PLC中双CPU在快速锻造压机中的应用

高尚晖 施一娜 王冬梅 李培力

(金属挤压/锻造装备技术国家重点实验室中国重型机械研究院有限公司，陕西710032)

随着我国经济的快速发展，对形状复杂、技术含量高、材料性能特殊的大型锻件的需求量不断增加，同时对锻件的精度要求也越来越高。针对这种趋势，非常需要发展大型、高精度的快速锻造压机。

快速锻造压机有三大特点，即：快、精、联。这些特点要求快速锻造压机的锻造速度非常快，达到每分钟(75～85)次，相应地对CPU的扫描速度也有较高的要求。对于带一台操作机的小型快速锻造压机，选用一台西门子CPU(414-2)，在设备运行过程中CPU(414-2)的扫描速度在8 ms左右，完全可以满足设备的工艺要求，快锻速度可以达到80次/min。如果20 MN及以上吨位的锻造压机仍采用同样的配置，则很难满足工艺要求。尤其是目前为了提高工作效率，多采用一台快速锻造压机带两套操作机，这样CPU就更难满足大型快速锻造压机和双操作机协同工作的要求。为了满足设备的工艺要求，同时兼顾设备的成本，经过与西门子技术人员的沟通，决定采用双CPU协同工作的模式解决这个问题。

1 PLC中CPU工作原理

PLC主要由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。CPU是PLC的逻辑部分，负责处理输入部分所取得的信息，并根据被控制对象实际的动作要求做出反应。逻辑部分的数据处理方式是将PLC的输入信息统一采入CPU中，之后执行逻辑部件组合后所达到的逻辑功能，最后统一输出，达到控制要求。随着CPU处理程序量的增加，CPU每运行一遍程序的时间就会加长，这样就不能满足控制复杂、响应速度快和控制精度高的设备的要求。

采用双CPU(见图1)协同工作，可以将一个CPU需要完成的工作，分给两个CPU去完成，这样就可以加快程序的运行速度，满足设备的工艺要求。双CPU协同工作是在同一个机架上安装两个CPU，两个CPU的通信是通过同一个底板总线进行传输，这样就可以使通信时间大大缩短，另外可以减少一套底板、电源和通讯模块，大大节约成本。

图1 双CPU工作网络Figure 1 Work net of double CPU

2 快速锻造压机的控制原理

快速锻造压机的控制原理如图2所示。PLC接收操作台和触摸屏的给定操作信号，根据给定信号控制锻造压机的液压泵站系统、压机的控制系统、1#操作机和2#操作机的动作。

快速锻造压机的三大特点中，“快”就是要求锻造速度快，最快锻造次数要达到每分钟(75～85)次。这样就要求锻造压机锻造一次的时间为700 ms～800 ms。“精”就是锻件尺寸精度要求高，精度为±1 mm。在一次锻造过程中，位置量一般在40 mm左右，要求采样数据每毫米不小于2个。这样，根据香农(Shannon)采样定理，数据采样频率的下限为：

ωs≥2ωmax

式中ωmax——被采样输入信号中所含的最高频率，单位为Hz；

ωs——采样频率，单位为Hz。

图2 快速锻造压机的控制原理Figure 2 Control principle of rapidly forging press

在一次锻造过程中采样点在80个以上，这就要求每个采样点的采样周期不大于10 ms，也就要求CPU扫描周期要控制在10 ms以内，才能对尺寸检测作出精确反应，通过运算来控制压机的尺寸精度。“联”就是与操作机的联动，压机每锻造一次，操作机前进一定距离或锻件旋转一定角度(触摸屏设定)，提高快速锻造压机的生产效率，这无疑也增加了程序量和控制的复杂程度，增加了CPU处理程序的时间。随着压机向大型化发展，压机液压系统也在不断加大，同样也导致了控制系统的大型化、复杂化。

3 实践与应用

我院已将双CPU控制系统成功应用于多台大型快速锻造压机。

针对西宁特钢20 MN锻造压机(带10 kN操作机和16 kN操作机各一台)，我院采用西门子S7-400系列双CPU(414-2)工业可编程控制器作为主站，选用ET200M系列产品作为分布站。以414-2处理器为中心，与远程I/O构成PROFIBUS-DP总线网络系统，对机组进行顺序控制、逻辑控制和精度控制。根据预设工艺参数和要求，对压机、操作机的大车行走、钳口旋转进行准确定位控制，并从时间上对各个运行过程进行合理分配。可进行参数修改，从而实现机组的各种工作制度和工艺过程的自动控制，并采用工业计算机作为人机接口。工业计算机与PLC通过MPI网络连接，监控系统监控整个生产线的生产流程，在屏幕上以多画面和表格直观地显示机械、液压、电气设备的工作状态，并可实现参数输入和输出，对锻件数据进行管理，显示机组实际工艺参数、故障报警信息提示等。

对大连华锐45 MN锻造压机，也采用了双CPU控制系统，其中1个CPU控制压机锻造程序，1个CPU控制压机的液压泵站。

双CPU控制系统的关键技术是它们之间的通讯。双CPU通讯采用西门子自带的SFB8(发送控制程序)和SFB9(接受控制程序)以及背景数据块DB8和DB9。定义好两个CPU的地址及要接收和发送的内存地址起始点和区域范围，然后各个CPU自己按照工艺要求编写各自的程序，最后将输入输出对应到你预先定义好的内存点上。注意：这种双CPU在同一机架上工作，只有1个CPU可以对外连接外部的输入输出模块，所有的对外输出只能通过1个CPU给出。另外，并不是所有的CPU都可以实现这种同一机架安装双CPU的模式，应用时需得到西门子技术支持。

在以上两套锻造压机运行中，通过监控锻造压机，检测CPU的扫描周期是7 ms左右，满足了锻造压机扫描周期小于10 ms的要求，而且减小了系统的冲击和振动。自投产以来，设备系统稳定，运行正常，给用户带来了很好的经济效益。

4 结束语

随着经济的发展，企业对设备大型化、高效率和产品质量的要求不断提高，电气控制系统对元件控制的反应速度也在不断提高，双CPU甚至更多CPU协同工作将会得到更广泛的应用。

[1] 王兆义. 可编程控制器教程[M]. 北京：机械工业出版社，1998: 10-11.