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硕士论文 液压机控制系统研究与开发 摘要 液压机是制品成形生产中应用最广泛的装备之一，根据市场的需求，液压机逐步向 智能化、网络化方向发展。目前关于液压机智能化、网络化控制系统的研究都在积极的 展开，并获得了成功的应用，同时也暴露出一些问题：一是系统的智能化程度较低，不 具备故障诊断、维护功能：二是系统不具备网络联机功能，大部分仍属于单机控制系统。 本文以1 6 0 0 0 k n 拉伸液压机为研究对象，设计并开发了集智能化和网络化为一体的液 压机控制系统。主要的研究内容如下： ( 1 ) 根据液压机控制系统的需求，提出液压机控制系统总体设计方案，探讨控制系 统的结构组成、网络体系，分析了智能控制系统与远程网络化控制系统两个子系统的工 作原理及功能。 ( 2 ) 通过对液压机控制系统关键技术研究，结合液压机智能控制系统的功能需求， 选择欧姆龙c j l h 系列可编程控制器( p l c ) 作为底层控制单元，选择研华公司t p c 1 2 6 0 t 型工控机作为上位机单元，构建基于p l c 和上位机两级控制的总体结构，完成控制系 统的硬件结构设计。结合液压机智能化监控系统需求，从压边力、冲制速度、滑块位置 等工艺参数的数字化控制以及液压机状态监控、故障诊断、系统维护方面进行研究，完 成液压机控制系统的软件开发。 ( 3 ) 通过对液压机的运行中可能出现的各种故障进行分析，利用故障树模型( f t a ) 的知识组织方法存储知识，采用基于规则的诊断推理实现故障诊断推理，完成了液压机 智能故障诊断专家系统的开发。 ( 4 ) 通过对液压机网络化控制系统研究，结合i n t e m e t i n t r a n e t 技术、信息技术、人 工智能技术、自动化技术，开发了一套具有远程监测、智能故障诊断、在线交互式诊断、 设备维护与管理等功能的远程服务系统，实现了液压机的网络化控制。经过多次测试， 测试结果达到了预期设计目标。 关键词：液压机，控制系统，智能故障诊断 a b 蜘 硕士论文 a b s t r a c t h y d r a u l i cp r e s si so n eo ft h em o s tu n i v e r s a le q u i p m e n t si nt h ep r o d u c t i o no fm o l d i n g t os a t i s f yt h em a r k e td e m a n d s ，h y d r a u l i cp r e s sg r a d u a l l ym o v e st o w a r d si n t e l l e c t u a l i z a t i o n a n dn e t w o r k i n g a tp r e s e n t ，s t u d i e so nt h ei n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mo f h y d r a u l i cp r e s sh a v eb e e na c t i v e l yd o n ea n da l r e a d yh a v es o m es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n s h o w e v e r ，w i t hr e f e r e n c et op r e v i o u sw o r k ，s o m ep r o b l e m sa r ee x p o s e d o n e i st h e i n t e l l e c t u a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e mi sa tl o wl e v e ll a c k i n gf u n c t i o n so ff a u l td i a g n o s i so r m a i n t e n a n c e ，t h eo t h e ri ss y s t e mh a v en on e t w o r k i n gc a p a b i l i t i e s ，m o s to ft h e ma r es t i l l a t s t a n d a l o n es t a t e i nt h i sp a p e r , 16 0 0 0 k nh y d r a u l i cd e 印d r a w i n gp r e s sw a sc o n s i d e r e d 嬲a r e s e a r c hs u b j e c t ，ac o n t r o ls y s t e mi n t e g r a t e dw i t hi n t e l l e c t u a l i z a t i o na n dn e t w o r k i n gw a s d e s i g n e da n de x p l o i t e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h eg e n e r a ld e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m w a sp r o p o s e da n di t sc o m p o s i t i o ns t r u c t u r ea n dn e t w o r k e da r c h i t e c t u r ew e r ed i s c u s s e d t h e t w os u b s y s t e m s , t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e ma n dt h er e m o t en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，w e r e a n a l y z e di nd e t a i lw i t ht h e i rw o r k i n gp r i n c i p l ea n df u n c t i o n s ( 2 ) t h r o u g hr e s e a r c h e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h eh a r d w a r e s t r u c t u r eo ft w o s t a g ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e dt om e e ti t sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sb y u s i n gt h eo m r o nc j 1hs e r i e sp l ca n dt p c 一12 6 0 ti n d u s t r i a lc o m p u t e ra st h es u b s t r a t e c o n t r o lu n i ta n dh o s tc o m p u t e ru n i t ，r e s p e c t i v e l y c o m b i n i n gw i t ht h er e q u i r e m e n to f i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g ，t h eh y d r a u l i cp r e s sc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ew a sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n g c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，m a i n t e n a n c ea n dd i g i t a lc o n t r o lo fp r o c e s sp a r a m e t e r s s u c ha l sb l a n kh o l d e rf o r c e ，p u n c h i n gs p e e d ，s l i d e rp o s i t i o n ( 3 ) b ya n a l y z i n gp o s s i b l ef a u l t si nt h er u n n i n go fh y d r a u l i cp r e s s ，a ni n t e l l i g e n tf a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e mw a sd e s i g n e d ，b a s e do nf a u l tt r e e ( f 1 a ) a n d r u l er e a s o n i n g ( 4 ) b yr e s e a r c h e so nt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i cp r e s s ，t h er e m o t ef a u l t d i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c es y s t e mo fh y d r a u l i cp r e s sw a sd e v e l o p e d ，w i t hf u n c t i o n so fr e m o t e m o n i t o r i n g ，i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i s ，i n t e r a c t i v eo n l i n ed i a g n o s i s ，e q u i p m e n tm a i n t e n a n c e ， e t c an e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i cp r e s sw a sr e a l i z e du s i n gi n t e m e t i n t r a n e t t e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y t h e w h o l es y s t e mh a db e e nt e s t e df o rm a n yt i m e sa n dt h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ee x p e c t e ds y s t e m d e s i g ng o a l sw e r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ，c o n t r o ls y s t e m ，i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 岬年石月“日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 岬年6 月确 硕士论文 液压机控制系统研究与开发 1 绪论 1 1 论文研究背景和意义 在我国，液压成形技术己经在航空航天、电器仪表、汽车工业等领域得到迅速发展。 液压成形件具有重量轻、机械性能好、形状和尺寸精度高、加工工序少、成本低等优点 【l 】。随着液压产品零件形状越来越复杂，对制造工艺技术要求越来越高，特别是各种尺 寸的复杂成形件，液压机自身的技术水平直接影响到加工产品的质量和性能。为了满足 产品生产需要，很多研究工作者都将目光汇聚到了液压机的控制系统研究与开发上。目 前老式的采用继电器控制的液压机已逐步退出市场，液压机已大部分采用微机控制或 p l c 控制，p l c 采取了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰的措施，通过直观性很好的梯形图方 式进行软件编程来实现控制，控制灵活，功能强，可靠性高，适合车间恶劣的使用环境 【2 】。但这种控制方式p l c 只作为简单的顺序控制器使用，主要对电气、往返动作及滑块 位置、油路、气路进行了控制，无法对压力和速度进行很好的控制，对不同工件的冲裁 适应性差，不具备故障诊断和运行监测的功能，因此仍属于较低级的控制系统。国内外 已经开始研究通过网络对液压机进行远程监控、调整、维修，实现从设计、生产、销售、 使用到售后服务的全网络化管理的企业模式。 本文液压机控制系统研究与开发正是在此背景下提出的。课题来源于扬州捷迈 锻压机械有限公司的江苏省科技攻关项目数控高性能拉伸液压机开发及产业化。针 对市场的需求和液压机发展趋势，本文旨在研究与开发数控高性能单动、双动拉伸液压 机智能化、网络化控制系统，利用p l c 及自动化技术结合液压成形工艺，实现液压机 数字化、智能化控制；根据远程诊断技术的发展趋势，利用i n t e m e t i n t r a n e t 网络技术， 建立起液压机远程诊断网络化控制系统体系结构；利用故障诊断技术，建立起液压机远 程诊断决策系统；利用专家知识和故障信息，建立起液压机远程诊断知识库和数据库； 利用网络和多媒体技术实现在线的文字、图像、视频等交互式故障诊断和维护。本文的 研究预期能提高制件的产品质量和生产自动化水平，改善液压机的工艺性能，提升企业 创新能力，促进企业规模化、高技术化发展，提高其综合竞争力，从而角逐全球市场。 1 2 国内外液压机发展概况 十七世纪中叶，法国科学家帕斯卡( p a s c a l ) 发现了利用液体产生很大能量的可能 性，提出了著名的静压传递原理。1 7 9 5 年英国发明家b r a m a h 带1 造出第一台水压机，1 8 6 2 年g i e d h i i i 制造出第一批用于钢材锻造的7 0 0 0 k n 、1 0 0 0 0 k n 和1 2 0 0 0 k n 的液压机，结束 了手工锻造的传统方法，开始了机器锻造的时代。1 8 8 4 年在英国曼彻斯特制造了第一台 l 绪论硕士论文 蒸汽锻造水压机，它与传统的锻锤相比具有很多的优点，因此发展很快。接着英国 d a v y l o e w y 公司制造了一台4 0 的水压机。1 8 9 3 年美国伯利恒钢铁公司建造了当时最 大的一台1 2 6 m n 水压机。随后由于战争军备扩张的需要，液压机有了迅速的发展。1 9 3 4 年，德国制造了7 0 0 0 0 k n 水压机：1 9 3 8 1 9 4 4 年间，德国相继建造了三台1 5 0 m n 的水压 机和一台3 0 0 m n 的大型水压机。二战之后，由于宇航工业的需要，美国在1 9 5 5 年左右， 先后制造了两台3 1 5 m n 及两台4 5 0 m n 的大型水压机。此外，在英国、法国、德国先后建 造t 2 0 0 3 0 0 m n 的各种大型液压机u j 。 国外生产液压机的厂家主要有丹麦的s t e n h q j 公司、美国的m u l t i p r e s s 公司、 加拿大的b r o w nb o g g s 公司等。它们普遍采用微电子技术和比例伺服系统控制 4 1 ， 如b r o w nb o g g s 公司的产品，采用计算机控制，可通过数字面板显示输入压力、快 进和回程速度、压制速度及保压停机时间参数，极大减轻了劳动强度1 5 j 。d a k e 公司、 迪斯公司、f e r r a r a 公司也都推出了低噪声、高速度系列的液压机。在系统安全方面， 国外厂家采用电子互锁门( 如f r e n c hp r e s s 公司) 来加强其操作时的安全性。在系统维 护方面，国外厂家的高性能液压机普遍采用微处理器控制，并利用软件进行故障的监测 和维护，如b r o w nb o g g s 产品可实现负载监测、自动模具保护以及故障诊断等功能 6 1 。典型的还有德国s m s h a s e n c l e v e r 公司研制的5 1 0 0 t 压力机，它是一台全自动 控制的大型液压机，其主机及上下模全部采用s i e m e n s s i m a t i c s 7 自动控制系统【7 j ， 其液压控制系统精确可靠，平衡部分用机械液压双重保障，制件精度高、操作控制简便、 安全稳定性高，并且其跨度为国内外同类设备之最，模具采用组合式拼装结构，可冲压 厚度达1 0 m m 、长度达1 2 m 的钢板料，采用先进的快换式冲头，压型质量稳定。 我国液压机的发展解放后从零开始，最早的一台2 0 m n 液压机于1 9 5 3 年在沈阳重型 机器厂投产【引。1 9 5 7 年沈阳重型机器厂设计了我国第一台2 5 m n 水泵蓄势器传动式锻造 液压机，以后又设计制造了1 0 m n 锻造液压机。西安重型机器研究所于1 9 5 8 年设计制造 了1 2 5 m n 锻造液压机，太原重型机器厂设计并制造了同一吨位两种型号的锻造液压机， 并于1 9 5 9 年设计了3 1 5 m n 锻造液压机。1 9 5 8 年国家决定自行设计制造万吨锻造液压机， 并先后于1 9 6 2 年和1 9 6 4 年在上海江南造船厂和沈阳重型机器厂制成。与此同时沈阳重型 机器厂于1 9 6 1 年设计制造了一台3 2 m n 锻造液压机，太原重型机器厂发展了1 6 m n 锻造液 压机新品种，1 9 6 4 年沈阳重型机器厂设计制造了6 0 m n 锻造液压机。7 0 年代以来，全国 很多省市建立了自己的工业体系，中小型液压机发展很快，液压机的性能参数、结构形 式、操作控制、动力装置和控制技术水平都有了很大进展。 我国制造液压机的厂家众多，在设计技术、制造水平、产品质量、生产规模、加工 能力等方面均处于国内同行业领先地位的有合肥锻压机床股份有限公司、天津市锻压机 床总厂、徐州压力机械股份有限公司等等。典型的产品如下： ( 1 ) 徐州压力机械股份有限公司设计研发的y x 2 8 6 3 0 1 0 3 0 c 双动薄板拉伸数控液 2 硕士论文液压机控制系统研究与开发 压机1 9 j ，公称最大达1 0 3 0 0 k n ，框架式结构，四角八面导轨，工作台采用可移动的顶杆 托板结构，采用p l c 和工业计算机控制，液压系统采用磁栅尺等光电传感控制技术和 闭环比例伺服控制技术，实现了液压机压力、速度、位移可数显数控。 ( 2 ) 合肥锻压机床有限公司研制的r z u 快速薄板拉伸液压机【l0 1 ，公称力从 1 6 0 0 k n 3 0 0 0 0 k n ，框架式结构，四角八面导轨，全吨位低噪声冲裁，无触点开关，采 用p l c 控制，液压系统设有油缸下腔支承回路，油缸上下腔互锁回路等安全装置。 ( 3 ) 合肥锻压机床有限公司还自主研制开发了多工位快锻液压机1 1 1 1 ，控制系统采用 s 5 1 1 5 型p l c 及触摸式彩色电脑显示屏实现数字化控制，利用进口的德国巴鲁夫行程 限位，具有对压机故障跟踪显示、报警、诊断以及工件计数显示、油温报警显示、模具 保护等功能，智能化程度达到国内先进水平。 ( 4 ) 佛山市康恩达液压机械有限公司研制的y z 2 8 g 2 0 0 a 型智能高速液压机2 1 ，该 机采用工控机控制方式，实现由压力传感器、位移传感器、电液比例阀等组成的高精度 压力、速度闭环控制；在深入研究金属制品拉伸变形工艺的基础上，提出了极限拉伸工 艺原理，并研制出基于该原理的具有智能实时变速、变压边力的液压拉伸机。 ( 5 ) 重庆江东机械有限责任公司自主研发、成功生产调试西部最大的液压机【1 3 1 ，该 液压机整机重量3 1 0 吨，公称力达到5 0 0 0 0 k n ，设备工作台长达1 2 米，能压制6 1 2 米 的坯件，其工作台和活动梁采用整体结构，单件重最高可达6 5 吨，导向采用多柱结构， 在控制上配备高精度压力传感器和位移传感器，可通过触摸屏控制设备的各种参数，真 正实现了人机对话，该设备的生产调试成功填补了我国西部不能自主研制大型压机的空 白，也是我国在该领域最先进的设备之一。 在国内外液压机产品中，按照控制系统主控元件的不同，可以将液压机分为三种类 型：一是以继电器为主控元件的传统型液压机；二是采用可编程控制器( p l c ) 控制的 液压机；第三种是采用高级微处理器( 或工业控制计算机) 控制的高性能液压机【1 4 1 。 继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构简单，技术要求不高， 成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。其适用于单机工作、加工产品精度要求不 高的大批量生产，也可组成简单的生产线，但由于电路的限制，稳定性、柔性差。现在， 这种控制方式已经逐步退出市场，国内外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力， 而主要面向以下两种技术含量高的机型组织生产。 可编程控制器( p l c ) 是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的，并 逐渐发展成以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型 工业自动控制装置。目前已被广泛的应用于各种生产机械以及自动化生产过程中。随着 技术的不断发展，可编程序控制器的功能更加丰富。早期的可编程序控制器在功能上只 能进行简单的逻辑控制，后来一些厂家开始采用微电子处理器作为可编程序控制器的中 央处理单元( c p u ) ，从而扩大了控制器的功能，使其不仅可以进行逻辑控制，而且还 l 绪论 硕士论文 可以对模拟量进行控制。因此，可编程控制器控制方式是介于继电器方式和工业控制计 算机控制方式之间的一种控制方式。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但在功能 方面与工业控制机相比有一定差异。现在，国内大部分厂家都采用可编程控制器控制方 式，通过采用p l c 控制，使系统的控制性能和可靠性大大提高。国外厂家如丹麦的 s t e n h q j 公司采用了s i e m e n s 的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。 工业控制计算机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高技 术含量的控制方式。这种控制方式以工业控制计算机或单片单板机作为主控单元，通过 外围接口器件( 女u a d ，d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同时利 用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的。它具有以下特点： ( 1 ) 友好的人机交互界面，可通过数字面板显示输入压力、快进和回程速度、压制 速度及保压停机时间参数，操作简单。 ( 2 ) 控制精度高，控制行程的精度可达到o 0 5 r a m 。 ( 3 ) 预存工作模式，可对不同工件的工艺过程、工艺参数预先存储和重复调用，缩 短调整时间。 ( 4 ) 可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错误。 ( 5 ) 易实现生产线的集成控制，组成柔性生产线及与上位机进行通讯和实现调度控 制。 采用工业控制计算机控制方式，使整机的控制性能、生产效率都有很大提高。国外 众多液压机生产厂家生产这种高性能的液压机产品。而与国外发展情况相比，国内极少 有采用工业控制计算机控制方式的产品，成熟的产品是采用可编程控制器( p l c ) 的控 制方式，且大部分仍属于单机控制方式，不具备网络联机功能。 随着全球化计算机网络的发展，以及自动化技术、i n t e m e t i n t r a n e t 技术、多媒体技 术、无线接入技术的成熟，针对液压机网络化控制系统的研究也逐渐成为研究的热点。 目前已经出现了针对单机连线自动化冲压生产线的触摸屏监控系统【l 习；国产第一条具有 先进水平的大型自动化冲压生产线于1 9 9 5 年在重庆长安汽车公司投入使用，该线由济 南第二机床厂与美国i s i 机器人公司合作设计制造，在原有手动操作压力机生产线基础 上改造而成【1 6 】；2 0 0 5 年初，济南二机床厂为世界最大的汽车零部件供应商美国d a n a 公司提供的重型多工位液压机，该机具有远程诊断、远程控制和网络通信等多种自动化 功能；上海大众汽车公司和德国s h u e l e r 公司合作开发了冲压流水线的远程维修服务系 统；大钣金弹性冲压生产线维修服务系统，该系统通过远程的实时声像网络通讯，维修 服务人员在本部可既直观又及时地为用户提供优质的维修服务指导。最近，合肥锻压机 床有限公司研发生产的汽车大型覆盖件液压机柔性冲压生产线【ln ，该生产线成功应用了 电液一体化液压系统、压力闭环控制系统、液压垫四角调压系统、模具参数自动存取、 快速换模系统、全吨位冲裁缓冲、自动生产线集成等先进技术，并实现了产业化，该项 4 硕士论文液压机控制系统研究与开发 目产品已在比亚迪、上汽依维柯红岩、东风、吉利、三菱猎豹等1 0 余家公司使用，性 能稳定可靠。 1 3 国内外液压机控制系统现状 液压机是制品成形生产中应用最广泛的装备之一。随着制造业的发展，大型精密拉 伸件制品的需求快速增长，不仅要求其制造装备的数量大幅增长，而且对其精度、生产 效率、自动化程度提出了更高的要求。在压力成形加工中，控制系统的性能至关重要， 在一定程度上决定了液压机的生产性能。国内外的企业和研究机构都在积极开展液压机 机数字化、智能化、网络化的研究，世界知名的控制系统研发机构已有成熟的产品推向 市场。 华中理工大学以锻压机床为对象，提出了以i s a 总线工控机为平台的分布式三级控 制和基于个人计算机的虚拟分布式控制两种模式控制系统【18 1 。前者的控制方式如图1 3 1 所示，p l c 和由智能控制模板组成的闭环控制系统为第一级控制系统，完成开关信号的 处理和控制；i s a 总线工控机、基本系统及功能接口模板和交流伺服单元( 或比例阀放 大驱动单元) 组成第二级控制系统，主要任务是通过人机对话获取用户的操作命令和数 据，进行相应的工艺分析，完成与p l c 和各智能板的通讯协调各执行元件的动作，自 动进行安全检查，若出现错误将自动报警；第三级微型计算机将机床接入工厂级管理网 络中，进行在线监测、离线编程和工艺模拟。基于个人计算机的虚拟分布式控制模式的 设计理念是：使用一台通用个人计算机( p c ) 作为控制计算机，采用虚拟化设计，用软 件的方法实现分布式数控系统的p l c 控制、模拟量i o 、人机交互等功能。 图1 3 1 锻压机分布式三级控制系统结构 l 绪论硕士论文 华中科技大学熊小红【1 9 】【2 0 】等在8 m n 快锻液压机组控制系统多年研究的基础上，近 年来，提出了基于m o d b u sp l u s 现场总线的快锻液压机组控制系统体系结构，整个控制 网络结构如图1 3 2 所示。m o d b u s 控制总线是一种工业通信和分布式控制系统协议，由 美国可编程控制器制造商莫迪康生产，m o d b u sp l u s ( m b + ) 现场总线可以实现p c 机与 p l c 及其现场设备的互连【2 1 1 。将控制系统按功能分散，由p l c 系统、控制计算机和监 控计算机联网组成现场控制网络，实现集中监控、分散管理、分散控制【2 1 1 。控制计算机 通过通信口与p l c 系统交换信息；监测计算机通过r s 2 3 2 与控制计算机通信；网络i o 口通过m o d b u sp l u s ( m b + ) 控制总线与p l c 主机联网【z 引。 工业控制计算机 图1 3 2 现场总线控制系统网络结构示意图 针对国内液压机数控化、智能化程度低的现状以及对具有人机交互、可调整性、控 制精度高的液压设备的迫切需求，华南理工大学研制了基于w i n d o w s c e n e t 的嵌入式 液压机控制系统【2 3 1 ，采用p c 1 0 4 嵌入式主板的液压机控制系统硬件结构如图1 3 3 所示。 p c 1 0 4 总线与a d 转换器、d a 转换器、i o 接口、c f 卡和计数器进行通信。a d 转 换器实时采集液压机压边缸和主缸的压力，同时通过d a 转换器对压边缸和主缸的压力 进行闭环控制；计数器对光栅尺输出脉冲进行计数以实现对主缸位移的监测，通过i o 接口对电磁阀的状态进行监测和控制。该液压机具有任务调度以及拉伸过程多模态控 制、拉伸工艺数据管理、故障报警以及安全管理等功能。 6 硕士论文 液压机控制系统研究与开发 图1 3 3 基于w i n d o w s c e n e t 的嵌入式液压机控制系统结构 德国m u l l e rw e i n g a r t e n 公司与德m b e c k h o 凇司合作1 2 4 1 ，在其生产的m u l t i c u r v e 系列 压力机设备中，使用b e c k h o f f 公司的c 6 1 4 0 工业p c 作为控制装置，系统配备奔腾8 5 0 微处理器，通过c p l i n k 协议可直接连接至l j b e c k h o 胀制面板，系统结构如图1 3 4 所示。 强大的自动化控制软件t w i n c a t 支持所有的现场总线通信系统，并基于w i n d o w s 2 0 0 0 操 作平台，可方便地安装打印机、网络连接及电话通信服务。为了实现冲压机床控制系统 的远程故障诊断、维护，m u l l e rw e i n g a r t e n 公司采用j p c a n y w h e r e 软件【2 5 】，只要用户 有一条连接到机床的电话线或将机床的控制系统与企业网络连接，服务人员就可以在任 何一个维修服务终端对用户设备出现的情况进行远程故障诊断。 图1 3 4b e c k h o f f 公司压力机控制系统 上海大众汽车公司和德国s h u e l e r 公司合作【2 6 】，针对冲压流水线基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的数字化、网络化控制系统结构如图1 3 5 所示。图中，清洗机、压机1 至压机6 均为 流水线上的设备，分别用s 5 1 1 5 u 和s 5 1 3 5 u 可编程控制器控制，它通过专用通讯卡 c p l 4 3 0 及c o m l 4 3 0 软件挂上工业以太网( s i n e ch 1 ) ；p g 是p l c 编程器，它通过专 7 l 绪论硕士论文 用通讯卡c p l 4 1 3 及相关软件挂上s i n e ch 1 网实现对网上p l c 设备的就地故障诊断和 过程数据信息的查询；工业p c 指工业微机，它也由专用通讯卡c p l 4 1 3 及相关软件挂 上s i n e ch 1 网，它的功能是将网上运行设备的状态信息和故障信息及维修需要的数据 信息实时汇总，以约定的格式传输给企业局域网，由它通过i s d n 发送给异地远程维修 服务方，在此同时，也可借助现场多媒体声像通讯p c ，通过企业局域网及i s d n 将现 场声像信息实时传送到异地远程维修服务方。 工业以太网 p l ci p l c u y 夕 s 5 1 ：。5 u s 5 - 1 3 5 u s 5 - 1 3 5 u 口jo hno 口 d 3 晶 寸n 卜 门3 卜h 寸3 皿 3 至莹 u 皿 e g u e g j il no n寸 o hn 一 _ l 。 ， 吐 ) _ 0 ， ) u n 一 寸 8 n 寸 i 3a 门 ) q 1 1 工 ooo 衅qp| 1 o p 单元 o p 单元 o o 伺服单元 伺服单元 害掏 置；刁t ， 1垂荨恚二二二二警华警备 图i 3 5 冲压流水线数字化、网络化控制系统组成结构 典型的液压机数字化、网络化控制系统还有大钣金弹性冲压生产线维修服务系统 【2 7 】，系统的结构框架如图1 3 6 所示。首先利用液压机现场监控系统监测机床运行状态 获得故障信息，再借助智能诊断专家系统知识库，判断机床发生故障的原因并获得故障 维修方法，通过i n t e m e t 网络将机床的状况传至各相关人员及设备制造厂端，达到生产 线监控与诊断的目的，为企业提供设备维修服务等功能。该液压机网络化控制系统共分 为四个层次：( 1 ) 设备层通过p c 界面卡或网络控制卡与设备p l c 连线，具有异常情况 自动监测、机器异常紧急处理、历史资料储存等功能；( 2 ) 工厂层具有设备异常诊断、 保修零件管理、申报维护管理等功能；( 3 ) 地区层即地区维修客户服务系统，具有保修 零件库存管理、维修服务管理、远程初级诊断维修等功能；( 4 ) 制造商层即智慧型维修 r 硬士论文 液压机控制系统研究与开发 服务系统，具有设备维修资料、知识库管理、设备故障统计分析、产品改进及设计回馈 等功能。 图1 36 大钣金弹性冲压生产线维修服务系统框架 从以上的分析我们可以看到，关于液压机数控化、智能化、网络化控制的研究都在 积极的展开，并获得了成功的应用，但同时也暴露出一些问题：一是系统的智能性较低， 不具备故障诊断、维护功能；二是系统不具备网络联机功能，大部分仍属于单机控制系 统。因此，如何提高控制系统诊断功能的智能性，研究智能化、网络化的液压机控制系 统是本文研究的一个重点。 1 4 液压机的发展趋势 当今信息时代，网络通信技术的快速发展及其良好的应用前景，加上社会各行业 对液压成形设备的需求，未来液压机将朝着以下方向发展： ( 1 ) 机电液一体化，利用机械和电子方面的先进技术促成液压拉伸技术的完善和发 展，如采用电液比例技术，计算机控制技术等。 ( 2 ) 自动化与智能化随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的 智能化程度将不断提高0 8 】口”。 应用自适应控制技术，数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有 关参数，达到改进系统运行状态的目的；引入专家系统指导加工，将熟练工人和专家的 9 迥一曼己重 一慧mn合夏 一 黼触馘渣压机 占萋 l 绪论硕士论文 经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人 工智能的专家系统；引入故障诊断思想，使其具备自诊断能力，即使发生故障也能迅速 排除，减少停机时间。 ( 3 ) 网络化，通过以太网将设备接入企业网，使生产运行中的数据能及时反馈至工 作人员，便于设备管理、监控，若出现本地技术人员无法解决的技术故障，还可通过 i n t e r n e t 连接远程维护中心，实现远程故障诊断与维护。 ( 4 ) 高柔性，系统可针对不同的材质或工艺，模拟加工过程，并自动优化工艺参数， 形成最优的滑块运动模式，达到适应多种成形加工的目标。 ( 5 ) 成线化与成套化，现代化的生产要求设备供应商不只是单台设备供货，而要求 供应整个生产线的全套设备，例如汽车覆盖件生产线，不仅需要供应几台大型液压机， 还需要供应用于各台液压机之间传送的机械手或传送装置。成套化与成线化的方式成为 当前企业供货方式的主流。 1 5 主要研究工作 本文主要是在扬州捷迈锻压机械有限公司拉伸液压机研发工作基础上进行研究，设 计液压机控制系统，实现压边力、冲制速度、滑块位置等工艺参数的数字化、智能化控 制；开发远程网络接口，实现液压机状态远程监测和故障诊断功能。 本文主要包括以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 液压机控制系统总体方案的研究：根据液压机控制系统的需求，提出液压机控 制系统总体设计方案，探讨控制系统的结构组成、网络体系，分析了智能控制系统与远 程网络化控制系统两个子系统的工作原理及功能。 ( 2 ) 液压机智能控制系统研究：分析液压机控制系统需求，实现压边力、冲制速度、 滑块位置等工艺参数的数字化多功能控制，同时实现液压机的状态智能监控和故障诊 断、维护功能。 ( 3 ) 液压机故障诊断方法研究：分析液压机设备故障特点，设计智能故障诊断专家 系统的知识库与推理机制。 ( 4 ) 远程故障诊断研究：根据网络化控制系统的总体方案与设计需求，研究并开发 远程故障诊断各个功能模块，安装并调试控制系统。通过对系统的调试，验证系统的基 本功能，从而说明所设计的系统的正确性。 1 6 论文的组织结构 全文共分为六章节，现将各章节内容作简要介绍： 第一章作为绪论，首先阐述本课题的研究背景、研究意义，然后分析国内外液压 机发展的现状、控制系统发展实例及其发展趋势，最后简要介绍了本文主要研究的工作 1 0 硕士论文 液压机控制系统研究与开发 及论文的组织结构。 第二章对1 6 0 0 0 k n 拉伸液压机作简要介绍，根据液压机控制系统功能需求提出总 体设计方案，分析智能控制系统与远程网络化控制系统两个子系统的工作原理及功能， 简要介绍系统的开发工具与运行环境。 第三章研究1 6 0 0 0 k n 拉伸液压机控制系统，进行硬件和软件详细设计，设计具有 工艺参数选择、状态实时监测、故障诊断、系统维护等功能的智能化控制系统。 第四章设计液压机智能故障诊断专家系统，从液压机故障树( f t a ) 分析结果中 获得诊断规则，利用故障树模型来组织存储知识，建立基于规则的专家系统推理机制。 第五章研究开发液压机网络化控制系统，实现远程状态监测、智能故障诊断、在 线交互式诊断和系统的管理与维护等功能，对系统进行集成及试运行，验证系统的可靠 性与正确性。 第六章简要总结本文的研究工作，同时指出液压机控制系统有待于继续改进与完 善的几个方面，并对今后的工作进行展望。 2 液机控制系坑总体设计硕论文 2 液压机控制系统总体设计 2 11 6 0 0 0 k n 双动薄板拉伸液压机介绍 双动薄板拉伸液压机口”主要用于金属薄板拉伸与塑性材料的压制加工，如冲压、弯 曲、翻边和金属零件挤压等，1 6 0 0 0 k n 薄板拉伸液压机实物图如图21 1 所示。裂动拉 伸液压机的特点是有内外两个活动滑块，如图212 所示。拉伸滑块和压边滑块可起 快速下降，接近工件时改为慢速下降，当压边滑块5 压住工件1 四周时。压边滑块不再 下降而变为保压。此时，拉伸滑块6 继续下行进行拉伸。拉伸工艺完成后，拉伸滑块可 实现延时、卸压和快速回程，压边滑块也相应卸压和快速回程，液压垫4 和顶杆3 将工 件1 项出。 图2 1 1 液压机实物圈 蕾圈圈 图2l2 双动拉伸液压机拉伸示意图 工件2 一凹模3 瑗杆4 液压垫5 一压边滑块6 - 立伸滑块7 一凸模 硕士论文 液压机控制系统研究与开发 本文研究的1 6 0 0 0 k n 拉伸液压机设有调整、手动、半自动和微动合模四种工作规 范，可实现操作的集中控制和移动控制，该液压机主要由机械系统、液压系统和电控系 统三部分组成。 主机机械系统为宽台面三梁四柱组合框架式结构，机身通过拉杆和螺母构成封闭框 架，机身刚性和精度保持性好。滑块采用四角八面方型全钢导轨结构进行导向，滑块导 向板采用铜导板。液压垫采用平面导轨导向，具有很好的抗偏能力。拉伸液压机除了设 置液压垫( 顶出器) 和项杆外，还设有移动工作台，便于更换大型模具。 该液压机采用多泵多缸恒功率自重充液下行式液压系统，具有速度快、能耗小、噪 音低、维修方便等特点。采用先进的两通插装阀系统，响应快、流阻小、通流能力强。 系统中还装有精细滤油器，以保持使用油液的清洁度，有利于提高组件和密封件寿命， 提高机器运行的可靠性、稳定性。 电控系统采用日本欧姆龙p l c 控制器和触摸屏显示，柔性强，可靠性高；设有压 边力、拉伸力、液垫压力指示和滑块行程指示；可在规定的范围内在触摸屏上方便地进 行压力和行程等工艺参数的设置、调整。 本文研究的1 6 0 0 0 k n 液压机主要技术参数如表2 1 1 所示。 表2 1 1 液压机主要技术参数 序号项目名称单位数值 l 总力 k n1 6 0 0 0 2 拉伸力 k n1 0 0 0 0 3压边力 k n 6 0 0 0 4 液压垫力 k n 4 0 0 0 5 顶出力 k n8 0 0 6 液体工作压力 m 【p ao 一2 5 7 拉伸滑块行程 m m1 4 0 0 8 压边滑块行程 m m1 4 0 0 9液压垫行程 m m4 0 0 快下 m m s 3 0 0 1 0 拉伸滑块速度 工作 m m s3 5 15 ( 8 5 m p a ) 回程 m m 奎 2 5 0 快上 m m s 6 0 8 0 1 1 液压垫速度 下行 m m s1 3 5 2 2 控制系统功能需求 液压机控制系统研究的主要目的是实现液压机数字化、智能化、网络化的控制，本 文的研究主要包含三方面的内容：一是液压机智能化控制系统的研究与开发：二是智能 故障诊断专家系统的研究与开发；三是液压机远程网络化控制系统的研究与开发。 液压机智能化控制系统的研究与开发，功能需求为：需要设计智能化监控系统， 液压机工作压力及各种数据、液压机动作时电磁阀的通断状态以及液压机各运动部件所 1 3 2 液压机控制系统总体设计硕士论文 处的位置均可在相应界面里监测得到；需要实现工艺参数选择，液压机在单动或双动 工作状态下加工不同工件的工艺参数，包括滑块行程和压力、垫缸行程和压力、滑块保 压时间和垫缸顶出停留时间等参数，可通过人机界面进行设置，同时工艺参数数据库可 存储多种工艺供用户选择；控制系统应具有自诊断功能，对液压机出现的故障能进行 实时报警，并对故障出现的时间及次数进行存储，根据故