阀，振动冲击和噪声都明显减小。
图4 Bosch Rexroth 2WRC(E)型比例插装阀
图5 ParkerTDL系列比例插装阀
22 MN快锻液压机在快锻时采用理想的正弦曲线输入，实现了锻造液压机的柔度控制，运行平稳，无冲击。
2．2．3 注重节能
(1)溢流损失小，系统发热少。随着工件变形抗力增加，系统压力逐渐升高而速度逐渐减小，当系统压力达到一定值时，系统所需流量很少，利用压力反馈减少泵投入台数使系统溢流达到最小。
(2)流量负载合理匹配。锻造工艺要求不同时，液压机的工作速度要求不同，如果系统流量和负载不匹配，会造成很大的功率损耗。该系统可在操作过程中，根据需要实时变换泵的投入台数。另一方面，由于压机动梁压下和返程两个阶段所需流量相差很大，也可通过选定使压下和返程投入泵的台数不一样，从而减小溢流损失，达到节能目的。
(3)能量储存。传统的快锻回路采用差动形式，系统快速压下时，回程缸背压腔压力不可调造成系统10％ ～20％功率损失。该系统在液压机泵口和回程缸回油路上设置蓄能器，压机下降时泵口蓄能器释放能量，回程缸口蓄能器回收能量，快速返程时两蓄能器工作状态相反，这样不仅节省能量，而且减少建压时间，使液压机的动作更加柔和。
(4)镦粗时采用恒功率控制。液压机镦粗时，利用Bosch Rexroth公司的A4VSO50OHS4的伺服控制新型变量泵，采用容积控制，利用恒功率输入，满足液压机镦粗时压力飞升快而工进速度慢的特点。
(5)辅助系统采用多种控制方式。辅助系统包括移动工作台、移砧工作台、顶出缸、旋转缸、定位缸等。移动工作台和移砧工作台需要压力高、流量大，而顶出缸、旋转缸和定位缸需要的压力低、流量小。利用力士乐A4VSO变量泵，通过设定不同的恒流输入曲线，减少节流损失同时满足系统速度需要。
2．2．4 控制精度高
22 MN锻压机快锻时要求控制精度为±1 mm。22 MN快锻液压机采用电液比例控制技术，给定为正弦输入。锻造液压机液压控制系统庞大，系统的固有频率不高，快速性和高精度控制难以协调。且快锻效果受外负载—— 锻件的物理特性影响很大。快锻次数低容易超程，快锻次数高，快锻行程不到位，说明该系统具有低通滤波特性。为补偿负载特性的影响，22MN快锻液压机在PID控制的基础上又采用了基于误差补偿的预测控制策略，借助时间序列分析，对模型输出误差进行向前多步预测，再用预报误差进行校正，实现对液压机液压控制系统未来输出误差的补偿，以提高位置控制精度。
3 电控系统
图6 22 MN电控系统组成
22 MN快锻液压机电控系统是压机各部位按工艺要求协调动作的组织者和指挥者。硬件主要包括软起控制柜、PLC控制柜、工业控制计算机、主辅操作台、触摸屏等，如图6所示。控制软件由上位机参数设置及工况监视软件、下位机控制软件、模拟显示监视软件及HMI组态软件组成。
上位机软件主要功能包括：各种状态及检测参数的实时显示与监控，各种故障信号的指示与报警，触摸式操作控制及界面切换，实时进行各种锻造参数的设定与修改，对锻造数据的编写、修改与管理等功能。上位机监控系统由登录画面、主画面、操作控制画面、网络组态画面、报警画面、参数设定画面、在线监控画面组成。如图7所示。上位机监控系统采用研华工业计算机系统作为硬件平台，西门子的组态软件系统WinCC作为监控系统的软件平台，利用软件自身的模块化功能以及与c语言和VB语言良好的数据接口性能，通过工业以态网(基于TCP—IP)，与西门子PLC进行通讯，完成数据的采集、处理、发送等工作，并在此基础上实现多种形式的数据显示、记录和设定。
图7 上位机监控系统组成
下位机控制软件的主要功能包括：能够满足调试、手动、半自动、自动与联动控制多种工作方式；能够实现不同工作方式之间的切换；能够实现设备各部分之间启动及联锁控制；实现与操作机实时信息交换等功能。另外，PLC控制系统完成整个控制网络的管理工作和控制系统各种信号输入、输出以及相关信号的联锁控制等，充分发挥了现代控制系统中的网络和通讯功能。软件采用结构式编程方法，实现分散管理与分散控制的思想，把主程序分成报警保护、启动准备、调试、手动、半自动、自动和联动几大块，每一块再根据工艺流程具体细分为小功能块进行编程，这样可以提高编程效率，程序可读性好，易于维护和修改。
4 结论
22 MN液压机液压控制系统采用了先进的电液比例和控制技术，提高了快锻液压机的整体性能和锻造水平。22 MN液压机实现了其位移的正弦输入控制，运行平稳无冲击。
参考文献：
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【2】陈柏金．锻造液压机组液压控制系统研究[D]．武汉：华中科技大学，2000：1—9．
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