弹药成型装备数字化系统研究

梁晓辉，曹志伟

LIANG Xiao-hui, CAO Zhi-wei

（中国工程物理研究院化工材料研究所，绵阳 621900）

0 引言

弹药成型是采用成型装备实现将炸药粉体材料按照一定的配方压制成固体材料。常采用的设备包括：材料试验机、液压机与温等静压机。液压机与温等静压机主要用于大型弹药部件成型，相比之下，温等静压机压制的材料密度与均匀性好、工艺较短、压制效率高但成本较高，而液压机设备简单、成本低但工艺过程长[1]。

弹药成型作业的特点是：工艺比较复杂、涉及设备多、危险性较高、事故损伤性大。综合考虑作业过程安全且不断提高生产效率与产品质量水平等因素，提高设备的数字化水平，实现设备运行过程的透明化、可检测性、故障自诊断性，对于提升弹药成型制造水平具有十分重要意义。

综合采用先进控制、计算机与大数据等工程技术以及工艺管理、设备管理与企业管理等管理技术，实现弹药成型装备数字化[2]。研究下位机控制系统，实现现场底层控制；构建上位机软件，实现工艺编制与实时模拟、作业过程数据记录与查询等车间层管理；构建管理层软件，实现工艺、设备运行过程、安全、质量等管理功能；研究增压过程压力曲线控制方法，实现高精度曲线控制。

1 弹药成型装备介绍

弹药成型装备数字化系统的控制技术核心是研究压力曲线控制算法[3]。以液压机为弹药成型装备，开展数字化系统研究。

1.1 液压机特性

液压机的常用动作包括：快速运行、慢速升压、保压、卸压与回程等。该文以增压过程为对象，研究压力曲线控制。增压过程的主要元部件或者装置包括：高压泵、换向阀、比例流量阀、比例溢流阀、插装阀与高压工作缸。

1.2 液压机增压原理

高压泵运行产生高压油液，换向阀控制高压油路的方向，比例流量阀控制进入高压工作缸的介质油流量。通过向定容量的高压工作缸里不断注入介质油，实现高压工作缸增压。

增压过程满足液体压缩公式[4]，如下：

式中V为工作缸的有效容积，V0为工作缸内压力达到P时需往缸内注入的介质油体积。

1.3 液压机增压控制方法

控制比例流量阀的开口度，即可控制进入高压工作缸的介质油体积，进而控制升压过程。采用连续型、自适应闭环控制算法，由控制器实时计算比例流量阀开口度，即可实现升压过程曲线控制。

2 数字化系统研究与设计

弹药成型装备数字化系统的目的是实现现场控制层、车间层与管理层分级控制[5]。系统总体构架如图1所示。

图2 现场控制层硬件设计

2.1 现场层设计

现场层完成设备的现场检测、控制与指示等功能。具体包括：液压泵、电磁阀、比例阀等执行部件单动控制，手动控制，压力检测与报警，真空泵控制与真空度检测，安全联锁控制等。

2.1.1 现场层硬件设计

现场层硬件主要为智能仪表和以SIMATIC S7-300 PLC为主处理器的电气控制系统。仪表实现压力检测、报警与安全控制；PLC主要实现按钮、检测开关、执行部件、传感器等信号的输入输出、逻辑与数值计算、工艺数据存储等功能。PLC与智能仪表通过RS232接口的Modbus协议实现通信。现场层采用Profibus总线与车间层控制器通信。现场层硬件设计如图2所示。

2.1.2 现场层软件设计

现场层软件采用SIMATIC Step7工具开发，采用轮训式的程序结构。各个功能块在OB1里调用实现，中断型程序在0.1秒中断块OB35实现，启动时执行一次的程序在OB100里实现。现场层控制软件功能包括：手动控制、自动控制、压力与真空传感器检测、压力曲线控制、运动滑块行程与速度测量、配方管理与安全联锁等。现场层软件流程图如图3所示。

2.2 车间层设计

车间层实现工艺人员的对设备的操作，主要包括：工艺数据参数设定、工艺模拟与曲线下载、过程自动记录保存与查询、设备故障自诊断、状态设定、设备运行历史记录等功能。

2.2.1 车间层硬件设计

车间层以工控机作为硬件平台，具备总线与RS232串口接口，能连接集线器HUB或者路由器，具备通信扩展接口功能。工控机与现场控制层通过Profibus总线通信，与管理层通过以太网通信。

图3 现场层软件流程图

2.2.2 车间层软件设计

车间层软件主要为人机交互界面软件，采用KingView6.53开发。车间层软件采用界面管理方式，主要包含的软件画面包括：开机用户权限管理画面、主画面、参数设定画面、自动压制过程仿真与监控画面、历史数据记录与查询画面、报警画面、故障诊断画面等。人机交互界面软件主画面如图4所示。

图4 车间层人机交互软件主界面

2.3 管理层设计

管理层实现企业级对成型装备的工艺过程、制造进度、安全运行、制造过程质量等管理。主要功能包括：制定生产计划并对生产进度进行管控，编制、校对、审核并批准工艺卡片，监控设备重要工艺参数、故障报警、安全运行、过程质量控制等。采用基于.Net或者Java等开发工具进行软件开发。管理层软件包括：工艺审核与批准管理模块、工艺参数计算与仿真模块、关键工艺数据实时记录与查询模块、制造过程实时监控与查询模块、制造进度管控与质量管理模块等。

3 增压过程建模、算法设计与仿真

对增压过程辨识数学模型，设计控制器与控制算法并进行仿真，为实物研制提供理论依据。

3.1 增压过程建模

3.1.1 增压过程系统特性

液压机增压过程为单输入单输出的连续控制系统。影响压力曲线控制精度的非线性因素有：油液温度变化、坯件体积压缩、粘度、工作介质油等，这些因素对控制精度影响较小，可以忽略[6]。

3.1.2 增压过程模型推导

根据控制信号、比例阀流量、注入高压缸介质油体积与缸内压力的数值关系，得到控制信号与缸内压力的数学关系。设控制信号i(t)，比例流量阀系数k0，比例流量阀流量Q0(t)，工作缸体积V0，初始压强P0，液压油压缩系数K，注入介质油体积V，注入ΔV介质油后缸内压力增量ΔP。

控制信号与比例阀流量关系：

介质油注入工作缸后，由液体压缩公式得到关系式：

由于ΔV＜＜V0，忽略ΔV，得到：

进一步变化形式，得到：

由于压力与体积均为连续变量，故可微分，得到：

数值上，比例流量阀的流量等于注入缸内介质油体积的微分，即：

联合式(2)～式(7)，得到增压系统的微分方程：

实验方法计算系统的惯性常数，代入各个已知参数，得到增压系统模型传递函数：

3.2 增压过程控制算法设计与参数优化

增压过程为一阶连续、低惯性、近似线性时不变系统。非线性因素对控制精度影响较小，基于改进型PID控制器负反馈控制策略可对模型近似后引起的曲线控制精度误差进行补偿。

3.2.1 控制算法设计

增压控制采用分时开环与闭环控制算法。起始阶段采用开环，对比例阀开口度固定值控制，到达起始点后转为闭环控制。闭环控制采用开口度带限的PID闭环控制策略。控制算法如图5所示。

图5 压力曲线控制策略

3.2.2 控制器设计、参数整定与优化

增压控制是一种跟随控制系统，PID控制器可应用于增压过程曲线控制。压力控制系统属于低滞后系统，采用比例-积分控制策略。通过仿真实验，控制器比例系数为0.04，积分时间常数为5s。

3.3 增压过程控制算法仿真

3.3.1 仿真平台组建

采用SIMULINK软件实现增压系统数学模型与PID控制器，构建仿真平台[7,8]。如图6所示。

3.3.2 仿真实验

对一种常用的由圆、椭圆与直线组成的曲线开展控制算法仿真。跟随曲线函数如式(10)所示。

开展工艺仿真后，仿真曲线如图7所示。

图6 升压系统SIMULINK仿真平台

图7 工艺仿真曲线

4 结论

研究了弹药成型装备数字化系统的组成，研究了一种现场层、车间层与管理层软硬件系统的设计方法。针对成型装备增压过程高精度压力曲线控制的需求，研究了增压过程建模、控制算法设计、控制器参数确定，并采用SIMULINK仿真平台对常见工艺曲线进行仿真实验。本文所述的科研成果已经应用于弹药成型装备的数字化系统设计，取得较好的使用效果。

[1]孙建.等静压炸药装药技术发展及应用[J].含能材料,2012.20:638-642.

[2]阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京:清华大学出版社,2008.

[3]梁晓辉,范玉德,曹志伟,张程滔.温等静压机卸压系统的建模与仿真[J].机床与液压,2014,42(21):151-156.

[4]章宏甲.液压与气动传动[M].北京:机械工业出版社,2004.

[5]何衍庆,黄海燕,黎兵,等.集散控制系统原理及应用[M].北京:化学工业出版社,2009.

[6]梁晓辉,范玉德.基于SIMULINK的等静压机升压系统建模与仿真[J].计算机测量与控制,2014,22(8):2574-2580.

[7]李沁生,于家凤.基于Simulink的直流伺服电机PID控制仿真[J].船电技术,2011,31(3):26-29.

[8]李颖.SIMULINK动态建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.