文／孫力·太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司

工業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行的核心目標(biāo)是在保證質(zhì)量的情況下盡可能的加快生產(chǎn)效率和降低能耗，這幾個(gè)要素直接影響著工業(yè)生產(chǎn)的成本、效益。因此，如何在最低能耗下，高效率的生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品成為整個(gè)社會(huì)追求的目標(biāo)。本文根據(jù)近幾年的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，提出了鍛壓控制系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，改進(jìn)以往在液壓泵未投入時(shí)電機(jī)依舊滿速旋轉(zhuǎn)的情況，提出通過(guò)液壓系統(tǒng)的目標(biāo)流量或者目標(biāo)壓力控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方案，使其在最低耗能下滿足系統(tǒng)需求的速度控制或者壓力控制，在液壓泵未投入時(shí)，電機(jī)以最小的速度空轉(zhuǎn)，最終高效率地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

現(xiàn)階段，鍛壓控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)形式為電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)→電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵→液壓泵驅(qū)動(dòng)油缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部件動(dòng)作，生產(chǎn)過(guò)程中，液壓泵經(jīng)常在滿速空轉(zhuǎn)，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保壓控制時(shí)，習(xí)慣使用液壓泵給出大流量，再通過(guò)比例壓力閥高壓溢流的方式控制。雖然滿足了生產(chǎn)控制要求，但也耗費(fèi)了大量能量，對(duì)一些控制器件產(chǎn)生了較大的磨損，影響了其使用壽命。

鍛壓控制系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

鍛壓控制系統(tǒng)的能量消耗大部分用于電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的全速旋轉(zhuǎn)、液壓元件內(nèi)部泄漏、截流、液壓管道阻力、高壓溢流等都會(huì)產(chǎn)生不必要的能量損耗，因?yàn)樽枇Α⒁缌鞯仍?，大量的液壓油機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，導(dǎo)致油箱溫度升高，對(duì)系統(tǒng)毫無(wú)益處，因此，對(duì)于控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)而言，我們可以嘗試在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試時(shí)降低電機(jī)的功率消耗，減少高壓溢流量，以最低的功耗達(dá)到我們的控制要求。

根據(jù)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系，電機(jī)的額定功率Pn=Tnnn，其中，Tn為額定轉(zhuǎn)矩，nn為額定轉(zhuǎn)速。

在轉(zhuǎn)矩恒定的情況下，電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f/p，其中，f 為電源頻率，p 為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

在電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定的情況下，可以通過(guò)降低電機(jī)的頻率來(lái)降低功率以達(dá)到節(jié)能的目的，因此，可在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中加入變頻器來(lái)控制電機(jī)的頻率(圖1)。

圖1 變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖

液壓泵未投入時(shí)的節(jié)能

鍛壓系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中，有部分液壓泵在某一階段未投入使用，而驅(qū)動(dòng)液壓泵的電機(jī)一直處于全速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，即電機(jī)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，其間，泵頭閥處于打開狀態(tài)，關(guān)聯(lián)該液壓泵的管道無(wú)壓，液壓泵將吸入的油傳送回油箱，雖然促進(jìn)了液壓油的循環(huán)，但做了無(wú)用的工作，浪費(fèi)了大量的電能，且因油液循環(huán)、摩擦產(chǎn)生了大量的熱而不得不啟動(dòng)油液冷卻，導(dǎo)致了能量的二次浪費(fèi)。

鍛壓控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備響應(yīng)的即時(shí)性要求較高，如果將該部分未使用的電機(jī)關(guān)閉，需要時(shí)再次啟動(dòng)，因?yàn)殡姍C(jī)啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)電流的影響，電機(jī)無(wú)法及時(shí)全速旋轉(zhuǎn)，無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)即時(shí)性的要求，所以該部分電機(jī)不能因?yàn)闀簳r(shí)不用而關(guān)閉，因此在電機(jī)控制系統(tǒng)中加入變頻器以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)該電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵未投入時(shí)，給定該電機(jī)一個(gè)較低的頻率(20Hz)使其低功率旋轉(zhuǎn)，當(dāng)需要這部分液壓泵時(shí)，該轉(zhuǎn)速可迅速響應(yīng)達(dá)到滿速狀態(tài)，計(jì)算得到電機(jī)實(shí)際功率P=20Pn/50=0.4Pn。

在液壓泵未投入時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)近似處于零力矩狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)以20Hz 的頻率旋轉(zhuǎn)時(shí)，其能耗僅為原能耗的40%，實(shí)踐證明，該方式可節(jié)省約50%的能量，在實(shí)際應(yīng)用中我們也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)在20Hz 低功率旋轉(zhuǎn)時(shí)，可快速響應(yīng)切換至滿速狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn)，滿足控制系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)即時(shí)性的要求。

速度控制過(guò)程的節(jié)能

在鍛壓設(shè)備擠壓過(guò)程中，操作工會(huì)通過(guò)上位機(jī)給定設(shè)備擠壓速度，在進(jìn)行速度控制時(shí)，我們常常根據(jù)液壓泵樣本得出液壓泵流量與壓力的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算、函數(shù)等盡可能給出比較精確的開環(huán)流量，設(shè)備在擠壓時(shí)，電機(jī)處于滿速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、PLC 給定液壓泵偏角來(lái)實(shí)現(xiàn)速度開環(huán)給定，最后根據(jù)實(shí)際速度與目標(biāo)速度的偏差來(lái)閉環(huán)控制速度，可以看出，上述方法需要查詢資料，有大量的編程工作，在節(jié)能方面也有待提高。

目前，市場(chǎng)上已經(jīng)存在一種泵頭閥，其工作原理是可控制輸出流量的大小，并根據(jù)流量給定及反饋調(diào)節(jié)其偏角的大小，同時(shí)反饋回控制系統(tǒng)液壓泵需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中我們可以使用以下步驟實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制：

⑴PLC 給定液壓泵閥控器流量命令；

⑵閥控器向PLC 反饋所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速；

⑶PLC 給定變頻器轉(zhuǎn)速命令。

在生產(chǎn)使用中，我們發(fā)現(xiàn)該控制方式根據(jù)液壓泵閥控器自身的流量偏角反饋實(shí)現(xiàn)流量的閉環(huán)控制，簡(jiǎn)化了調(diào)試人員的編程工作，并且可以給出其需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，這種控制方式操作簡(jiǎn)單，調(diào)試工程師僅需給定其需要的流量，液壓泵頭閥控制系統(tǒng)便可以自行調(diào)節(jié)偏角并告知控制系統(tǒng)其需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，其速度控制精度較高，控制方法簡(jiǎn)單，且電機(jī)以一個(gè)合適、較低的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，節(jié)省了大量能源，避免了過(guò)大的轉(zhuǎn)速浪費(fèi)，在節(jié)能的同時(shí)提高了速度控制的精度，降低了調(diào)試人員的工作量，避免了生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的差錯(cuò)，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。

壓力控制過(guò)程的節(jié)能

在鍛壓機(jī)械生產(chǎn)中，我們經(jīng)常會(huì)使用壓力控制，例如炭素?cái)D壓機(jī)的保壓過(guò)程、立式輪轂壓力機(jī)的保壓過(guò)程等，常規(guī)的做法是使電機(jī)一直處于滿速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，首先使用速度控制給系統(tǒng)增壓，當(dāng)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力后給液壓泵頭閥一個(gè)恒定的偏角，給定執(zhí)行機(jī)構(gòu)比例壓力閥目標(biāo)壓力，通過(guò)比例壓力閥高壓溢流實(shí)現(xiàn)壓力控制，這種方式雖然達(dá)到了對(duì)系統(tǒng)的保壓要求，但電機(jī)處于滿速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，液壓泵頭閥輸出較大的流量，因?yàn)楦邏阂缌?，系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的熱量，浪費(fèi)了大量的能量，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使閥塊產(chǎn)生了較大的磨損，且壓力控制的準(zhǔn)確程度受限于比例壓力閥的精確度，比例壓力閥存在偏差、磨損，因此控制精度也不是很高。

液壓泵的功率P=ΔP·Q/612，其中，P 為液壓泵功率；ΔP 為液壓泵壓力差；Q 為泵輸出流量。

在壓力控制過(guò)程中，液壓泵壓力差ΔP 為一個(gè)定值，因此，如何減少流量損失、減少高壓溢流，即如何降低泵輸出流量Q 便成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。

在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸與液壓泵頭閥是相通的，壓力相等，我們可以使用液壓泵頭閥的壓力控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力控制，該液壓泵頭閥系統(tǒng)在壓力控制激活時(shí)，自行調(diào)節(jié)其輸出偏角以保證輸出壓力的恒定，保壓過(guò)程中，其輸出偏角極小，且具有極少的高壓溢流，泵頭輸出的流量極小，因此降低功率消耗，達(dá)到節(jié)能目的，可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：

⑴使用合適的泵頭閥，給泵頭閥接入壓力傳感器，使其可以進(jìn)行壓力控制；

⑵給執(zhí)行機(jī)構(gòu)比例壓力閥一個(gè)相對(duì)較大的值；

⑶在系統(tǒng)增壓過(guò)程中使用液壓泵流量控制；

⑷當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)壓力后，取消液壓泵的流量控制，激活壓力控制。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，我們得出保壓過(guò)程中保壓壓力與液壓泵輸出流量，見表1。

表1 保壓壓力與液壓泵輸出流量

在本次生產(chǎn)實(shí)踐中，我們使用電壓信號(hào)給定液壓泵頭壓力、流量，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)有一定的損耗，所以導(dǎo)致給定壓力與實(shí)際壓力有一定的偏差，但可以看出壓力輸出非常穩(wěn)定，通過(guò)使用液壓泵的壓力控制，在達(dá)到控制要求的同時(shí)，降低了液壓泵流量的輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的比例壓力閥不存在溢流現(xiàn)象，減少了系統(tǒng)的發(fā)熱量，達(dá)到了節(jié)能的目的，且其壓力控制精度不受比例壓力閥精度的影響，控制精度比較準(zhǔn)確。

展望

本文提出的鍛壓控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)在實(shí)踐中比傳統(tǒng)鍛壓控制系統(tǒng)更高效、更節(jié)能，在工廠生產(chǎn)使用中，三個(gè)月節(jié)省的電費(fèi)即可購(gòu)買這一套節(jié)能系統(tǒng)，可以大幅降低工廠生產(chǎn)運(yùn)行的成本，增加企業(yè)收益。本文描述的控制系統(tǒng)依舊有很大的提升空間，節(jié)能是一個(gè)永恒的話題，將來(lái)會(huì)出現(xiàn)更多、更節(jié)能的控制系統(tǒng)。