中船重工第七一五研究所 顧海東

集中液壓油源的分布式控制研究

中船重工第七一五研究所 顧海東

集中液壓油源是一種專用的液壓能源裝置，可為系統(tǒng)所有液壓執(zhí)行器和控制器提供壓力油源，在工業(yè)過程中具有非常廣泛的用途。集中液壓油源裝機(jī)容量大、能量消耗大、發(fā)熱量大、需要的輔助循環(huán)和制冷裝置也需要消耗大量的能源。本文針對特大型集中液壓油源的監(jiān)控進(jìn)行研究，提出了一種集中液壓油源的分布式監(jiān)控方案和節(jié)能控制策略，可以實(shí)現(xiàn)液壓站自適應(yīng)供油節(jié)能控制和冷卻回路的智能控制。本文技術(shù)方案在實(shí)際液壓站的監(jiān)控過程中具有非常好的技術(shù)性能，節(jié)能效果顯著、控制操作簡便，支持遠(yuǎn)程移動監(jiān)控。

液壓油源；監(jiān)控；節(jié)能；自適應(yīng)控制

1.前言

集中液壓油源是某些大型液壓系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，主要實(shí)現(xiàn)為所有的液壓部件提供動力油源，是液壓自動化系統(tǒng)的重要組成部分。國內(nèi)某些大型的集中液壓油源總裝機(jī)功率接近5000KW,包含了10～20臺200KW及以上的大功率電機(jī)；集中液壓油源消耗功率大、運(yùn)行工況復(fù)雜，必須進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制。在傳統(tǒng)模式的集中液壓油源操作和監(jiān)控過程中，操控和監(jiān)視過程非常繁瑣、勞動強(qiáng)度大、人為導(dǎo)致的故障和錯誤較多、系統(tǒng)輔助和準(zhǔn)備時間長、自動化程度較低；隨著自動化技術(shù)和分布式監(jiān)測控制技術(shù)的發(fā)展，建立完整、統(tǒng)一的集中液壓油源分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓泵、電機(jī)的運(yùn)行控制、油液/油位監(jiān)測、輔助設(shè)備監(jiān)測和控制、工作裝置接口監(jiān)測和控制、冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行與管理等功能，對于集中液壓油源非常重要。以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)集中液壓油源的全面自動化、節(jié)能和高效運(yùn)行已經(jīng)具備成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。

針對液壓油源，實(shí)現(xiàn)液壓油源的集中監(jiān)測和自動控制，可在如下方面體現(xiàn)出良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：1）實(shí)現(xiàn)大型液壓站的無人值守和自動巡檢，有效降低人員成本；實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動控制，減少工人勞動強(qiáng)度；減少崗位用工，提高全員效率；2）減少可能存在的人工操作失誤，延長設(shè)備使用壽命；提高對設(shè)備的故障分析和判斷能力，減少停機(jī)事故。3）提供一個高速、安全、可靠的管理平臺；提高整體集成水平，發(fā)揮自動化系統(tǒng)的綜合管理效益；提高安全生產(chǎn)管理和調(diào)度水平。4）通過分布式控制、智能決策和調(diào)度，可以提高集中液壓站節(jié)能效果，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命。

結(jié)合多個集中液壓站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，本文將提出一種較為通用的集中液壓站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式。首先介紹系統(tǒng)整體方案，然后分別介紹液壓站節(jié)能和分布式移動監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)方案。

2.控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

針對典型的集中液壓站，可以采用一種分層遞階的控制結(jié)構(gòu)（圖1），系統(tǒng)分為傳感器與執(zhí)行器層、過程控制層、協(xié)同控制層、集中管理層、遠(yuǎn)程控制層五層。

傳感器和執(zhí)行器層主要包括：液位計(jì)、溫度計(jì)、軟啟動器、過濾器、行程開關(guān)、電磁閥等各種傳感器件和泵、閥等執(zhí)行器件。

過程控制層包括PLC主站、遠(yuǎn)程IO分站等，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的采集，并負(fù)責(zé)傳達(dá)集中控制信號至現(xiàn)場設(shè)備；各遠(yuǎn)程IO分站通過其現(xiàn)場總線采集各自所控制設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對分系統(tǒng)設(shè)備的控制。如：循環(huán)油泵、冷卻系統(tǒng)、用油工作裝置（工位閥臺）、執(zhí)行器或其它工作裝置等。

協(xié)同控制層實(shí)現(xiàn)對集中液壓站系統(tǒng)的集中統(tǒng)一控制，根據(jù)用戶的輸入請求，對控制任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃分解，并協(xié)調(diào)過程控制層實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制任務(wù)；協(xié)同控制層還完成對液壓站系統(tǒng)的集中統(tǒng)一的狀態(tài)參數(shù)采集、評價和故障識別與處理等功能。

集中管理層實(shí)現(xiàn)對集中液壓站的集中配置、管理、統(tǒng)計(jì)分析和報表輸出等功能，同時集中存儲液壓站工作過程的歷史數(shù)據(jù)和設(shè)置、標(biāo)定參數(shù)、用戶分類管理數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；還提供對遠(yuǎn)程監(jiān)視控制終端的基礎(chǔ)服務(wù)功能，使用戶通過遠(yuǎn)程服務(wù)控制終端（手機(jī)、平板電腦等）完成對液壓站系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理。

遠(yuǎn)程控制層主要實(shí)現(xiàn)用戶通過公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對集中液壓站的監(jiān)視、控制、管理、配置、統(tǒng)計(jì)分析?？梢燥@示實(shí)時/歷史曲線、現(xiàn)場照片和各種運(yùn)行數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制層與集中管理中心的數(shù)據(jù)一般需要加密傳輸，以保證數(shù)據(jù)安全、裝備安全。

圖1 液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.液壓站自適應(yīng)供油節(jié)能控制

集中液壓站采用了集中供油的方式，實(shí)際使用過程中各個用油工作裝置需要根據(jù)工作需要請求開展作業(yè)所需要的壓力和流量。集中液壓站控制系統(tǒng)則根據(jù)各用油工作裝置提供的供油需求確定并分解各個供油支路的壓力和流量，最終控制泵閥動作，實(shí)現(xiàn)所需的壓力和流量供給。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，集中液壓站支持多個工作裝置同時用油，各工作裝置實(shí)際所需要的壓力和流量是與其執(zhí)行的控制動作有密切關(guān)系的，實(shí)際開展測試控制任務(wù)所需要的流量、壓力一般是一個動態(tài)變化過程，絕大數(shù)時候系統(tǒng)所需要的實(shí)際供油壓力和流量遠(yuǎn)低于請求的供油壓力和流量（工作裝置一般根據(jù)一個階段的供油需要的最大值提出調(diào)節(jié)申請，也只有這樣才能保證裝置能夠完成其工作任務(wù)）；然而，由于集中液壓站和用油工作裝置分別被不同的控制系統(tǒng)所控制，所以當(dāng)集中液壓站持續(xù)按照所請求的流量、壓力參數(shù)對外供油時會導(dǎo)致不必要的能源損失。為此，可為集中液壓站設(shè)計(jì)一種針對自適應(yīng)供油控制的策略。

自適應(yīng)供油控制策略可用圖2表示，在實(shí)際供油控制過程中，集中液壓站控制系統(tǒng)以各個工作回路所請求的最大流量和最大壓力參數(shù)為參考，同時監(jiān)視液壓系統(tǒng)的溢流壓力損失、各工位的實(shí)際工作流量和工作壓力；在預(yù)測各工作回路短時（一般1～2秒內(nèi)）的工作流量和工作壓力變化趨勢的基礎(chǔ)上，綜合決策，自適應(yīng)地調(diào)整液壓站的工作壓力和流量；上述方案始終保持最小的溢流壓力損失，使系統(tǒng)能夠工作并留有必要的安全裕度，對實(shí)際工作裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)沒有影響，具有非常廣泛的適應(yīng)性。

在根據(jù)上述策略進(jìn)行決策時，控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)請求供油參數(shù)、實(shí)際供油參數(shù)和溢流損失監(jiān)測參數(shù)計(jì)算流量壓力控制參數(shù)；實(shí)際有可能采取如圖3所示的4種控制策略。在實(shí)際請求的壓力、流量均大于實(shí)際輸出的壓力和流量，且溢流損失小時應(yīng)加大控制量提高供油壓力和流量；在實(shí)際請求的壓力、流量均小于實(shí)際輸出的壓力和流量，且溢流損失顯著時應(yīng)減小控制量，降低供油壓力和流量。另外兩種情況是上述情況的綜合，應(yīng)當(dāng)識別溢流損失和供油壓力、流量做出綜合決策。上述決策過程可以通過編寫成控制規(guī)則或設(shè)計(jì)模糊控制器實(shí)現(xiàn)，效率高，實(shí)施簡便。

圖2 自適應(yīng)供油節(jié)能機(jī)理

圖3 自適應(yīng)供油工作機(jī)制

4.液壓冷卻回路的智能控制

大型集中液壓站的液壓冷卻回路具有功耗大、持續(xù)工作時間長，溫度變化范圍要求較為嚴(yán)格等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)睦鋮s控制系統(tǒng)不但能耗高、而且容易超出規(guī)定的溫度范圍導(dǎo)致停機(jī)、影響系統(tǒng)和用油裝置的正常工作。

針對大型集中液壓站，可采用如圖4所示的模糊自適應(yīng)冷卻控制策略，可以顯著提高油源溫度的穩(wěn)定范圍，并有非常顯著的節(jié)能效果。模糊自適應(yīng)冷卻控制策略在啟動階段采用BANG-BANG控制策略，快速投入溫度調(diào)節(jié)裝置，在接近所需溫度區(qū)間的中間溫度時，采用模糊自適應(yīng)策略，根據(jù)溫度誤差和誤差變化速度確定溫度調(diào)節(jié)裝置的控制參數(shù)，對具有顯著時滯、大時間常數(shù)的溫度調(diào)節(jié)過程具有顯著效果。

圖4 模糊自適應(yīng)冷卻控制

5.集中液壓站狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

大型集中液壓站設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜，體積龐大，安裝和維護(hù)作業(yè)空間有一定限制。為了實(shí)現(xiàn)免維護(hù)和少維護(hù)的需求，建立集中液壓站的集中狀態(tài)監(jiān)測和診斷分析系統(tǒng)非常必要。

集中液壓站狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷主要以實(shí)現(xiàn)核心控制功能所需的壓力、流量、溫度、電壓和電流參數(shù)為基礎(chǔ)，同時配置少量的專用傳感器：泄漏流量傳感器、殼體溫度傳感器、應(yīng)力和應(yīng)變傳感器等。集中液壓站狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的典型功能設(shè)置和主要的處理算法如表1所示。

表1 液壓站狀態(tài)監(jiān)測與故障配置

6.液壓站遠(yuǎn)程移動監(jiān)視與控制

對于特大型的集中液壓站控制系統(tǒng)，一般應(yīng)支持通過遠(yuǎn)程移動終端對其運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)發(fā)生故障或運(yùn)行狀態(tài)改變時可根據(jù)配置確定的方式主動將事件信息、狀態(tài)發(fā)送到指定的遠(yuǎn)程移動終端。遠(yuǎn)程移動終端一般包括如下功能模塊：

運(yùn)行參數(shù)查詢：通過不同的組合條件查詢設(shè)備、系統(tǒng)的使用記錄、當(dāng)前和歷史的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

運(yùn)維助手：實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理，主要查詢和統(tǒng)計(jì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，檢修維護(hù)記錄，告警記錄，動作事件，設(shè)備用電記錄和電費(fèi)，泵/電機(jī)的工作時間等；設(shè)備故障和動作事件的主動提示也是運(yùn)維助手的重要功能之一。

工作組管理：主要對設(shè)備的運(yùn)行、操作、維護(hù)、檢修、登錄權(quán)限的設(shè)置和管理。包括對所有用戶可通過遠(yuǎn)程終端進(jìn)行的操作及其權(quán)限的管理。

系統(tǒng)設(shè)置：主要配置集中液壓站控制運(yùn)行方式和與運(yùn)行控制過程有關(guān)的參數(shù)，例如禁止某部分泵、閥進(jìn)行操作，設(shè)置流量/壓力的控制模式等。

內(nèi)部信息交流（通知和任務(wù)分配等）：主要在與設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)有關(guān)的人員間傳輸管理信息，包括文本和圖片等。

7.工程實(shí)施和運(yùn)行效果評價

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案，為某特大型集中液壓站設(shè)計(jì)并實(shí)施了完整的監(jiān)測、控制和診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)最大供油流量17000L/Min,最高工作壓力35MPa, 瞬時最大功率5500KW。

為了評估系統(tǒng)的節(jié)能效果，在典型工況下分別測試了采用節(jié)能控制策略和普通控制策略的用能狀況；實(shí)際測試結(jié)果表明，本文提供的策略在典型的作業(yè)工況下平均節(jié)能35%以上，其中冷卻系統(tǒng)節(jié)能約占總節(jié)能量的40%。由于采用了節(jié)能控制策略，系統(tǒng)節(jié)流壓力損失和溢流壓力損失降低顯著，額外發(fā)熱量降低，所以冷卻系統(tǒng)的功率降低。

基于對前階段所設(shè)計(jì)的控制策略節(jié)能效果評估，在本項(xiàng)目的第二期階段，實(shí)際配置的冷卻系統(tǒng)容量可降低50%以上，減少投入800萬元以上。

上述項(xiàng)目已經(jīng)正式投入運(yùn)行兩年以上，在本文所設(shè)計(jì)的集中監(jiān)測、控制和診斷系統(tǒng)的支持下，系統(tǒng)智能化和自動程度顯著提高；在早期項(xiàng)目中，為同等規(guī)模的大型集中液壓站需要配置一個工作班組，8～10人輪班值守，在本文技術(shù)方案的支持下，液壓運(yùn)行維護(hù)人員降低為2人。年平均故障降低了50%，月平均可工作小時數(shù)顯著增加，由于系統(tǒng)維護(hù)、檢修和故障處理所消耗的時間約為正常運(yùn)行時間的0.5～0.8%，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

[1]楊文華．液控原理[M]．北京：學(xué)術(shù)書刊出版社,1990．08．

[2]盧長耿,李金良．液壓控制系統(tǒng)地分析與設(shè)計(jì)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社,1991．02．

[3]顏榮慶,李自光,朱福民,李萬莉．現(xiàn)代工程機(jī)械液壓系統(tǒng)分析[M]．北京：人民交通出版社出版,1998．10．

圖1 系統(tǒng)總體框圖

顧海東（1973-），男，浙江杭州人，中船重工第七一五研究所研究員，主要從事機(jī)電系統(tǒng)控制和測試技術(shù)研究。