锻压控制系统节能设计

2023-05-06孙力太重天津滨海重型机械有限公司

锻造与冲压 2023年9期

文／孙力·太重（天津）滨海重型机械有限公司

工业系统生产运行的核心目标是在保证质量的情况下尽可能的加快生产效率和降低能耗，这几个要素直接影响着工业生产的成本、效益。因此，如何在最低能耗下，高效率的生产出高质量产品成为整个社会追求的目标。本文根据近几年的现场调试经验及控制系统设计理论，提出了锻压控制系统的节能设计，改进以往在液压泵未投入时电机依旧满速旋转的情况，提出通过液压系统的目标流量或者目标压力控制电机转速的方案，使其在最低耗能下满足系统需求的速度控制或者压力控制，在液压泵未投入时，电机以最小的速度空转，最终高效率地生产出合格产品。

现阶段，锻压控制系统的驱动形式为电力驱动电机→电机驱动液压泵→液压泵驱动油缸执行机构实现系统部件动作，生产过程中，液压泵经常在满速空转，在对系统进行保压控制时，习惯使用液压泵给出大流量，再通过比例压力阀高压溢流的方式控制。虽然满足了生产控制要求，但也耗费了大量能量，对一些控制器件产生了较大的磨损，影响了其使用寿命。

锻压控制系统的节能设计

锻压控制系统的能量消耗大部分用于电机旋转，在生产运行过程中，电机的全速旋转、液压元件内部泄漏、截流、液压管道阻力、高压溢流等都会产生不必要的能量损耗，因为阻力、溢流等原因，大量的液压油机械能转换为热能，导致油箱温度升高，对系统毫无益处，因此，对于控制系统电气设计而言，我们可以尝试在控制系统设计、调试时降低电机的功率消耗，减少高压溢流量，以最低的功耗达到我们的控制要求。

根据电机的功率、转速的关系，电机的额定功率Pn=Tnnn，其中，Tn为额定转矩，nn为额定转速。

在转矩恒定的情况下，电机功率与转速成正比，电机转速n=60f/p，其中，f 为电源频率，p 为电机极对数。

在电机转矩恒定的情况下，可以通过降低电机的频率来降低功率以达到节能的目的，因此，可在电机控制设计中加入变频器来控制电机的频率(图1)。

图1 变频器驱动电机图

液压泵未投入时的节能

锻压系统在生产过程中，有部分液压泵在某一阶段未投入使用，而驱动液压泵的电机一直处于全速旋转的状态，即电机在很长时间内处于空转状态，其间，泵头阀处于打开状态，关联该液压泵的管道无压，液压泵将吸入的油传送回油箱，虽然促进了液压油的循环，但做了无用的工作，浪费了大量的电能，且因油液循环、摩擦产生了大量的热而不得不启动油液冷却，导致了能量的二次浪费。

锻压控制系统对设备响应的即时性要求较高，如果将该部分未使用的电机关闭，需要时再次启动，因为电机启动时间、启动电流的影响，电机无法及时全速旋转，无法满足系统对即时性的要求，所以该部分电机不能因为暂时不用而关闭，因此在电机控制系统中加入变频器以控制电机转速，当该电机驱动的液压泵未投入时，给定该电机一个较低的频率(20Hz)使其低功率旋转，当需要这部分液压泵时，该转速可迅速响应达到满速状态，计算得到电机实际功率P=20Pn/50=0.4Pn。

在液压泵未投入时，电机旋转近似处于零力矩状态，当电机以20Hz 的频率旋转时，其能耗仅为原能耗的40%，实践证明，该方式可节省约50%的能量，在实际应用中我们也发现，当电机在20Hz 低功率旋转时，可快速响应切换至满速状态，驱动液压泵旋转，满足控制系统对响应即时性的要求。

速度控制过程的节能

在锻压设备挤压过程中，操作工会通过上位机给定设备挤压速度，在进行速度控制时，我们常常根据液压泵样本得出液压泵流量与压力的关系，通过计算、函数等尽可能给出比较精确的开环流量，设备在挤压时，电机处于满速旋转状态、PLC 给定液压泵偏角来实现速度开环给定，最后根据实际速度与目标速度的偏差来闭环控制速度，可以看出，上述方法需要查询资料，有大量的编程工作，在节能方面也有待提高。

目前，市场上已经存在一种泵头阀，其工作原理是可控制输出流量的大小，并根据流量给定及反馈调节其偏角的大小，同时反馈回控制系统液压泵需要的电机转速，因此，在实际生产过程中我们可以使用以下步骤实现目标控制：

⑴PLC 给定液压泵阀控器流量命令；

⑵阀控器向PLC 反馈所需要的电机转速；

⑶PLC 给定变频器转速命令。

在生产使用中，我们发现该控制方式根据液压泵阀控器自身的流量偏角反馈实现流量的闭环控制，简化了调试人员的编程工作，并且可以给出其需要的电机转速，这种控制方式操作简单，调试工程师仅需给定其需要的流量，液压泵头阀控制系统便可以自行调节偏角并告知控制系统其需要的驱动电机转速，其速度控制精度较高，控制方法简单，且电机以一个合适、较低的转速旋转，节省了大量能源，避免了过大的转速浪费，在节能的同时提高了速度控制的精度，降低了调试人员的工作量，避免了生产过程中可能出现的差错，提高了设备的稳定性。

压力控制过程的节能

在锻压机械生产中，我们经常会使用压力控制，例如炭素挤压机的保压过程、立式轮毂压力机的保压过程等，常规的做法是使电机一直处于满速旋转的状态，首先使用速度控制给系统增压，当压力达到目标压力后给液压泵头阀一个恒定的偏角，给定执行机构比例压力阀目标压力，通过比例压力阀高压溢流实现压力控制，这种方式虽然达到了对系统的保压要求，但电机处于满速旋转状态，液压泵头阀输出较大的流量，因为高压溢流，系统产生了大量的热量，浪费了大量的能量，影响系统的稳定性，使阀块产生了较大的磨损，且压力控制的准确程度受限于比例压力阀的精确度，比例压力阀存在偏差、磨损，因此控制精度也不是很高。

液压泵的功率P=ΔP·Q/612，其中，P 为液压泵功率；ΔP 为液压泵压力差；Q 为泵输出流量。

在压力控制过程中，液压泵压力差ΔP 为一个定值，因此，如何减少流量损失、减少高压溢流，即如何降低泵输出流量Q 便成为实现节能的关键。

在生产运行过程中，执行机构油缸与液压泵头阀是相通的，压力相等，我们可以使用液压泵头阀的压力控制实现系统压力控制，该液压泵头阀系统在压力控制激活时，自行调节其输出偏角以保证输出压力的恒定，保压过程中，其输出偏角极小，且具有极少的高压溢流，泵头输出的流量极小，因此降低功率消耗，达到节能目的，可以通过以下方式实现：

⑴使用合适的泵头阀，给泵头阀接入压力传感器，使其可以进行压力控制；

⑵给执行机构比例压力阀一个相对较大的值；

⑶在系统增压过程中使用液压泵流量控制；

⑷当系统达到目标压力后，取消液压泵的流量控制，激活压力控制。

经过多次实验，我们得出保压过程中保压压力与液压泵输出流量，见表1。

表1 保压压力与液压泵输出流量

在本次生产实践中，我们使用电压信号给定液压泵头压力、流量，信号在传输过程中会有一定的损耗，所以导致给定压力与实际压力有一定的偏差，但可以看出压力输出非常稳定，通过使用液压泵的压力控制，在达到控制要求的同时，降低了液压泵流量的输出，执行机构的比例压力阀不存在溢流现象，减少了系统的发热量，达到了节能的目的，且其压力控制精度不受比例压力阀精度的影响，控制精度比较准确。