张海山，李进，王卓，祝俊松，朱改新，李佳如
（1.上海兰石重工机械有限公司，上海 201108；
2.兰州兰石重工机械有限公司，甘肃 兰州 730714）
粉末成形压机是粉末冶金行业的重要设备之一，它通过加压、加热方法使粉末成形。为了使粉末均匀地分布在一个复杂的零件模具，并最终压制出精确复杂的零件，必然需要多个执行机构的协同工作[1]。
很长时间以来，粉末成形压机采用液压+机械的方式实现模架的控制。该方式往往导致液压系统庞大，机械结构复杂，成本高，维护困难，零件加工品种单一，在应对今天千变万化的市场需求时就显得力不从心。市场迫切需要具有更多柔性，更高精度的设备。而电液比例伺服系统通过电气软硬件平台来实现传统的由液压机械完成的控制，大大简化了传统粉末成形压机的液压和机械结构的复杂度，同时，电液比例伺服系统还可通过人机接口根据不同的产品需求灵活地配置不同的加工程序，使粉末成形压机从固定单一化产品生产转变为柔性化多样化产品生产。
电液比例伺服系统采用控制器+液压库作为主控单元，通过电气信号驱动电液比例阀，将小功率电信号转换为大功率的液压动力，从而实现类似电气伺服的单轴定位、多轴耦合等控制。
电液比例伺服系统由以下几个部分构成[2]，如图1 所示：①液压油箱；
②液压泵；
③电液比例方向阀+比例放大器；
④位移传感器（测量反馈系统）；
⑤控制器及与其配套的液压库。
图1 电液比例伺服系统构成
该系统中，控制器根据设定量和反馈量的偏差值，通过其液压库软件计算出输出值，以模拟量形式从端口输出，通过比例放大器来控制比例换向阀的开度和方向，从而控制液压缸的运动方向和速度；
测量反馈系统的信号通过接口模块将信号实时反馈给控制器，从而完成闭环控制。通过两个压力传感器，也可以实现压力、力的闭环控制。如果系统中有多个类似液压缸（同样适用于液压马达），可实现多轴同步等复杂控制。
2.1 西门子SIMOTION C
SIMOTION 是西门子的运动控制系统，目前SIMOTION 家族有三种硬件平台，即基于控制器的SIMOTION C、基于PC 的SIMOTION P 和基于驱动的SIMOTION D。每个硬件平台都有其自身的优点，分别在特定应用中使用。当只作液压轴驱动控制器时，推荐采用SIMOTION C。SIMOTION C 分为C240 和C240PN，采用与西门子S7-300 PLC 相同的模块化设计，使用灵活，可以扩展S7-300 PLC 的I/O 模块及功能模块。SIMOTION C240 本体具有4 个模拟量驱动/步进电机驱动接口，用于连接驱动器，可通过模拟量模块或总线（PROFIBUS 或PROFINET）扩展，最多可带32 轴[3]。
西门子SIMOTION C 编程环境采用SCOUT 软件，通过工艺对象（TO）方式配置液压轴，如图2 所示。
从图2 可以看出，SIMOITON 支持线性液压轴和旋转液压轴，并且可被指定为标准运动控制，或标准运动控制+压力控制，或标准运动控制+力控制等。所有参数配置通过对话框方式完成，交互性好。
图2 SCOUT 液压轴配置
SCOUT 软件的液压软件包提供了丰富的液压轴控制函数，如_enableAxis()使能轴、_pos()轴定位，_homing () 轴回原点等。除SCOUT 自带函数外，SCOUT 也支持PLCopen 指令用于液压轴控制。
SIMOTION C 也支持多液压轴耦合、多液压轴轨迹控制等，满足各种液压控制场合需求。并且SIMOTION 上市已久，有很多成功案例。只是开发系统和手册以英文为主，对开发设计人员英文有一定要求。
2.2 西门子S7-1500(T)及其LSimaHydTO 液压库
S7-1500（T）是西门子公司新一代控制器，集成了运动控制、工业信息安全和故障安全功能。采用界面友好的TIA 博途软件，其从推出之日起，就成为行业应用的热点。
当前的SIMATIC S7-1500（T）控制器固件版本不直接支持液压轴。无法如SCOUT 一样在轴类型配置界面直接选择液压轴，而是通过组态电气伺服轴配合“LSimaHydTO”库进行液压轴的闭环控制。S7-1500（T）工艺对象与LSimaHydTO 液压库的结构关系如图3 所示。
图3 S7-1500（T）工艺对象与LSimaHydTO 液压库的结构关系图
借助“LSimaHydTO”液压库中的模块化功能块，扩展SIMATIC S7-1500（T）的工艺对象，无论是阀控液压应用还是那些带有可变转速的泵驱动器都可以实现。SIMATIC S7-1500（T）的定位/同步轴工艺对象的运动控制功能可用于所含液压轴的运动控制。
在“LSimaHydTO”库中，SIMATIC S7-1500（T）中存在的液压轴由控制器中创建的工艺对象驱动，工艺对象与液压轴连接，实现液压轴驱动功能的实现。使用集成在控制器中的运动控制指令，可以如下方式控制并操作液压轴：将液压轴创建为定位轴或同步轴；
通过“MC_Power”运动控制功能使能液压轴；
全面支持基本的运动控制功能，例如“MC_Reset”和“MC_Home”；
通过“MC_MoveJog”运动控制指令以点动模式移动液压轴功能；
通过SIMATIC 控制器中包含的运动控制功能以实现闭环的位置控制；
如果液压创建为同步轴，可以使用控制器中的同步功能；
液压反馈控制包含液压轴的位置控制和压力/力控制，以及液压阀的阀特性曲线 用于在反馈控制中补偿液压阀的非线性[4]。
从上述功能描述可知，SIMATIC S7-1500（T）在电气伺服轴工艺对象基础上，通过扩展库的形式间接实现了液压轴的闭环控制，这种方式决定了，在应用过程中需要处理的接口和数据相对比较多，并且该库推出不久，应用的案例和文档不多，后续如果SIMATIC S7-1500（T）固件直接支持液压轴，会是非常好的选择。
2.3 倍福控制器及其液压库
德国倍福公司是PC 控制技术的领导者，目前拥有工业PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT 自动化软件平台（如图4 所示），构成了一套完整的、相互兼容的控制系统。
图4 TwinCAT3 软件平台
倍福控制器配合TwinCAT 软件平台的液压库可以组成电液比例伺服系统，在软件实现时，TwinCAT软件直接引入液压库TF5810，调用对应函数即可实现复杂液压轴控制。
TwinCAT 液压库主要特点[5]：TwinCAT 液压库（TF5810）提供阀和泵控制的轴或伺服泵所需的所有软件功能；
液压库使用标准化的PLCopen 接口；
液压轴的优化操作都可以通过适当的设定值发生器、自动特性曲线识别、分段运动和在力、压力和位置控制之间的自由编程切换实现；
能够实现具有匹配的CPU 性能的任意数量轴的高级运动控制；
当使用TwinCAT NC I 或TwinCAT CNC时，液压轴可以在插补模式下运行；
TwinCAT 液压库支持与倍福I/O 系统配套的所有通用接口。
倍福液压库是应用比较广泛的通用电液比例伺服控制系统之一，在金属加工、注塑等很多行业都有比较成功的应用案例，比如液压式数控弯箍机、注塑机等。Twincat 软件界面友好易学易用，但是在液压库应用方面，相对资料不多，且多为英文，开发人员需要一定时间积累和学习，才能真正发挥TwinCAT 平台的强大功能。
2.4 专用液压轴控制器
为了适应市场需求，许多液压件生产厂家推出专用于液压轴控制的控制器，比如穆格的MSCIII、博世力士乐的HMC 等。
出于多种因素综合考虑，笔者选择了在粉末成形压机行业应用较多的美国Delta 计算机公司的RMC 专用液压轴控制器。RMC 控制器有三个系列，分别是RMC70 单轴和双轴控制器，RMC150/151 2/4/6/8 轴控制器，RMC200 32 轴控制器。
RMC 控制器支持位置控制、压力、力的控制、多轴耦合控制等多种控制模式[6]。
RMC 控制器采用RMCTOOL 软件编程对控制器编程[7]，RMCTOOL 软件类似填表格式的编程语言，简单易用，如图5 所示，官网下载可直接应用。
图5 RMCTool 软件编程语言
RMC 控 制 器 支 持RS232、RS485、Ethernet/IP、profinet 等多种通信方式，可与主控PLC 直接通信。易于组成分工明确的控制系统，如图6 所示，是采用了专用控制器后的典型系统架构图，主控PLC 完成设备整体逻辑控制，以通信方式发送控制指令和定位参数给液压轴控制器，由液压轴控制器完成液压轴的复杂定位控制。
图6 典型系统架构图
采用这个结构的好处是，专用液压控制器一般功能单一，对开发设计人员学习比较快，并且控制器厂家可以提供有针对的培训和技术支持，帮助开发人员尽快上手；
另外，可实现分工协作编程，PLC 工程师和液压轴控制器编程工程师分别编程调试，各司其职，最大限度节约了调试时间。只是需要考虑的，专用液压轴控制器价格相对比较昂贵。
（1）西门子SIMOTION 和倍福液压库在液压轴控制应用方面相对资料不多，且大多是英文文档，技术人员熟悉和技术积累所需时间稍长，成本中等，但是利于构成单控制器的系统，不存在与第三方专用控制器通信等问题，利于现场维护人员的后期设备维护。
（2）西门子S7-1500（T）的LSimaHydTO 液压库推出不久，应用还不是很广泛，资料不多。在实际应用前，建议做一些验证性实验。但因其采用的TIA 博途中文编程环境，相对较易于被广大熟悉西门子PLC 的工程师接受。
（3）PLC 与专用液压轴控制器组成的电液比例伺服系统，一般成本较高，但是易于调试，易于分工协作，缩短了产品上市时间。
（4）需要注意的是，电液比例伺服系统与电气伺服系统（通常执行元件是伺服电机）不同。伺服电机根据给定改变运行速度，响应快，动态特性好，给定与输出之间呈线性关系；
而电液比例伺服系统因其液压油的物理特性决定了其响应速度和动态特性都较低，而且在电液比例伺服系统启动、停止及换向时都会出现大滞后，这就导致了给定信号与执行速度之间的非线性关系[2]。这种非线性的关系曲线通常需要技术人员手动标定或者通过控制器自带的自识别工具获得。