摘要：将YA32—315型四柱式液压机由继电器控制改为可编程控制器(PLc)控制，对原有下顶出缸的液压油路控制系统进行改进，通过高精度比例溢流阀和PLC的模拟输入输出模块对顶出缸的油压进行控制，并结合板材变压边力成形工艺，在单动液压机上实现变压边力控制。在板材成形过程中通过可编程控制终端对成形力、压边力及凸
模行程进行实时监视和控制。
关键词：PLC；变压边力
Abstract：YA32—315 as four—column type hydraulic press was changed from relay control to the programmable logic controller (PLC) contro1．Original control system of the hydraulic o订system of liftout cylinder was transformed．The oil pressure was controlled by the high accuracy proportional spillover valve and the analog I／O model of the PLC．With the deep drawing process of sheet metal the variable blank-holder force control was realized on the single-action hydraulic machine．The forming force，the blaek-holder force and the punch stroke were monitored and controlled in real time in the sheet metal forming process by the programmable Term inal(PT)．
Keywords：PLC；variable blank-holder force (VBHF)
一、引言
四柱通用液压机电气控制采用继电器接触器的硬件控制方式。随着科研生产对其要求日益提高，原有的电气控制系统已明显落后，不能实现快速准确控制设备满足实验、生产工艺要求，且现有系统的控制精度不高、控制模式单一，这种采用继电器的控制电路由于继电器和接触器数量多，造成设备的故障率高、维修困难，而且由于设备陈旧，部分电路老化严重，常出现按钮烧蚀、电磁阀烧毁等
故障。为了使液压机的运行更可靠、控制更方便，充分地发挥设备潜能，有必要对电气控制系统进行PLC改造 。
2、液压机改造方案
1.液压机的工作过程
YA32—315型四柱式通用液压机，其全部动作由上下两个液压缸来完成，工作原理见图1。这种液压机具有调整、手动和半自动3种操作方式，依靠活动横梁和顶出缸活塞的配合动作完成各种工艺。
2.液压系统改造
液压机除实现上述3种工作方式外，通过顶出缸液压油的溢流实现板材拉深时的板材压边力。为方便压边力控制，对原来的液压系统进行改造，尤其在板材冲压成形智能化控制中，通过控制电磁比例溢流阀实现板材变压边力成形，通过电磁比例溢流阀，使顶出缸在倒装拉深时能够提供压边力。在整个拉深成形过程中，顶出缸提供的压边力由PLC控制，既可提供恒定的压边力，也可提供随拉深行程变化的压边力。
3.PLC控制系统构成图
根据控制系统的改造要求，其PLC控制系统构成情况如图3所示。
3、PLC选型
PLC的选择一般从基本性能、特殊功能和通信联网3个方面考虑。选择的基本原理是在满足控制要求的前提下力争最好的性能价格比。
1.输出单元有继电器、晶体管和晶闸管3种类型。继电器输出单元价格最便宜，在输出响应不要求快、开关不要求频繁动作的场合，应优先选用。
2.考虑I/O点数。I／O点数是衡量PLC规模大小的重要指标。要尽量把需要的考虑进去，以免具体使用时发现点数没余量或不足，造成不必要的麻烦。3150 kN液压机系统改造需要的输出／输入设备及I／O点数见表1，留出15%余量，以满足今后生产的发展或工艺的改进。所需输入点数20个，输出点数12个。
3.用户存储容量。PLC一般根据I/O点数的不同，内存容量会有相应的差别。在选择内存容量时同样应留有一定的余量，一般是实际运行程序的25%。大多数情况下，满足I／O点数的PLC，内存容量也能满足。此外，提高编程技巧，合理使用基本功能、控制、比较指令以及某些高级指令，可以大大缩短程序，节省内存空间。
4.专用功能单元的配置。除了开关信号之外，还需要采集压力和位移信号，输出控制电磁比例溢流阀，如表2所示，要求最少三路A／D转换，一路D／A转换。
5.扩展功能。为了设置和监视压边力，需要安装可编程控制终端，这就要求PLC有RS232接口，并支持可编程控制终端。
综合以上5个方面，系统改造使用的是0M—RON 高扩展性的小型一体化可编程控制器(PLC)——SYSMAC CP1H—XA40DR-A (继电器输出和模拟量内置型)，此款PLC是OMRON公司2005年推出的全新的具有高度扩展性的小型一体化可编程控制器，专门针对中国市场设计，集CS／CJ各种功能为一体，通过内置的多种功能充实、强化了应用能力，缩短了追加复杂程序的设计时间，并且具备了很多中型机的功能，如脉冲输出和模拟量输出等。
四、系统设计原理
1. 开关量控制
按钮和触摸屏均为输入设备，用按钮控制液压机是基本控制方式，这里不再阐述。触摸屏作为智能的多媒体输入输出设备，通过编程不仅将各个功能按钮放在了屏幕上，而且增加了各种状态指示灯。
2.模拟量控制
2-1 PLC模拟量控制过程
PLC要处理模拟量，需把模拟量转变成数字量。整个控制过程如下：传感器采集信息，并把其变换成标准电信号，进而送到模拟量输入模块；模拟量输入模块把标准电信号转换成PLC可处理的数字信息；PLC按要求数字信息进行处理，产生相应的控制信息送给模拟量输出模块；模拟量输出模块得到控制信息后，由控制器执行控制运算，再将控制信号以标准信号的形式传给执行器，经放大和变换后施加到受控对象上，实现控制。
2-2 PLC闭环控制系统
压力传感器不断地检测被控对象的调节量，由系统将其与设定值进行比较，产生控制量由执行器作用到被控对象上，这样做的目的是尽快地缩小这个差值，使反馈量等于或跟随设定值。设定值可以是常数或是变值。对于本台设备，压力传感器用来采集顶出缸产生的压边力，经运算后，输出给比例溢流阀，通过调节阀的开口改变压边力，使实际压边力跟随设定值。
5、数据采集验证系统
由于PLC不能直接提供报表打印、趋势图形显示等功能，实验用数据采集验证系统完成实际压边力采集，以验证实际压边力的变化是否按设定的压力曲线进行。此系统由传感器、应变仪、A／D卡、计算机测试系统组成。系统的工作原理如图4所示，压力传感器、位移传感器将测试值转换成电压信号，再经A／D卡将模拟量转换成计算机能处理的数字量，采集记录和显示程序将以数据文件的形式自动
保存，并随实验过程在显示器上实时显示P(h)变化曲线。
1.定边压力控制实验
通过验证采集系统的阶越响应曲线，测试不同压边力下系统的响应时间及误差结果见表3
2.变边压力闭环控制实验
通过测试系统的阶跃响应曲线对PID的参数进行整定，经过反复调试，确定最佳PI参数组合， 比例系数P=70 ，积分时间Ti一0．01 S，采样周期T一0．01 S。
根据压边力在冲压工艺中的应用情况，归纳出了5种变压边力曲线，即：三角形变压边力曲线、梯形变压边力曲线、逐渐上升变压边力曲线、类似正弦形变压边力曲线和类似余弦形变压边力曲线。由于篇幅有限，下面仅对逐渐上升变压边力曲线、类似正弦形变压边力曲线和类似余弦形变压边力曲线进行讨论。
(1)对逐渐上升变压边力控制曲线的实测值与设定值进行比较，如图5所示，最大误差值为10 kN。
(2)对类正弦变压边力控制曲线的实测值与设定值进行比较，如图6所示，最大误差值为12 KN。
(3)对类余弦变压边力控制曲线的实测值与设定值进行比较，如图7所示，最大误差值为32 KN。
从变压边力控制实际曲线与设定曲线比较结果看出：1 实测变压边力曲线在初始阶段有过冲现象出现，这是二阶系统典型现象，在工艺上可采用拉深启动延时的方法，即在过冲之后再开始拉深；2 实测变压边力曲线与设定曲线存在较小跟踪误差，类余弦压边力控制时误差最大，最大误差为32 KN。其他控制曲线的最大误差为11 KN左右。
6、总结
通过对液压机的电气控制系统和液压系统进行改造，实现了由PLC控制电磁铁的通断，来完成液压机的基本动作，对溢流阀系统改造，通过触摸屏对压边力的大小及压边力变化曲线进行设置，对液压机工作过程中的压边力变化进行监控。在压边力控制中，既可实现不同的恒定压边力，也可实现随位移变化的变压边力。通过对系统阶跃响应的分析，基本满足了系统稳、准、快的控制要求。通过变压
边力控制的实测曲线与设定曲线的比较，PLC控制电磁比例溢流阀实现变压边力的效果良好。液压机液压系统及PLC改造成本约一万元人民币， 比起购置新设备可大大节省资金，充分利用现有资源，减少投资。
参考文献：
[1] 周万珍，高鸿斌．PLC分析与设计应用[M]．北京：电子工
业出版社，2004．
[2] 陈在平．可编程序控制器(PLC)系统设计[M]．北京：电
子工业出版社，2007．
[3] 赵军，李硕本，吕炎．板材冲压成形的智能化控制技术
[J]．塑性工程学报，1999，6(4)：10—21．
[4] 赵军，马瑞，官英平，等．圆锥形件拉深成形智能化控制中
压边力的控制规律[J]．材料科学与工艺，2004，12(4)：
439—441．
[5] 戴一平．可编程序控制器逻辑控制案例[M]．北京：高等教
育出版社，2007．
[6] 宋伯声．PLC编程实用指南[M]．北京：机械工业出版社，
2006．
[7] 曹辉，霍罡．可编程序控制器过程控制技术[M]．北京：机
械工业出版社，2005．下载本文
