鍛壓控制系統節能設計

文／孫力·太重（天津）濱海重型機械有限公司

工業系統生產運行的核心目標是在保證質量的情況下盡可能的加快生產效率和降低能耗，這幾個要素直接影響著工業生產的成本、效益。因此，如何在最低能耗下，高效率的生產出高質量產品成為整個社會追求的目標。本文根據近幾年的現場調試經驗及控制系統設計理論，提出了鍛壓控制系統的節能設計，改進以往在液壓泵未投入時電機依舊滿速旋轉的情況，提出通過液壓系統的目標流量或者目標壓力控制電機轉速的方案，使其在最低耗能下滿足系統需求的速度控制或者壓力控制，在液壓泵未投入時，電機以最小的速度空轉，最終高效率地生產出合格產品。

現階段，鍛壓控制系統的驅動形式為電力驅動電機→電機驅動液壓泵→液壓泵驅動油缸執行機構實現系統部件動作，生產過程中，液壓泵經常在滿速空轉，在對系統進行保壓控制時，習慣使用液壓泵給出大流量，再通過比例壓力閥高壓溢流的方式控制。雖然滿足了生產控制要求，但也耗費了大量能量，對一些控制器件產生了較大的磨損，影響了其使用壽命。

鍛壓控制系統的節能設計

鍛壓控制系統的能量消耗大部分用于電機旋轉，在生產運行過程中，電機的全速旋轉、液壓元件內部泄漏、截流、液壓管道阻力、高壓溢流等都會產生不必要的能量損耗，因為阻力、溢流等原因，大量的液壓油機械能轉換為熱能，導致油箱溫度升高，對系統毫無益處，因此，對于控制系統電氣設計而言，我們可以嘗試在控制系統設計、調試時降低電機的功率消耗，減少高壓溢流量，以最低的功耗達到我們的控制要求。

根據電機的功率、轉速的關系，電機的額定功率Pn=Tnnn，其中，Tn為額定轉矩，nn為額定轉速。

在轉矩恒定的情況下，電機功率與轉速成正比，電機轉速n=60f/p，其中，f 為電源頻率，p 為電機極對數。

在電機轉矩恒定的情況下，可以通過降低電機的頻率來降低功率以達到節能的目的，因此，可在電機控制設計中加入變頻器來控制電機的頻率(圖1)。

圖1 變頻器驅動電機圖

液壓泵未投入時的節能

鍛壓系統在生產過程中，有部分液壓泵在某一階段未投入使用，而驅動液壓泵的電機一直處于全速旋轉的狀態，即電機在很長時間內處于空轉狀態，其間，泵頭閥處于打開狀態，關聯該液壓泵的管道無壓，液壓泵將吸入的油傳送回油箱，雖然促進了液壓油的循環，但做了無用的工作，浪費了大量的電能，且因油液循環、摩擦產生了大量的熱而不得不啟動油液冷卻，導致了能量的二次浪費。

鍛壓控制系統對設備響應的即時性要求較高，如果將該部分未使用的電機關閉，需要時再次啟動，因為電機啟動時間、啟動電流的影響，電機無法及時全速旋轉，無法滿足系統對即時性的要求，所以該部分電機不能因為暫時不用而關閉，因此在電機控制系統中加入變頻器以控制電機轉速，當該電機驅動的液壓泵未投入時，給定該電機一個較低的頻率(20Hz)使其低功率旋轉，當需要這部分液壓泵時，該轉速可迅速響應達到滿速狀態，計算得到電機實際功率P=20Pn/50=0.4Pn。

在液壓泵未投入時，電機旋轉近似處于零力矩狀態，當電機以20Hz 的頻率旋轉時，其能耗僅為原能耗的40%，實踐證明，該方式可節省約50%的能量，在實際應用中我們也發現，當電機在20Hz 低功率旋轉時，可快速響應切換至滿速狀態，驅動液壓泵旋轉，滿足控制系統對響應即時性的要求。

速度控制過程的節能

在鍛壓設備擠壓過程中，操作工會通過上位機給定設備擠壓速度，在進行速度控制時，我們常常根據液壓泵樣本得出液壓泵流量與壓力的關系，通過計算、函數等盡可能給出比較精確的開環流量，設備在擠壓時，電機處于滿速旋轉狀態、PLC 給定液壓泵偏角來實現速度開環給定，最后根據實際速度與目標速度的偏差來閉環控制速度，可以看出，上述方法需要查詢資料，有大量的編程工作，在節能方面也有待提高。

目前，市場上已經存在一種泵頭閥，其工作原理是可控制輸出流量的大小，并根據流量給定及反饋調節其偏角的大小，同時反饋回控制系統液壓泵需要的電機轉速，因此，在實際生產過程中我們可以使用以下步驟實現目標控制：

⑴PLC 給定液壓泵閥控器流量命令；

⑵閥控器向PLC 反饋所需要的電機轉速；

⑶PLC 給定變頻器轉速命令。

在生產使用中，我們發現該控制方式根據液壓泵閥控器自身的流量偏角反饋實現流量的閉環控制，簡化了調試人員的編程工作，并且可以給出其需要的電機轉速，這種控制方式操作簡單，調試工程師僅需給定其需要的流量，液壓泵頭閥控制系統便可以自行調節偏角并告知控制系統其需要的驅動電機轉速，其速度控制精度較高，控制方法簡單，且電機以一個合適、較低的轉速旋轉，節省了大量能源，避免了過大的轉速浪費，在節能的同時提高了速度控制的精度，降低了調試人員的工作量，避免了生產過程中可能出現的差錯，提高了設備的穩定性。

壓力控制過程的節能

在鍛壓機械生產中，我們經常會使用壓力控制，例如炭素擠壓機的保壓過程、立式輪轂壓力機的保壓過程等，常規的做法是使電機一直處于滿速旋轉的狀態，首先使用速度控制給系統增壓，當壓力達到目標壓力后給液壓泵頭閥一個恒定的偏角，給定執行機構比例壓力閥目標壓力，通過比例壓力閥高壓溢流實現壓力控制，這種方式雖然達到了對系統的保壓要求，但電機處于滿速旋轉狀態，液壓泵頭閥輸出較大的流量，因為高壓溢流，系統產生了大量的熱量，浪費了大量的能量，影響系統的穩定性，使閥塊產生了較大的磨損，且壓力控制的準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。

在壓力控制過程中，液壓泵壓力差ΔP 為一個定值，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 便成為實現節能的關鍵。

在生產運行過程中，執行機構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現系統壓力控制，該液壓泵頭閥系統在壓力控制激活時，自行調節其輸出偏角以保證輸出壓力的恒定，保壓過程中，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，達到節能目的，可以通過以下方式實現：

⑴使用合適的泵頭閥，給泵頭閥接入壓力傳感器，使其可以進行壓力控制；

⑵給執行機構比例壓力閥一個相對較大的值；

⑶在系統增壓過程中使用液壓泵流量控制；

⑷當系統達到目標壓力后，取消液壓泵的流量控制，激活壓力控制。

經過多次實驗，我們得出保壓過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

在本次生產實踐中，我們使用電壓信號給定液壓泵頭壓力、流量，信號在傳輸過程中會有一定的損耗，所以導致給定壓力與實際壓力有一定的偏差，但可以看出壓力輸出非常穩定，通過使用液壓泵的壓力控制，在達到控制要求的同時，降低了液壓泵流量的輸出，執行機構的比例壓力閥不存在溢流現象，減少了系統的發熱量，達到了節能的目的，且其壓力控制精度不受比例壓力閥精度的影響，控制精度比較準確。

展望

本文提出的鍛壓控制系統節能設計在實踐中比傳統鍛壓控制系統更高效、更節能，在工廠生產使用中，三個月節省的電費即可購買這一套節能系統，可以大幅降低工廠生產運行的成本，增加企業收益。本文描述的控制系統依舊有很大的提升空間，節能是一個永恒的話題，將來會出現更多、更節能的控制系統。