CN102161241A - 液压机节能改造的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：液压机节能改造的方法，在液压机的控制系统上设置PLC控制器和变频器，该变频器与PLC控制器设有通信接口，在液压机的主油缸工作循环中控制电机需要动作时运行，不需要时就停止电机，需要速度变化时变化频率，使液压机达到最佳的节能效果和最佳的速度控制，这样节电率一般在30％－80％之间，效率也可以提高10%-20%；本方案充分利用变频器的软启停特性、频率可以变化特性、通讯功能、模拟量功能，对各种液压机进行节能改造，不仅具有更好的节电效果，还不易出现变频器过载、整机系统不稳定的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压机控制技术领域，尤其是涉及一种液压机节能改造的方法。
背景技术
液压机的发展历史已经有100年之多; 近二十年来，世界各国在锻造操作机与锻造液压机联动机组，大型模锻液压机，挤压液压机,粉料成型液压机,管材成型液压机等各种液压机方面又有了很多新的发展；目前液压机应用于火电、钢铁、汽车、家电、煤炭、水泥建材、石油化工、冶金矿山、市政供水等多个行业。
目前一般普通的液压机是利用电动机控制油泵，使油泵旋转产生一定的流量，再通过液压系统控制油的流动方向，从而控制各种油缸运动。所以液压机的主要耗电是控制油泵的电动机。而大部分液压机是半自动运行的，也就是按照产品的工艺流程做完一个循环动作后，由人工或机械装置来取走产品和重新装料，在整个生产循环动作过程中，液压机空载的时间比较多，根据不同的行业与产品工艺，一般压机在整个循环工作中电机空载油泵卸荷的时间在20％－80％之间，也就是说压机在这个时间内是光耗电的。还有有些行业的产品需要液压机进行保压，保压时间有长有短，一般长时间（超出1分钟）的压机就会带有停机保压功能，时间短的由于电机不能频繁启停而无法实现停机保压，特别是大型液压机，电机功率多比较大，一般多不能进行停机保压，这就是说液压机的节能空间是相当大的。
另外，目前有很多在液压机行业里边做变频节能改造的，主要是利用变频器自身的节电功能，就是提高了功率因数，这样一般节电率在10－20％左右；还有就是速度要求变化的液压机上利用变频器的频率变化改变液压机的运动速度来节电，这种方式一般节电率较高，一般在20％－60％之间。例如有发明人提出了名为“智能变频节电液压机液压传动装置”（授权公告号CN 2820525Y）的技术，其由油泵组、与油泵组连接的电磁阀组、与电磁阀组连接的油缸、控制电磁阀组动作的PLC可编程控制器和PC上位机、以及驱动油泵组转动的电动机组成，电动机通过变频器与PLC可编程控制器电连接，变颁器的电源输入端R、S、T连接电源，变频器的输出端U、V、W连接电动机；变频器的FWD、M11、M12、M13、M14和DCM各控制端分别与PLC的输出选择端的电机运转／停止KA0、软起动速度指令KAl、快下快回速度指令KA2、慢下、慢回、保压速度指令KA3、上料、下料速度指令的KA4各端相连接；该技术中在一定程度上解决了液压机单独以50Hz工频运转时能耗大、油路系统温升高的问题。
但是，包括上述授权专利在内的变频改造，仍然存在一些不足：
首先，加装变频以后，由于变频器过载能力较差，很容易出现变频器报警停机；在以前的变频改造中多无法很好的解决这个问题，这是因为主油缸活塞杆输出端或其驱动的执行装置碰到工件后，油缸内的容腔就无法变大，而液压油的压缩率很小；这个时候在油泵出油量不变或变化很小的情况下压力上升非常快，而且流量越大局部压力（主要是出油口）就会越高，导致油泵电机过载、系统高压溢流、油温升高。变量泵虽然具有自动调节压力与流量问题，但也是压力上升到较高后才触发动作改变流量，调节动作相对迟缓，也会导致变频器报警。
其次，液压机在实际使用中液压系统会经常产生冲击震动，原因比较多而复杂，电磁阀的特性、油温、油的质量、压力表或压力继电器失灵多会导致系统不稳定。
再次，上述授权专利采用PLC可编程控制器和PC上位机共同控制，成本较高、控制更复杂。
发明内容
本发明主要目的是提供一种液压机节能改造的方法，其具有更好的节电效果，且不易出现变频器过载、整机系统不稳定的情况。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：液压机节能改造的方法，在液压机的控制系统上设置PLC控制器和变频器，该变频器与PLC控制器设有通信接口；在液压机的主油缸工作时执行如下步骤：
a) 当油泵电机启动时，PLC输出启动信号和给定频率给变频器，该给定频率为0HZ；
b) 当主油缸活塞杆自原始位置开始移动时，PLC给定一个频率到变频器，使变频器在0.3—1秒内将频率升到50-60HZ；
c) 当主油缸活塞杆进入工作区，负载上升导致液压主回路压力上升时，PLC控制变频器将输出频率下降至30－50HZ。主油缸活塞杆进入工作区，是指主油缸活塞杆输出端或其驱动的执行装置移动到触碰工件，例如活塞杆驱动的模具触碰到工件；此时，主油缸负载上升导致液压主回路压力上升的过程为上压过程。这种方法，可有效地减少油泵输出流量使主回路系统液压力平稳上升，使上压过程中，电机不过载、变频器不会报警停机；
d) 如果液压系统需要保压，则在保压时PLC控制变频器将输出频率降至为0HZ；
e) 主油缸活塞杆返回时，PLC在0.3—1秒内将变频器频率升到设定值50－60HZ；
f) 主油缸完成单次工作循环后,变频器输出频率降为0HZ。
本方案充分利用变频器的软启停特性、频率可以变化特性、通讯功能、模拟量功能，对各种液压机进行节能改造，使液压机在整个循环中需要动作时电机开始运行，不需要时就停止电机，需要速度变化时变化频率；使液压机达到最佳的节能效果和最佳的速度控制，这样节电率一般在30％－80％之间，效率也可以提高10%-20%。
作为优选，液压系统中设有检测液压主回路压力的压力传感器或压力开关；当主油缸活塞杆进入工作区，负载上升导致造成液压主回路压力上升时，由PLC根据压力上升的状况而控制变频器的频率下降速度，以控制液压主回路压力上升的速度使该压力平稳地上升。在压力上升前先将油泵的出油量减少到一定值，可以使压力上升平缓而不会过载，液压系统也不会高压溢流，不仅减少了压机的震动，而且变频器也不会报警停机。如果液压系统装有压力传感器或压力变送器，那么变频器的频率可以根据压力变化而变化，这样效果最好。
作为优选，当变频器报警停机时，由PLC通过通讯端口与变频器进行通信，以控制变频器自动复位。液压机在实际使用中液压系统会经常产生冲击震动，原因比较多而复杂，电磁阀的特性、油温、油的质量、压力表或压力继电器失灵多会导致系统不稳定；为了使变频节能稳定可靠的使用；在变频器报警停机后通过通讯采用自动故障复位功能，避免工人在实际使用中停机不能动的现象。
液压机上设有检测主油缸活塞杆返回位置的检测装置；主油缸活塞杆返回至预定位置时，PLC控制变频器将输出频率迅速按一定曲线下降直至主油缸活塞返回初始位置。所述检测装置为位移传感器或行程开关。通过检测装置的检测，主油缸活塞杆返回至预定位置时，PLC可以根据检测信号使变频器的频率下降，频率下降曲线过程根据实际情况调节；具体控制可根据液压机的回程停止时震动情况调节频率下降曲线，从而使主油缸活塞杆返回原始位置时，实现无震动停止。
因此，本发明具有结构合理、易于实现、成本较低等特点，还具有以下有益效果：
1、变频器不会过载、系统稳定；
2、控制可靠，节电率较高；
3、液压机在上压过程压力平稳上升，震动明显减少；
4、主油缸活塞返回原始位置时，可以实现无极调速地减速至停止，从而减少液压机的震动。
附图说明
附图1为单油泵电机组的改造原理图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：在液压机的控制系统上设置PLC控制器和变频器，该变频器与PLC控制器设有通信接口；在液压机的主油缸工作时执行如下步骤：
a) 当油泵电机启动时，PLC输出启动信号和给定频率给变频器，该给定频率为0HZ；
b) 当主油缸活塞杆开始移动时，PLC给定一个频率到变频器，使变频器在0.3—1秒内将频率升到50-60HZ；
c) 当主油缸活塞杆进入工作区，负载上升导致液压主回路压力上升时，PLC控制变频器将输出频率下降至30－50HZ。液压系统中设有检测液压主回路压力的压力传感器或压力开关；当主油缸活塞杆进入工作区，负载上升导致造成液压主回路压力上升时，由PLC根据压力上升的状况而控制变频器的频率下降速度，以控制液压主回路压力上升的速度使该压力平稳地上升。频率降到多少根据现场需要和油泵特性；这是因为油泵在吃到压力后流量与负载的变化是与压制产品的最高压力和油泵自身的调定有关；另外油温及进出油口的大小等也有关系；与产品自身的变形过程也有关系；所以一般工频使用时液压机在这个过程中多会过载150％以上；而且由于时间短，一般为1－3秒；电机和油泵的过载能力较强，所以在工频使用时多能正常运行。但加装变频以后，由于变频器过载能力较差，很容易报警停机；所以在以前的变频改造中多无法很好的解决这个问题。这是因为模具碰到工件后，油缸内的容腔就无法变大，而液压油的压缩率很小；这个时候在油泵出油量不变或变化很小的情况下压力上升非常快，而且流量越大局部压力（主要是出油口）就会越高，导致油泵电机过载、系统高压溢流、油温升高。变量泵虽然具有自动调节压力与流量问题；但也是压力上升后才改变流量，相对迟缓，也会导致变频器报警。在压力上升前先将油泵的出油量减少到一定值；可以使压力上升平缓而不会过载，液压系统也不会高压溢流；不仅减少了压机的震动；而且变频器也不会报警停机。液压系统如果装有压力变送器；那么变频器的频率可以根据压力变化而变化；这样效果最好；
d) 如果液压系统需要保压，则在保压时PLC控制变频器将输出频率降至为0HZ。此时变频器启动信号可停，也可不停；
e) 主油缸活塞杆返回时，PLC在0.3—1秒内将变频器频率升到设定值50－60HZ。液压机上设有检测主油缸活塞杆返回位置的检测装置；主油缸活塞杆返回至预定位置时，PLC控制变频器将输出频率迅速按一定曲线下降直至主油缸活塞返回初始位置。所述检测装置为位移传感器或行程开关。主油缸卸压回程，即主油缸活塞杆返回时，PLC迅速将变频器频率升到设定值50－60HZ；回程接近上限位时，上限位即预定位置，可将频率迅速按一定曲线下降直至停止，具体控制可根据液压机的回程停止时震动情况调节频率下降曲线，从而使主油缸活塞杆返回原始位置时，实现无震动停止。大吨位（500吨以上）液压机采用回程降速停止，可以非常明显使压机完全没有震动的停下来；
f) 主油缸完成单次工作循环后,变频器输出频率降为0HZ。
当变频器报警停机时，由PLC通过通讯端口控制变频器自动复位。
下面将改造前和改造后液压机整个工艺过程(以单油缸为例，保压时间短只能开机保压)进行耗电量与速度及运行时间的对比（Q1为改造前耗电量， Q2为改造后耗电量，S1为改造前油缸动作速度，S2为改造后油缸动作速度，W为电机额定功率，T1为改造前运行时间，T2为改造后运行时间，M为油缸的面积，n为油泵每转的出油量，N1为吸油阀的流量，N2为卸荷阀的流量，H为电机的额定转速）。
改造前（电机空载时的电流一般是额定电流的30%左右)）：
a) 油缸快速下行时：一般压机快速下行是打开吸油阀，活塞杆靠自重下落，速度与油泵流量无关，电机空载运行，所以Q1(快速下行)=W*30%*T1(快下时间)，S1(快速下行)=N1/M；
b) 油缸慢速下行时:吸油阀关闭;油缸上腔开始进油;电机轻载运行:Q1(慢速下行)=W*35%*T1(慢下时间)，S1(慢速下行)=H*n/M，油缸慢速碰到工件起压到压力到达上限设定值时: Q1(上压)=W*90%*T1(上压时间)，S1(上压)=H*n/M；
c) 保压时:油泵开始卸荷，电机空载运行， Q1(保 压)=W*30%*T1(保压时间)；
d) 卸荷时:卸荷一般由卸荷阀打开放油，所以与油泵转速无关， 电机空载运行，Q1(卸荷)=W*30%*T1(卸荷时间)， S1(卸荷)=N2/M；
e) 回程时:回程时一般系统压力很低，所以电机空载或轻载运行， Q1(回程)=W*30%*T1(回程时间)， S1(回程)=H*n/M；
f) 产品完成工人取料装料时: 电机空载运行，Q1(取料装料)=W*30%*T1(取料装料时间)。
改造后(由于变频器可以改变频率，而一般的普通电机和油泵空载运行在60HZ没有问题，所以最大频率设置在60HZ;那电机的转速也就提高到了额定转速的1.2倍；另外使用变频器本身就可以提高电机的功率因数，所以电机空载时的电流只有电机额定电流的26%左右)：
a) 油缸快速下行时:和改造前一样，靠自重下落，速度与油泵流量无关，电机空载运行， Q2(快速下行)=W*26%*T2(快下时间);S2(快速下行)=N1/M，但这时利用PLC和变频器的通讯功能使变频器可以在很短的时间内(0.3-0.5秒)频率由0HZ升到60HZ；
b) 油缸慢速下行时:电机轻载运行:Q2(慢速下行)=W*26%*T2(慢下时间)，S2(慢速下行)=1.2H*n/M；
c) 油缸慢速碰到工件起压到压力到达上限设定值时：根据电接点压力表或压力传感器信号，上压时变频器频率可以迅速降为40HZ ，Q2(上压)=W*80%*T2(上压时间)， S2(上压)=H*n/M；
d) 保压时:利用变频器的软起停特性，我们将电机频率输出为0，电机快速停止运转(一般0.5秒-2.5秒)， Q2(保 压)=0 ；
e) 卸荷时:变频器开始快速将频率升到60HZ，Q2(卸荷)=W*26%*T2(卸荷时间)， S2(卸荷)=N2/M；
f) 回程时:回程是一般系统没有压力，所以电机空载运行， Q2(回程)=W*26%*T2(回程时间)， S2(回程)=1.2H*n/M；
g) 产品完成工人取料装料时: 变频器频率快速降为0HZ， Q2(取料装料)=0。
根据以上分析：改造前的完成一个产品的总耗电量Q1= Q1(快速下行)+ Q1(慢速下行)+ Q1(保 压)+ Q1(卸荷)+ Q1(保 压)+Q1(回程)+ Q1(取料装料);改造后完成一个产品的总耗电量Q2= Q2(快速下行)+ Q2(慢速下行)+ Q2(保 压)+ Q2(卸荷)+ Q2(保 压)+Q2(回程)+ Q2(取料装料);改造后每个阶段的耗电量多小于改造前的耗电量；特别是Q2(保 压)和Q2(取料装料)多是0，大大降低了能耗；所以改造后的节电率一般多在30％以上。
改造前后的液压机速度对比如下：
S2(快速下行)＝S1(快速下行)；
S2(慢速下行)＝1.2 *S1(慢速下行)；
S2(上压)>S1(上压)；
保压时时间改造前后相同；
S2(卸荷)= S1(卸荷)；
S2(回程)= 1.2*S1(回程)；
取料装料时间改造前后相同。
根据上面显示改造后油缸慢下和回程的速度提高了1.2倍;上压时间虽然S2>S1;但整个上压时间本身很短（0.5－3秒左右）；而且如果泵的变量头与变频器的转速配合调节适当的话，S2与S1基本相等的；所以一般改造后产量可以提高5%-15%左右。
液压机变频节能改造后特点：
1、液压机动作速度明显加快：一般国产油泵可以空载时转速可以提高20%左右；根据变频器特性，我们将菲英500吨压机的运行频率设置在58HZ;压机工作时速度快了15%左右，明显提高了用户的班产量；
2、降低了噪音：增加变频节能功能以后，压机在辅助和保压的时间内电机是不动作的，没有声音，在电机运行时由于变频具有输出电压的平稳性，也比工频时明显噪音低；
3、不会因为外界因数而浪费电：改系统改造后，不会因为工人因数、模具问题、压机故障问题而浪费电，甚至工人要休息或中饭时也不用关机；
4、可以提高油泵的使用寿命：由于油泵做间隙性工作，使其在单次工作循环中运行时间短了很多，摩擦损耗相对减小，使用寿命大大提高；
5、油温明显降低：液压机80％以上的油温升高是由于油泵出来的油通过溢流产生的，所以空载时油泵出油在卸荷回油箱也会使油温升高，更改后液压机油温明显降低，这对液压系统非常有利，可以减少液压系统的故障率；
6、定位精度高：有的液压机需要定程控制来满足产品的工艺要求，利用变频器可以改变油缸运行速度的功能和配合位移传感器，可以使油缸在接近成型位置前降低速度，减少惯性从而大大提高油缸的定位精度；
7、液压机震动明显减小：液压机在快速转为慢速时、压力上升到上限停止保压时、主缸回程到上限位值停止时，多会产生震动，特别是大吨位和快速液压机；按装变频节能装置后，由于可以利用变频器频率变化改变油泵出油量的多少，使液压机震动可以减小，特别是回程时可以实现无极调速而使压机很平稳的停下来。
在实际改造中，具体实现过程如下：
1) 液压机有单泵和多泵系统，每个油泵多是由电机来带动的，一般根据电机功率的大小来选配变频器，比如37KW的油泵电机组一般配37KW重载型的变频器（由于液压机在压力上升过程中电机多会过载120%-150%左右，所以37KW风机水泵型变频器无法正常运行）。37KW单油泵电机组的改造（保留了原来的工频运行功能）原理如附图1所示，变频器具有RS485通讯口，控制电机就具有变频和工频两种方式，将旋钮打到“工频运行”时，KM3动作，液压机控制和原来一样；将旋钮打到“变频运行”时，KM1和KM2动作，电机就直接由变频器控制；
2) 在原来带PLC控制的系统中增加通讯功能，没有带PLC控制的液压机直接改成用具有通讯功能的PLC控制，如果原来PLC有备用的输出点，那么利用这个输出点来控制变频器的启动与停止，如果原来PLC没有备用的输出点，通过通讯也可以实现对变频器的启停；
3) 根据产品的工艺要求来编制程序；使变频器启停和运行频率更适应工艺要求。
Claims (5)
1.一种液压机节能改造的方法，其特征在于：在液压机的控制系统上设置PLC控制器和变频器，该变频器与PLC控制器设有通信接口；在液压机的主油缸工作时执行如下步骤：
a) 当油泵电机启动时，PLC输出启动信号和给定频率给变频器，该给定频率为0HZ；
b) 当主油缸活塞杆开始移动时，PLC给定一个频率到变频器，使变频器在0.3—1秒内将频率升到50-60HZ；
c) 当主油缸活塞杆进入工作区，负载上升导致液压主回路压力上升时，PLC控制变频器将输出频率下降至30－50HZ；
d) 如果液压系统需要保压，则在保压时PLC控制变频器将输出频率降至为0HZ；
e) 主油缸活塞杆返回时，PLC在0.3—1秒内将变频器频率升到设定值50－60HZ；
f) 主油缸完成单次工作循环后,变频器输出频率降为0HZ。
2.根据权利要求1所述的液压机节能改造的方法，其特征在于：液压系统中设有检测液压主回路压力的压力传感器或压力开关；当主油缸活塞杆进入工作区，负载上升导致造成液压主回路压力上升时，由PLC根据压力上升的状况而控制变频器的频率下降速度，以控制液压主回路压力上升的速度使该压力平稳地上升。
3.根据权利要求1或2所述的液压机节能改造的方法，其特征在于：当变频器报警停机时，由PLC通过通讯端口控制变频器自动复位。
4.根据权利要求1或2所述的液压机节能改造的方法，其特征在于：液压机上设有检测主油缸活塞杆返回位置的检测装置；主油缸活塞杆返回至预定位置时，PLC控制变频器将输出频率迅速按一定曲线下降直至主油缸活塞返回初始位置。
5.根据权利要求4所述的液压机节能改造的方法，其特征在于：所述检测装置为位移传感器或行程开关。
Priority Applications (1)
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