工业4.0 下的大型液压机技术发展

文/吕洪亮·辛北尔康普机械及成套设备有限公司

工业4.0 针对不同的领域应该有不同的实践标准，但有一个共性的底层——大数据技术。而到应用层实现智能化的定义，则是百花齐放，各自为战。例如在大型制造装备领域，工艺数据、设备数据这些数据的采集为下一步的数据挖掘打下基础。这些数据应该能够自动被存储、被关联、被调用，通过数据分析和数据挖掘反馈到生产应用层面就是设备的能耗、生产能力、开机率、产量、订单等，反馈到设备维护应用方面就是可以实现预维护、条件维护、定期维护等，从而避免发生设备的突然停机影响生产。另外，大量全面的数据为工艺的优化、产品的优化、节能等多个方面提供数据支持，经过应用层面的转化，变为表象的设备智能化。

在工业4.0 的旗帜下，大型液压机的发展主要体现在液压系统和电控系统围绕人机互动而进行的研发。德国辛北尔康普公司作为一家从事压力机研发和生产超过百年的企业，以“Leadership in Technology — 技术领航者”的身份持续在金属成形领域深度耕耘。并提出了如下基于工业4.0 的大型液压机技术发展内容，如图1 所示。

辛北尔康普将大型液压机的数字化技术划分为两代系统：当代系统和新一代系统。当代系统的各种技术目前已经在大型液压机上成熟应用并已经逐渐成为标准配置。新一代系统则是基于工业4.0 的标准，围绕着如何让机器满足使用者的愿望及市场需求而不断开发和演化。

当代系统

随着航空等工业的发展，对于产品质量的可追溯性需求越来越高。对生产零件的设备也提出了相应的要求。一切以数据说话，已经成为高端金属成形设备的标志，代表着压力机电控系统的先进性。

压力机数据的管理

听起来就是数据库软件的功能，但是这些功能是建立在大型液压机复杂现场的基础上，需要对设备数据、工艺数据的各个方面进行数据采集，需要在设备上安装众多的传感器及装置才能实现最全范围、最有效的数据提取。

多年来，辛北尔康普的大型液压机聚焦航天航空领域。因此，在数据管理方面，辛北尔康普一直处于行业领先水平。辛北尔康普的DAHMOS®数据管理系统可以实现每秒最高达4800 个数据的存储和管理。数据记录模式多种多样，有可以连续/循环记录的“Trending”模式，也有条件触发式记录的“Event”模式，还有单独运行特定事例的“Analysis”模式。在“Analysis”模式下，每10 毫秒可以对48 个数据进行记录，可以设置提前触发或延后触发的缓冲。

DAHMOS®数据管理系统的先进性还体现在数据的视觉显示上，可以根据用户的要求最多一次性生成10 个图表，每个图表都可以单独窗口显示，每个图表上又可以根据用户要求显示最多10 个图形或曲线，如图2 所示。

DAHMOS®数据管理系统为用户提供了强大的数据基础，用户方的专家可以根据自己的需求任意调用数据，实现产品工艺分析、设备故障诊断等各种应用。

数据的挖掘

用户高层管理者需要的是结果化的数据，他们更关心的是与生产有关的各种数据及数据背后的结果，这通常需要一套专家支持系统来满足这些需求。辛北尔康普的PROD-IQ®智能生产管理系统就是这样一套生产方面的专家支持系统。用户通过该系统可以对所监控的工艺和生产数据（最多200 个）进行编辑选择，PROD-IQ®系统可以以至少每分钟两次的频次进行循环数据采集、存贮，并根据内置评估准则进行进一步评估，评估数据及结果可以导出、上传到高一层的管理系统，也可以形成报告打印出来，这些数据及结果可以被保存两年。

该系统分为基础版和升级版。基础版中包含停机时间管理模块、班次作业管理模块和日常评估模块，可以对停机时间、班次能耗等数据进行统计、分析和管理，并可将管理范围扩大至整个车间。升级版中则添加了智能维护模块和订单管理模块，可以实现智能性维护和生产订单管理，为设备管理者和工厂管理者提供数据支持及直观的分析结果。

远程在线诊断

远程在线诊断是一套通过互联网解决售后服务问题的系统，可以有效、及时的对设备故障进行诊断，避免了远在异地的技术专家花费大量时间和成本到现场处理设备故障。这套系统的表象是技术专家通过互联网对设备进行检查，其所依靠的基础仍然是上面提到的DAHMOS®系统，远在异地的技术专家通过互联网经过用户授权获取设备的DAHMOS®数据信息，进行故障诊断，判定故障原因并给出解决方案。虽然这套系统仍然需要设备所在国家的本地工程师配合，但极大地提高了工作效率。

同上一级信息管理系统的互联互通

工业物联网是工业4.0 的实现途径，物联网的基本特征可概括为整体感知、可靠传输和智能处理。因此物联网上的每一个数据节点都需要具备实现这些功能的设备。压力机只是整个工厂的一个数据节点，这个数据节点的数据应该能够被用户编辑并选择性的传送到整个工厂的信息管理系统中，同用户的信息管理系统相融合。

因此，压力机的智能化基本功能之一就是能够同公司的企业管理系统对接，进行数据交换；更进一步的功能是能够对压力机本身采集的数据进行数据分析和数据挖掘，为公司的管理层提供数据支持。

计算机模拟辅助工艺系统

有限元模拟技术经过数十年的不断研发，其模拟时间、模拟准确度和模拟精度不断提高，已经成为优化锻造工艺、实现锻造自动化的有力工具。2012 年，辛北尔康普公司就提供给法国奥伯杜瓦公司一台高速快锻机，该压力机通过自带的计算机辅助锻造软件，实现了全自动化锻造。用户的工艺人员通过计算机辅助锻造软件建立道次表，压力机根据传送到PLC 中的道次表进行全自动锻造，实现了产品精度、质量的高度一致性。

无论是模锻还是自由锻，随着计算机技术的飞速发展，有限元网格化的时间已经从原来的几十小时缩短到如今的几小时或几十分钟。经过多年的实践及经验总结，促进了软件研发人员对工艺的理解，软件开始分化，针对不同的工艺产生了不同的处理计算方案。但“百川异源，而皆归于海”，各种模拟软件的最终目标就是达到尽量高的现实模拟度。实际上，现在很多计算机模拟软件的模拟结果已经同现实非常接近，如图3 所示。客户现场的应用反而成了“短板”，缺少能够熟练使用这些软件的技术人员。

新一代系统

经过几十年的发展，金属成形液压机在众多方面已经发展到了很高的水平：大型5 万吨模锻液压机的工艺平行精度媲美头发丝的细度，压制速度的控制精度达到制表工匠的精确度，成形过程中实现材料的应变速率控制。大型自由锻设备锻造精度±1mm，锻造频次达到每分钟110 次以上。发展到如此性能，进一步提高已经变得比较困难。随着性能提升越来越难，客户对压机的健康即运行的稳定性和维护需求也越来越重视，从压机本身进行“挖潜增效”势在必行。辛北尔康普的新一代系统就是围绕着这些需求和目标在逐步研发。

模拟软件同压力机的兼容接口

上面提到，计算机辅助锻造已经普遍为锻造企业所使用。现在市场上有众多知名辅助锻造软件，这些软件的最终模拟结果都需要转化为压力机上的成形工艺。因此，压力机的PLC 系统应能够使用这些众多知名软件的模拟结果和方案，这就对压力机为软件提供的接口的兼容性提出要求：无论是哪种软件的模拟结果，都可以通过该接口传送到压力机的PLC 系统，直接用于生产。

重要液压元件的工况监测系统

液压系统是大型液压机的心脏，为大型液压机提供动力。重要的液压系统元件例如主泵或者控制阀如果出现故障，对整个压机的性能影响非常大，并且不好诊断故障点。辛北尔康普针对重要液压元件的维护开发了液压工况监测系统。该系统一方面采用了额外的传感器技术，能够实现对主液压元件工况的动态监测及强制检测，另一方面在控制器内内置了智能评估准则和相应的可视化系统。因此，设备维护和操作人员能够从系统中得到部件的通用功能监测以及元件磨损的详细数据。

例如，对于主泵系统，除了会监控运转中当前磨损状况和泵的效率之外，该工况监测系统还可定期的在设备待机期间分别的自动测试每一台主泵以便在早期检测出主泵的任何微小故障和变化，通过早期错误检测来避免计划外的停机时间。

节能——按需供能

近年来，在锻造领域，特别是在大型热锻液压机领域，由于加热炉和热处理炉是整条生产线的耗能大户，所以用户一直盯着这个领域的节能技术，而忽视了压力机本身的能源消耗。辛北尔康普经过多年的研究，发现自由锻压力机运行期间，有25%到30%的时间处于停机空载运行（上下料等），而模锻压力机时间更长，有的时候高达50%的时间处于停机空载运行。这部分空载运行时间的电能消耗白白浪费掉了，数据分析如图4 所示。

针对这一现象，辛北尔康普开发了iPS®智能驱动系统（Intelligent Power System）。该系统通过硬件辅助加上软件控制，当压力机运行时，如果停歇时间超过设定时间时（可以设定很短，秒数级），主泵等设备的电机会自动关闭；当压力机需要开始锻造时，在几秒至几十秒的短时间内，主泵等设备的电机会达到正常转速，压力机开始正常锻造工作。关闭的电机重新开启时也不会产生大起动电流。这样就完美地解决了压力机空载运行的能源浪费问题。简而言之，压力机运行期间停歇时间越长，这套系统的节能效果越显著。

同时，针对加热冷却循环HCF 单元，这套系统也有相应的节能技术。系统会自动对液压油的清洁度进行监控，如果液压油的清洁度达到要求，则HCF单元自动关闭。如果清洁度达不到要求，HCF 单元自动开启进行循环过滤，而不会像传统液压机的HCF单元，一直保持持续运转。

图5 是通过DAHMOS®数据管理系统采集压力机数据生成的节能效果比较图，可以看到，除了控制系统的电机没有变化外，主泵、供油泵、HCF 单元都会根据压力机的停歇时间关闭和打开，实现节能的目的。

结束语

无论是当代系统还是新一代系统，都是辛北尔康普根据工业革命的理念和市场的需求不断研发的结果。这些系统已经在全世界范围内落地开花，效果也已经“初露端倪”。工业4.0 下，设备智能化的研发仍在如火如荼的开展，为客户打造更为强大的核心竞争力，实现更高的利润率是设备提供商一直追求的终极目标。液压机作为重要的金属成形设备，期待有更多、更深层次的智能化应用技术不断出现。