橡膠機(jī)械行業(yè)液電系統(tǒng)集成(工程)技術(shù)

曹常貞

(煙臺(tái)未來自動(dòng)裝備有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 413000)

橡膠機(jī)械行業(yè)液電系統(tǒng)集成(工程)技術(shù)

Hydraulic and electric system integration (engineering) technology for rubber machinery industry

曹常貞

(煙臺(tái)未來自動(dòng)裝備有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 413000)

曹常貞，生于1972年，煙臺(tái)未來自動(dòng)裝備有限責(zé)任公司副總裁，總工程師，液壓氣動(dòng)高級(jí)工程師，從事液壓氣動(dòng)專業(yè)技術(shù)工作20年，對(duì)氣動(dòng)和液壓節(jié)能控制技術(shù)有較多的研究和應(yīng)用。

編者按：國(guó)家提出的“中國(guó)制造2025”發(fā)展綱要，重在促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的提升。煙臺(tái)未來做為我國(guó)的自主民族品牌，在橡膠機(jī)械行業(yè)的配套件制造業(yè)中，一直默默耕耘，持續(xù)創(chuàng)新，致力于為各大橡膠機(jī)械廠提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，得到了用戶的認(rèn)可。在此，本刊邀請(qǐng)到煙臺(tái)未來自動(dòng)裝備有限責(zé)任公司的技術(shù)總監(jiān)曹常貞先生，為我們剖析其產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)所在，希望對(duì)相關(guān)從業(yè)人員有所幫助。

煙臺(tái)未來自動(dòng)裝備有限責(zé)任公司始建于1973年。系山東省、遼東半島各大橡膠機(jī)械廠的戰(zhàn)略合作伙伴，為硫化機(jī)、壓延機(jī)、密煉機(jī)、開煉機(jī)、成型機(jī)、大型造粒機(jī)、輪胎里程試驗(yàn)機(jī)配套各類液壓（電氣）系統(tǒng)集成，并提供工程技術(shù)服務(wù)。

1 橡膠機(jī)械液壓節(jié)能控制技術(shù)淺析

橡膠機(jī)械大多數(shù)都采用液電控制技術(shù),以液壓硫化機(jī)為例 ,液壓硫化機(jī)液壓控制有四個(gè)方面主需求：

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用力；

（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度；

（3）液壓設(shè)備裝機(jī)功率；

（4）液壓控制可靠性及消耗。

在壓力、流量、功率方面大家普遍采取的是“富裕多，怕不足 ”,造成了系統(tǒng)裝機(jī)功率遠(yuǎn)超需求,損耗大。

針對(duì)需求與關(guān)注焦點(diǎn)，液壓節(jié)能控制技術(shù)的趨勢(shì)是：從常規(guī)的閥控制技術(shù)和泵控制技術(shù)趨向于閥控技術(shù)和泵控技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將壓力和流量的控制通過對(duì)泵的控制來實(shí)現(xiàn),達(dá)到“按需所控”的境界。傳統(tǒng)的硫化機(jī)液壓控制為恒壓變量泵+比例閥控制技術(shù),控制技術(shù)特點(diǎn)為:

（1）恒壓變量泵在進(jìn)入恒壓點(diǎn)前為定量泵運(yùn)轉(zhuǎn) ；

（2）系統(tǒng)能耗相對(duì)偏高，裝機(jī)功率高 ；

（3）比例閥調(diào)速引起較多油溢流 ,系統(tǒng)發(fā)熱；

（4）系統(tǒng)對(duì)液壓油清潔度要求高，維護(hù)更換費(fèi)用多 。

在恒壓變量泵+比例閥控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用發(fā)展起來雙比例變量泵控制技術(shù),該控制技術(shù)的特點(diǎn)為:

（1）功率消耗低,裝機(jī)功率減小 ；

（2）系統(tǒng)發(fā)熱降低,元件使用壽命延長(zhǎng),冷卻水消耗減少 ；

（3）能量消耗減少,系統(tǒng)效率提高 ；

（4）可通過壓力流量反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 。

最新的控制趨勢(shì)是伺服泵+伺服電機(jī)的控制技術(shù),是真正意義上的壓力、流量“按需所控”。

2 液壓技術(shù)改造應(yīng)用分析

機(jī)械雙模輪胎定型硫化機(jī)改造為半機(jī)械半液壓系統(tǒng)。

（1）排量調(diào)節(jié)變量泵在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變和負(fù)載壓力升高時(shí)影響泵的泄漏，泵的流量不能保持恒定。以泵的實(shí)際輸出流量作為控制目標(biāo)的變量泵，稱為恒流量調(diào)節(jié)泵，利用比例控制元件實(shí)現(xiàn)上述目的時(shí)，除了給定信號(hào)下泵輸出相應(yīng)的恒定流量而與負(fù)載或轉(zhuǎn)速無關(guān)外，還能通過信號(hào)的調(diào)節(jié)使流量按一定規(guī)律變化，以適應(yīng)負(fù)載速度控制的要求。

（2）這種泵工作時(shí)，若系統(tǒng)壓力低于調(diào)定壓力，則按定量泵工作而提供最大流量；若系統(tǒng)壓力達(dá)到調(diào)定壓力，則按變量泵工作，流量隨負(fù)載而變，其出口壓力與流量無關(guān)；若系統(tǒng)壓力大于調(diào)定壓力，則泵的流量迅速下降，能在系統(tǒng)各處泄漏的情況下，維持壓力為調(diào)定值。采用壓力調(diào)節(jié)變量泵有顯著的節(jié)能效果。

（3）電子閉環(huán)控制軸向柱塞泵可對(duì)壓力、流量、功率進(jìn)行連續(xù)閉環(huán)控制，控制精度小于0.2%（傳統(tǒng)比例閥控制精度為2%），并具有很好的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，如果采用新型電子閉環(huán)控制柱塞泵，只要一個(gè)泵就可替代原有多個(gè)元件，不僅實(shí)現(xiàn)比例調(diào)速、比例調(diào)壓還能實(shí)現(xiàn)比例功率調(diào)節(jié)。對(duì)于小流量、小功率的工藝，應(yīng)用常規(guī)的元件，需要通過溢流閥溢掉多余的油液，這不僅造成能源浪費(fèi)，還會(huì)帶來系統(tǒng)發(fā)熱，降低泵的容積效率，增加泄漏，對(duì)系統(tǒng)是非常不利的。若改用這種新型的電子閉環(huán)控制軸向柱塞泵后，可實(shí)現(xiàn)恒功率控制。

（4）電子閉環(huán)控制軸向柱塞泵是由多種元件疊加復(fù)合在軸向柱塞泵上形成的組合體。根據(jù)使用環(huán)境、使用方法不同，有多種控制系統(tǒng)，但一般由軸向柱塞泵、壓力傳感器、放大器、預(yù)加載閥等元件組成。

壓力傳感器測(cè)量值為壓力實(shí)測(cè)值，與放大器的設(shè)定值比較后，輸出信號(hào)控制泵。位置控制與壓力控制相同。預(yù)加載閥為可選項(xiàng)，主要功用是在泵口建立2 MPa以上控制壓力，控制泵的斜盤傾角改變，達(dá)到變量的目的。如果沒有選擇預(yù)加載閥，則需要有大于2 MPa的外部控制油壓，或在泵出口增加一個(gè)2 MPa以上的外控順序閥。若沒有預(yù)加載閥，也沒在泵口建立2 MPa以上壓力，泵將沒法正常運(yùn)行。

3 液壓式雙模輪胎定型硫化機(jī)液壓伺服節(jié)能系統(tǒng)

3.1 液壓伺服控制技術(shù)特點(diǎn)

伺服或變頻電機(jī)+伺服泵:

（1）節(jié)能:驅(qū)動(dòng)功率降低40%左右；

（2）降耗:按需供油,液壓油溫升小,不易老化,延長(zhǎng)使用周期50%以上；

（3）閉環(huán)：可通過壓力流量反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 。

3.2 液壓伺服成套解決方案

PHASE專用驅(qū)動(dòng)器+PHASE伺服電機(jī)+內(nèi)嚙合齒輪泵（單泵或者雙聯(lián)泵）。

3.3 工作原理

交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨上位機(jī)電腦給定到驅(qū)動(dòng)器的壓力、流量指令而變化，以此來控制油泵的輸出壓力和流量。

壓力控制通過油泵上的壓力傳感器信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制，流量控制通過交流伺服電機(jī)控制油泵的轉(zhuǎn)速來改變油泵的排出流量。

伺服控制是一種按需供油,外圍加了兩組閉環(huán)（壓力傳感器和速度傳感器）的節(jié)能/精密/高效/環(huán)保的控制方式。

3.4 伺服驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)

3.4.1 高可靠、高穩(wěn)定

（1）電磁兼容設(shè)計(jì)，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

（2）寬電壓范圍設(shè)計(jì)，適應(yīng)多種電網(wǎng)環(huán)境。

（3）全系列伺服化設(shè)計(jì)，完全適應(yīng)液壓硫化機(jī)高動(dòng)態(tài)、高強(qiáng)度負(fù)荷運(yùn)行。

（4）75 kW（含）以下驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置制動(dòng)單元，便于安裝配線，可靠性更高。

（5）完全適應(yīng)液壓硫化機(jī)潮濕、環(huán)境溫度高等惡劣工作環(huán)境。

（6）電機(jī)溫度檢測(cè)與保護(hù)、壓力傳感器電源故障保護(hù)，有效保證液壓硫化機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3.4.2 簡(jiǎn)單化參數(shù)設(shè)置

（1）出廠經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，即能滿足90%以上現(xiàn)場(chǎng)工況要求。

（2）出廠經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，即能滿足90%以上現(xiàn)場(chǎng)工況要求。

（3）多種電機(jī)調(diào)諧方式可選。

（4）操作面板豐富的參數(shù)顯示。

（5）多組PI自動(dòng)切換，有效地控制系統(tǒng)的響應(yīng)及超調(diào)。

（6）便捷的PC TOOLING調(diào)試軟件。

3.4.3 高節(jié)電率

高保留液壓硫化機(jī)原有控制方式油路大體不變，采用先進(jìn)的微電腦控制技術(shù)，使定量泵變?yōu)楣?jié)能型變量泵，液壓硫化機(jī)液壓系統(tǒng)與整機(jī)運(yùn)行所需要的功率相匹配，無高壓節(jié)流溢流能量之損失，提高油泵電機(jī)功率因素至0.96以上，節(jié)電率一般可達(dá)40%~60%。

3.4.4 超強(qiáng)的過載能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度

采用先進(jìn)的矢量控制算法和獨(dú)特的限流技術(shù)，確保在動(dòng)作過程中，能承受啟停重負(fù)載的沖擊而不跳閘，以確保生產(chǎn)過程的連續(xù)性。高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，最大限度減小制品成形周期的延遲現(xiàn)象。

4 電液伺服系統(tǒng)的變革

把PQ開環(huán)控制轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制，用高精度高響應(yīng)的永磁同步電機(jī)代替異步機(jī)，從而促進(jìn)了電液工業(yè)技術(shù)水平提升到一個(gè)新高度（參見圖1）。

圖1 PQ閉環(huán)控制示意圖

4.1 節(jié)能

（1）電機(jī)節(jié)能

三相交流異步電機(jī)，法拉第電磁感應(yīng)原理，消耗高，功率因數(shù)低于0.85，轉(zhuǎn)子材料采用普通的鑄鋁鼠籠條，功率密度低。

交流永磁同步電機(jī)，磁場(chǎng)相互作用，基本無消耗，功率因數(shù)高于0.95，轉(zhuǎn)子材料采用釹鐵硼稀土永磁體，功率密度高。

原異步機(jī)比伺服電機(jī)能耗高出5%~10%。

（2）工藝節(jié)能

由油壓公式：P功率=P壓力×Q排量×N轉(zhuǎn)速/60可知，液壓功率跟液壓壓力、油泵排量、電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，而功率的時(shí)間積累就是能耗，即：

W液壓能耗=P功率×T，在壓力不變的情況下，有效地改變電機(jī)轉(zhuǎn)速或油泵排量就可以達(dá)到節(jié)能。原有的定量泵系統(tǒng)，由于一直處于全流量，存在能源浪費(fèi)。

4.2 高效環(huán)保

采用該控制技術(shù)，對(duì)液壓油的清潔度等級(jí)要求可降低兩個(gè)等級(jí)，液壓油換油周期相比比例系統(tǒng)可延長(zhǎng)2倍。

以我們所做的一個(gè)案例實(shí)測(cè)為例，做一下簡(jiǎn)單說明。

地點(diǎn)：某橡機(jī)廠設(shè)備；

測(cè)試機(jī)型：液壓輪胎硫化機(jī)。

與恒壓變量泵系統(tǒng)比較，測(cè)試數(shù)據(jù)達(dá)到節(jié)能30%以上。

5 EPC服務(wù)及控制愿景

5.1 互聯(lián)網(wǎng)+功能實(shí)現(xiàn)

（1）通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可編程控制器遠(yuǎn)程智控，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的程序上下載，調(diào)試，畫面監(jiān)控，設(shè)備遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)。

（2）各PLC運(yùn)行參數(shù)均可監(jiān)測(cè)。

（3）通過手機(jī)微信/網(wǎng)頁/APP控制PLC，通過參數(shù)調(diào)整來控制外圍設(shè)備的動(dòng)作，均可遠(yuǎn)程啟?？刂?。

（4）與上位軟件配合在服務(wù)器中，定時(shí)存儲(chǔ)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、事件報(bào)警信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通訊回到運(yùn)行中心，則可以建立各項(xiàng)參數(shù)預(yù)警保障機(jī)制。同時(shí)支持各類信息查詢，可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)生成報(bào)表，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，支持打印輸出。

（5）互聯(lián)網(wǎng)+通訊系統(tǒng)，通過3G/4G手機(jī)卡，網(wǎng)線直接與設(shè)備PLC通訊。

5.2 與目前設(shè)備維護(hù)對(duì)比

（1）節(jié)省差旅費(fèi)用 、人力成本；

（2）減少現(xiàn)場(chǎng)停產(chǎn)損失 ，實(shí)時(shí)維護(hù)避免停機(jī)帶來的危及設(shè)備安全、人身安全， 提升客戶滿意度 ；

（3）售后遠(yuǎn)程服務(wù)， 高效而輕松 。

煙臺(tái)未來，為您提供系統(tǒng)的液壓（電氣）技術(shù)解決方案。通過共同研發(fā)、聯(lián)合制造、知識(shí)產(chǎn)權(quán)共有的方式、為用戶產(chǎn)品提供全生命周期服務(wù)。

主要論述了液壓硫化機(jī)上應(yīng)用的液電控制技術(shù)。包括在這一領(lǐng)域的液電系統(tǒng)特點(diǎn)，以及針對(duì)這一領(lǐng)域?qū)υ摷夹g(shù)進(jìn)行的一些技術(shù)改造升級(jí)，包括把以前的開環(huán)控制改為閉環(huán)控制，升級(jí)后的液電系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

橡膠；機(jī)械；液電；伺服；節(jié)能；控制；系統(tǒng)

（R-02）

TH137.3

1009-797X(2016)07-0001-04

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.07.001