CN111070772A - 一种液压机节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压机节能控制系统，属于液压机技术领域。包括液压机、PLC控制器、动力系统和监测及反馈系统；所述液压机连接有液压泵接口，所述液压机连接有压力传感器、位移传感器、各种放大器、检测元件和控制元件，所述压力传感器、所述位移传感器、所述各种放大器、所述检测元件和所述控制元件均连接到所述PLC控制器，所述PLC连接到所述监测及反馈系统。本发明液压机运行更加精准、平稳、节能、环保；双泵协同恒功率控制，有效降低伺服电机的容量，可实现更大程度上的节能；采用恒功率输出原理研制开发的高节能液压机用数字控制系统，运用在不同的液压机产品上，可有效节约能源62.3%。

Description

一种液压机节能控制系统

技术领域

本发明涉及液压机技术领域，具体为一种液压机节能控制系统。

背景技术

传统液压机按液压控制元件的不同可以分为阀控和泵控液压机。

阀控系统：采用伺服闽按节流调速原理控制流向液压缸的压力或流量，然而泵所输出的剩余流量则通过溢流阔溢流回到油箱。但由于伺服阀对传动介质（液压油）要求高，受污染的油液会使元件和机构磨损而降低其性能，大部分系统的故障与伺服阀的不正常工作有关。另外，阀控系统无法避免溢流损失和节流损失所造成的系统散热难、温升高、效率较低问题。

泵控系统：采用异步电动机以一定的转速驱动变量泵，利用变量泵的伺服机构改变泵排量的原理，控制流向液压缸的压力或流量。与阀控系统相比，泵控系统的效率较高，功率损失小，可以节能，常用于大功率场合；但系统调速范围小，固有频率较低，响应速度较慢，动态特性不高，影响其应用场合。泵控系统采用传统的容积控制方式对外负载变化、变量泵机械结构复杂，油液污染等各种干扰非常敏感，价格较高效率却较低，其伺服机构对传动介质要求较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液压机节能控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种液压机节能控制系统，包括液压机、PLC控制器、动力系统和监测及反馈系统，所述液压机连接有液压泵接口，所述液压机连接有压力传感器、位移传感器、温度传感器、时基电路、各种放大器、检测元件和控制元件，所述压力传感器、所述位移传感器、所述各种放大器、所述检测元件和所述控制元件均连接到所述PLC控制器，所述PLC控制器连接到所述监测及反馈系统，所述动力系统和所述液压机连接，所述动力系统为伺服、调频、或普通交直流电机。

优选的，所述PLC控制器包括CPU、通讯模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块，所述模拟量输入模块连接于所述压力传感器、所述位移传感器、所述温度传感器和所述时基电路，所述模拟量或所述通讯输出模块连接于所述各种放大器，所述数字量输入模块连接于所述检测元件，所述数字量输出模块连接于所述控制元件，所述通讯模块和所述监测及反馈系统连接。

优选的，所述监测及反馈系统通过控制量和监测信息连接有电气系统，所述电气系统连接有液压系统和数据采集，所述液压系统连接有机械系统，所述数据采集连接于所述监测及反馈系统，所述机械系统通过所述位移传感器、所述压力传感器、所述温度传感器和所述时基电路连接于所述数据采集系统。

优选的，所述液压机包括液压机用数字控制器，所述液压机用数字控制器包括控制功能、设备时序逻辑控制功能、设备状态及过程参数监测功能、设备故障诊断功能、数据处理功能和系统通信功能。

优选的，所述液压机通过提取信息连接于所述PLC控制器，所述PLC控制器通过控制命令连接于所述液压机，所述PLC控制器通过数据通讯连接于所述监测及反馈系统，所述监测及反馈系统连接有企业内部网，所述企业内部网连接有维护系统。

优选的，所述PLC控制器包括通讯适配器和I/O模块。

优选的，所述监测及反馈系统设有监测系统主界面，所述监测系统主界面包括系统管理、功能设置、系统状态监测、故障报警、维护及维修以及帮助和关注。

优选的，所述系统管理包括用户管理、用户登录、修改密码、退出登录和退出系统；所述功能设置包括功能设置和参数设置；所述系统状态监测包括滑块及压力监测、PLC控制器输入输出和辅助动作监测；所述故障报警、维护及维修包括报警记录、设备维护记录和设备维修记录；所述帮助和关注包括帮助模块和关注模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过控制伺服电机的力矩与转速来控制定量泵输出的液压油流量与压力；将原有的压机液压系统中的控制对象从阀或者泵转移到对电机的控制，将压机工作方式改进为快速、间歇方式，使压机运行更加精准、平稳、节能、环保；双泵协同恒功率控制，有效降低伺服电机的容量，可实现更大程度上的节能；采用恒功率输出原理研制开发的高节能液压机用数字控制系统，运用在HP系列功多能液压机、HPB系列折弯机、Y32系列四柱液压机、C型单臂液压机的不同的液压机产品上，可有效节约能源62.3%。

附图说明

图1为本发明一种液压机节能控制系统框图；

图2为本发明一种液压机节能控制系统构架图；

图3为本发明一种液压机节能控制系统的液压机功能模块构架图；

图4为本发明一种液压机节能控制系统的网络化控制系统体系结构图；

图5为本发明一种液压机节能控制系统的液压机监测及反馈系统的软件菜单图；

图6为本发明一种液压机节能控制系统的液压机模糊自适应PID控制器原理框图；

图7为本发明一种液压机节能控制系统的液压机模糊自适应PID控制器的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种液压机节能控制系统，包括液压机、PLC和监测及反馈系统，液压机连接有液压泵接口，液压机连接有压力传感器、位移传感器、温度传感器、时基电路、各种放大器、检测元件和控制元件，压力传感器、位移传感器、各种放大器、检测元件和控制元件均连接到PLC控制器，PLC控制器连接到监测与反馈系统，动力系统和液压机连接，动力系统为伺服、调频、或普通交直流电机。

请参阅图1，PLC控制器包括CPU、通讯模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块，模拟量输入模块连接于压力传感器、位移传感器、温度传感器和时基电路，模拟量或通讯输出模块连接于各种放大器，数字量输入模块连接于检测元件，数字量输出模块连接于控制元件，通讯模块和监测及反馈系统连接。

请参阅图2，监测及反馈系统通过控制量和监测信息连接有电气系统，电气系统连接有液压系统和数据采集，液压系统连接有机械系统，数据采集连接于监测及反馈系统，机械系统通过位移传感、压力传感器、温度传感器和时基电路连接于数据采集系统。

请参阅图3，液压机包括液压机用数字控制器，液压机用数字控制器包括控制功能、设备时序逻辑控制功能、设备状态及过程参数监测功能、设备故障诊断功能、数据处理功能和系统通信功能，六大模块即能独立工作，又能相互组合形成强大的智能节能控制系统。

请参阅图4，液压机通过提取信息连接于PLC控制器，PLC控制器通过控制命令连接于液压机，PLC控制器通过数据通讯连接于监测及反馈系统，监测及反馈系统连接有企业内部网，企业内部网连接有维护系统，PLC控制器包括通讯适配器和I/O模块。

控制系统硬件设计：

液压机控制系统采用基于可编程逻辑控制器（PLC）结合上位机监控的控制结构。

控制系统软件设计：

液压机控制系统软件功能需求包括生产过程参数设置、数据采集与处理、生产时序逻辑控制、控制算法运算、报警与紧急事件处理、设备状态监测与故障诊断以及与上位监控计算机的通信功能等，功能的实现主要由PLC来完成。

工艺参数设置模块：

根据生产的需要，需设置液压机不同制件及工艺参数，包括滑块行程、压力等，其中压力可调，采用多点调压控制方式。这些数据通过PLC控制器初始化程序或者通过触摸屏写入PLC控制器数据存储器。

数据采集模块：

液压机数据采集模块分为数字量信号采集及处理与模拟量信号采集及处理。

（1）数字量信号的采集及处理；

（2）模拟量信号的采集及处理；

（3）时序逻辑控制模块；

报警模块：

报警功能主要有以下几个：温度报警、过载报警、超程报警。

故障自诊断模块：

PLC是液压机控制系统中主要的控制器，其自身设备是否稳定可靠，对于整个液压机及控制系统的可靠性具有决定性影响。PLC控制器一般具有设备自诊断能力，其将自身运行的各种状态信息存储于各种状态寄存器中，通过查询相应的寄存器各个标志位，即可进行设备故障的诊断。

PLC控制器与上位机通信模块：

PLC控制器与上位机之间采用的是串行通信。底层软件与上层通讯接口是由串行通信单元提供的RS422/485通讯接口，通过这个接口就可以实现PLC控制器与触摸屏或工业PC交换数据。RS485是在RS232的基础发展而来的，具有更高的传输速率、更强的抗干扰能力、更远的传送距离，数据采用平衡方式，RS485的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端配置终端电阻，可实现驱动器和接收器共用同一传输线的多点应用。

上位机监控系统：

监控系统向操作人员提供了人机接口界面，其主要功能可概括为以下方面：通过与现场控制器或智能设备通信获取生产过程实时信息；以文本、图形、动画、曲线等形式显示生产线设备状态、工艺过程参数和报警事件等；接受操作人员输入的工艺控制参数，实现对生产过程的实时控制；利用历史数据库实现对过程参数、报警信息的存储与管理，形成各种历史数据报表；提供历史数据信息查询功能，辅助工艺人员进行工艺控制参数的优化。

请参阅图5，监测及反馈系统设有监测系统主界面，监测系统主界面包括系统管理、功能设置、系统状态监测、故障报警、维护及维修以及帮助和关注，系统管理包括用户管理、用户登录、修改密码、退出登录和退出系统；功能设置包括功能设置和参数设置；系统状态监测包括滑块及压力监测、PLC输入输出和辅助动作监测；故障报警、维护及维修包括报警记录、设备维护记录和设备维修记录；帮助和关注包括帮助模块和关注模块。

液压机液压系统的智能化控制：

液压系统属于典型非线性、参数时变和存在干扰等因素的系统，通常情况下建立的电液系统的数学模型存在不确定性，这是因为某些系统参数很难获得精确值，而仅能知道其一个比较准确的估计值（或者称为标称值）。为了简化系统模型，常常做出一些假设，忽略了某些次要因素的影响以及对系统作离散化、线性化处理等，都会导致模型的不精确；液压系统存在较为严重的非线性，譬如节流非线性、死区、滞回及摩擦等，当系统的工作点在大范围内变化时，所建立的线性模型就不再适用。针对电液系统的这些特点，传统控制方法很难得到满意的控制效果。同时，电液伺服系统的控制目标要求准确、快速和平稳，但这三个目标是相互矛盾的，很多场合不能兼顾。

本专利项目设计了一种多模态可拓控制系统，提出了一种基于可拓方法的多模态可拓切换控制器，利用控制信息的合格度作为切换控制模态的依据，在不同的控制论域内使用不同的控制方式来实现分段控制，从而使每一种控制策略在其能进行有效控制的范围内达到理想的控制效果，兼顾控制系统对液压机多种性能指标的要求，使液压机控制系统获得满意的动、静态性能。

可拓控制器包含上下两层结构，下层为基本可拓控制器，由特征量选取、特征模式划分、关联度计算、测度模式划分、控制输出五部分组成，主要完成液压机基本功能控制。

可拓控制理论的关键技术内容及在液压机控制系统应用中的稳定性分析、对提高液压机节能理论介绍详见项目可行报告，这里不再赘述。

高节能数控液压机的能耗和节能液压类负载的运行情况不同于泵类负载和伺服系统，其静态过程占整个运行周期相对较大的比例，且动态响应速度要求也很高。阀控方式采用的是节流调速模式，即定量泵-节流阀调速的阀控系统。由于阀控系统结构复杂，且有大量多余高压油的溢流，机组效率较低，造成大量的能量浪费。其后又改进为定量泵-比例流量阀的阀控系统，提高了压机运行的平稳性和工作频次，但其阀控系统的本质并没有改变，所以效率并没有明显的提高。泵控方式使用变量泵，通过适当的电气控制方式使液压泵按液压机的需要输出流量，从而实现速度控制。这种方式可以根据工作速度的变化来调整泵的输出流量，减少了系统多余流量的溢流。然而因为油泵空循环时间段平均占工作时间超过70%，造成了能量的大量浪费。针对上述特点，在对液压机液压系统进行分析研究的基础上，在液压机控制部分采用伺服电机+双定量泵组直接驱动液压机执行机构，通过控制伺服电机的力矩、转速来控制定量泵输出的液压油流量与压力；并结合液压机的实际工况使高低压双泵交替工作，以实现液压机的空载快速进给和重载慢速平稳加压，从而使液压机稳定性、安全性大幅度提高；与传统液压系统相比，本系统通过控制液压设备动力系统基础的元件即电机的工作方式，把泵连续运行按实际工艺、工况需求转变为间歇性运行，从而使该伺服直驱系统的空载运转接近于零，使压机获取的能源完全应用于做功，与传统压机相比节约能源62.3%。

请参阅图6，液压机高精度与高动态响应位置控制算法：

采用了比较容易实现且实时性较好的PID控制器与模糊控制相结合的模糊自适应PID控制方法。

液压机控制系统的三大基本要求是稳定性、快速性和准确性。系统的响应速度、超调量等性能指标有待进一步优化，使系统达到较优的控制效果。故采用PID控制器对系统进行校正。

模糊自适应PID控制器原理框图，控制器的输入为偏差e和偏差变化率ec，对于不同时刻的e和ec，利用模糊控制规则可对PID参数进行在线实时调整，这便构成了模糊PID控制器。

请参阅图7，液压机模糊自适应PID控制器的工作流程中：

模糊自适应PID以PID算法为基础，根据计算建立合理的液压机运行模糊规则表，液压机自适应PID控制器能够针对参数KP、KI、KD分别进行整定。

基于上述实施方案使得液压机控制系统具有以下功能：

（1）实现液压机系统数字化和智能化。液压机工作压力及各种数据、液压机动作时电磁阀的通断状态以及液压机各运动部件所处的位置均可在相应界面里可监测；实现工艺参数选择，液压机在不同工作状态下加工不同工件的工艺参数，包括滑块行程、速度、压力等参数，可通过人机界面进行设置，同时工艺参数数据库可存储液压机多种工艺路线供用户选择；具有自诊断功能，对液压出现的故障能进行实时报警，并对故障出现的时间及次数进行存储，根据故障类型，实时报警，并对故障出现的时间及次数进行存储，根据故障类型，向用户提供故障原因以及维修方法；

（2）实现液压机控制系统的高精度和高动态响应控制。

（3）用一个合理的构架来包容远程监测与诊断中的有关数据采集、数据传输、数据库管理和网络通信等系统，以构成一个结构合理、效率较高的液压机远程监测与诊断系统。通过控制伺服电机的力矩与转速来控制定量泵输出的液压油流量与压力。将原有的压机液压系统中的控制对象从阀或者泵转移到对电机的控制，将压机工作方式改进为快速、间歇方式，使压机运行更加精准、平稳、节能、环保。同时通过双泵协同恒功率控制，有效降低伺服电机的容量，可实现更大程度上的节能，将整个液压系统的节能率提高70%（与传统压机相比）。

数字化实现效果的预期目标：

液压机工作压力、速度、位移、温度及各种数据、液压机动作时电磁阀的通断状态以及液压机各运动部件所处的位置均可在相应界面里可监测；实现工艺参数选择，液压机在不同工作状态、不同工艺路线下加工不同工件的工艺参数，可通过人机界面进行设置，同时工艺参数数据库可存储多种工艺供用户选择；具有自诊断功能，对液压机出现的故障能进行实时报警，并对故障数据进行存储，向用户提供故障原因以及维修方法；

液压机整个系统的快速响应性：

液压机的快速响应性重点是降低系统的动态响应时间，将负载在整个领域响应时间小于0.2秒；传统液压机由于检测手段落后、强电控制响应时间慢、控制元器件制造精度低、落后的生产工艺等因素影响整个系统响应时间为1.02秒，高节能数控液压机系统的响应时间为0.2秒，提高5.1倍。

综上所述：本发明通过控制伺服电机的力矩与转速来控制定量泵输出的液压油流量与压力；将原有的压机液压系统中的控制对象从阀或者泵转移到对电机的控制，将压机工作方式改进为快速、间歇方式，使压机运行更加精准、平稳、节能、环保；双泵协同恒功率控制，有效降低伺服电机的容量，可实现更大程度上的节能；采用恒功率输出原理研制开发的高节能液压机用数字控制系统，运用在HP系列功多能液压机、HPB系列折弯机、Y32系列四柱液压机、C型单臂液压机等不同的液压机产品上，可有效节约能源62.3%，例如：100吨液压机、折弯机传统机型需配备10.5KW电机；而运用了液压节能控制系统液压机、折弯机只需配备3KW电机；能耗只有原来的28%。

项目推广后按每台机器每天工作8小时计算：

2600台*7.5KW*365天*8小时=5694万KW/小时；

仅此一项年节约电能5694万度；相当于普通家庭一年的用电量；减少二氧化碳排放量（公斤）=56940000度×0.785=44697900公斤。

采用双泵双速设计，相对通用液压机系统大大降低功率损失，效率是原来的4～6倍。

该机集压铸、折弯、拉削、冲孔、铆接于一体，一机多用，结构忧化，功能强大。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种液压机节能控制系统，包括液压机、PLC控制器、动力系统和监测与反馈系统，其特征在于：所述液压机连接有液压泵接口，所述液压机连接有压力传感器、位移传感器、温度传感器、时基电路、各种放大器、检测元件和控制元件，所述压力传感器、所述位移传感器、所述各种放大器、所述检测元件和所述控制元件均连接到所述PLC控制器，所述PLC控制器连接到所述监测与反馈系统，所述动力系统和所述液压机连接，所述动力系统为伺服、调频、或普通交直流电机。

2.根据权利要求1所述的一种液压机节能控制系统，其特征在于：所述PLC控制器包括CPU、通讯模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块，所述模拟量输入模块连接于所述压力传感器、所述位移传感器、所述温度传感器和所述时基电路，所述模拟量或所述通讯输出模块连接于所述各种放大器，所述数字量输入模块连接于所述检测元件，所述数字量输出模块连接于所述控制元件，所述通讯模块和所述监测与反馈系统连接。

3.根据权利要求1所述的一种液压机节能控制系统，其特征在于：所述监测及反馈系统通过控制量和监测信息连接有电气系统，所述电气系统连接有液压系统和数据采集，所述液压系统连接有机械系统，所述数据采集连接于所述监测及反馈系统，所述机械系统通过所述位移传感器、所述压力传感器、所述温度传感器和所述时基电路连接于所述数据采集系统。

4.根据权利要求1所述的一种液压机节能控制系统，其特征在于：所述液压机包括液压机用数字控制器，所述液压机用数字控制器包括控制功能、设备时序逻辑控制功能、设备状态及过程参数监测功能、设备故障诊断功能、数据处理功能和系统通信功能。

5.根据权利要求1所述的一种液压机节能控制系统，其特征在于：所述液压机通过提取信息连接于所述PLC控制器，所述PLC控制器通过控制命令连接于所述液压机，所述PLC控制器通过数据通讯连接于所述监测及反馈系统，所述监测及反馈系统连接有企业内部网，所述企业内部网连接有维护系统。

6.根据权利要求1所述的一种液压机节能控制系统，其特征在于：所述PLC控制器包括通讯适配器和I/O模块。

7.根据权利要求1所述的一种液压机节能控制系统，其特征在于：所述监测及反馈系统设有监测系统主界面，所述监测系统主界面包括系统管理、功能设置、系统状态监测、故障报警、维护及维修以及帮助和关注。

8.根据权利要求7所述的一种液压机节能控制系统，其特征在于：所述系统管理包括用户管理、用户登录、修改密码、退出登录和退出系统；所述功能设置包括功能设置和参数设置；所述系统状态监测包括滑块及压力监测、PLC输入输出和辅助动作监测；所述故障报警、维护及维修包括报警记录、设备维护记录和设备维修记录；所述帮助和关注包括帮助模块和关注模块。

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