伺服泵站系統在陶瓷壓機上的應用

王忠岐+夏建華

摘 要：目前節能減排已成為整個社會的共識，因此，對陶瓷壓機的泵站系統進行節能改造，是近年來的一種發展趨勢。本系統可以大大降低陶瓷壓機的能量消耗，節能效果明顯，是一個優良的節能泵站系統，有助于陶瓷企業健康有序的發展。

關鍵詞：陶瓷壓機；伺服泵站；節能

1 前言

陶瓷壓機對于陶瓷生產企業來說是一個關鍵設備，同時又是一個能耗大戶，在能源問題日益嚴重的今天，如何通過技術的改進達到節能降耗的目的，已是陶瓷壓機生產廠家不得不面對的問題。近年來，已有多個廠家在進行節能方面的試驗和探索。泵站系統為陶瓷壓機的工作提供了動力，如何在保證陶瓷壓機液壓系統穩定運行的情況下，減少不必要的輸出和損耗，從而達到節能降耗的目的是本文要介紹的重點。

2 陶瓷壓機工作周期及泵站系統分析

2.1陶瓷壓機工作周期分析

本文主要以KD3808壓機為例進行闡述，陶瓷壓機是一種典型的周期性工作制設備，一個完整的工作周期（工序過程）可分多個階段，如圖1所示。

在陶瓷壓機運行的各階段都是通過電機驅動液壓泵，輸出液壓油到各個油缸推動機械機構完成一系列動作，并且各階段所需要的壓力和流量不同。對于陶瓷壓機來說，泵站系統只需保證壓機系統壓力的變化在允許內范圍內，目前，KD3808壓機一般設定在14~16MPa范圍內，此壓力的波動范圍越小，則設備運行相對更加穩定。在陶瓷壓機的工作周期中，循環延時、推磚布料和橫梁下行階段，陶瓷壓機對泵站來說幾乎無能量供應需求，靠自身的蓄能器內儲存液壓油即可完成任務。在各個加壓和排氣階段，由于壓機動梁行程發生變化，蓄能器中液壓油釋放，此時泵站系統需快速對壓機系統和蓄能器進行補充，需大量耗能；在保壓階段和卸壓階段，壓制系統對泵站系統的能量供應又趨近于零；在橫梁上行階段，泵站系統需做功用以完成動梁的提升動作。整個循環周期大約在5~10s之間。對于此類設備，充分利用伺服電機快速響應能力，采用伺服電機驅動液壓泵，進行壓力閉環控制，可很好地達到節能效果。同時，國內大扭矩伺服電機的日趨成熟，也使伺服系統在陶瓷壓機上的使用成為可能。

2.2常用陶瓷壓機泵站系統分析

定量泵具有結構簡單、維修方便、成本較低等優勢。但在使用定量泵陶瓷壓機泵站系統中，目前，普遍使用的定量泵節流調速系統，其效率較低，再加上節流調速，多余的液壓油通過溢流閥回流，造成的能量損失一般在70%左右。同時，損失的能量又轉化為熱能，使液壓油溫度升高，品質變差。

在液壓系統的設計中，不但要實現其拖動與調節功能，還要盡可能地利用能量，達到高效、可靠運行的目的。因此，目前陶瓷壓機泵站系統采用最多的是恒壓變量泵系統或恒功率變量泵系統，如圖2所示。變量泵的輸出流量可以根據系統的壓力變化（外負載的大小），自動地調節流量，即壓力高時輸出流量小，壓力低時輸出流量大，從而達到了簡化油路系統的目的。同時，其比例變量系統幾乎無節流、溢流損失，系統運行時發熱大大減少，系統效率大大提高，與定量泵系統相比較，可節能25%~45%。缺點是成本高、流量脈動嚴重、系統壓力不太平穩、變量結構復雜、可靠性低，與PLC之間很難實現自動控制。而且目前使用的三相異步電動機其機械效率低，同時在整個設備運行過程中均保持其額定轉速，能量浪費相對較大。因此，仍有很大的節能空間。

3 閉環控制的伺服泵站系統

3.1伺服泵站系統的組成結構

本系統的整體設計主要由六部分組成，分別是：A—主控系統、B—伺服驅動單元、C—伺服電機、D—液壓泵、E—壓力傳感器、F—電源再生單元及其它輔助系統組成。系統充分考慮了陶瓷壓機泵站系統各個部分節能的可行性，并分析了陶瓷壓機的運行特點及系統性價比，使節能效果最大化。本系統的結構原理示意圖如圖3所示。

3.2伺服泵站系統主要部件選擇

在本伺服泵站系統中選取的液壓泵為定量泵，主要是基于以下幾點考慮。首先，在伺服電機驅動定量泵系統中配置了壓力傳感器和旋轉編碼器，能夠得到壓力和流量反饋，可實現壓力閉環控制，提高了定量泵節流調試系統率，并有效解決了高壓溢流造成的普通定量泵系統存在的主要耗能問題；其次，伺服電機驅動定量泵系統維護方便、成本低，雖然變量泵與伺服調速技術相結合也可以提高系統效率，但與此同時大大提高了系統成本，液壓系統性價比低。

伺服電機與液壓泵是本系統的核心部件，其主要參數有：伺服電動機的額定功率、額定轉速、額定扭矩、液壓泵的排量、額定轉速等。通過公式（1）~（3）可方便測算出與陶瓷壓機相匹配的液壓泵大小，及與之相匹配的伺服電機，主要是驗算是否滿足功率、扭矩匹配及是否滿足系統的工作性能需求。

流量：qv=Vg·n·ηv/1000（1）

扭矩：T= Vg·Δp/20·π·ηmh（2）

功率：P=2π·T·n/60000=qv·Δp/600·ηt（3）

式中：

qv—液壓泵輸出流量（l/min）；

Vg—每轉的幾何排量（cm2）；

n—轉速（rpm）；

ηv—容積效率；

T—額定扭矩（Nm）；

Δp—壓差（bar）；

ηmh—機械×液壓效率；

P—液壓泵的輸出功率（kW）；

ηt—總效率（ηt=ηv×ηmh）。

3.3控制系統軟件設計

本系統主控系統通過PLC控制，采用西門子S7-300系列產品，基于STEP 7編程，由主程序模塊、控制算法模塊、及輸出控制模塊等組成。系統通過對陶瓷壓機系統壓力變化進行實時比較后，控制算法調節伺服電機的輸出轉速，來達到能量供給與系統消耗的平衡。其主程序結構圖如圖4所示。

3.4測試數據與曲線分析

在數據測試和分析環節中，通過使用專業的有功功率測試儀和美國NI高速數據采集模塊，測出伺服泵站系統的功耗數據及陶瓷壓機系統壓力變化曲線，與常用的變量泵系統相比較。數據對照如表1所示；伺服系統運行狀態及系統壓力變化曲線如圖5所示。

4 結語

本文通過對陶瓷壓機的工作周期及目前使用的泵站系統進行了分析，從而建立了一種節能的伺服泵站系統，并編寫了相應的控制程序。在保證設備穩定運行的基礎上，充分考慮了性價比以及影響節能效果的多種因素，如：伺服電機、液壓泵及陶瓷壓機匹配等問題；陶瓷壓機工作周期對節能的不同影響；通過電源再生單元將自動電阻消耗的能量高效反饋至電源等等。實踐證明，本系統可以大大降低陶瓷壓機的能量消耗，節能效果明顯，是一個優良的節能泵站系統，有助于陶瓷企業健康有序的發展。

參考文獻

[1].章宏甲,液壓傳動[M].機械工業出版社.2000.

[2].廖長初.可編程序控制器應用技術[M].重慶大學出版社.2007.

[3].劉素芹，劉新平，戚平，陳繼東.PID與模糊控制算法的比較及改進[J].控制工程.2003.

[4].陳伯時.電機拖動及自動控制系統[M].機械工業出版社.1999.

摘 要：目前節能減排已成為整個社會的共識，因此，對陶瓷壓機的泵站系統進行節能改造，是近年來的一種發展趨勢。本系統可以大大降低陶瓷壓機的能量消耗，節能效果明顯，是一個優良的節能泵站系統，有助于陶瓷企業健康有序的發展。

關鍵詞：陶瓷壓機；伺服泵站；節能

1 前言

陶瓷壓機對于陶瓷生產企業來說是一個關鍵設備，同時又是一個能耗大戶，在能源問題日益嚴重的今天，如何通過技術的改進達到節能降耗的目的，已是陶瓷壓機生產廠家不得不面對的問題。近年來，已有多個廠家在進行節能方面的試驗和探索。泵站系統為陶瓷壓機的工作提供了動力，如何在保證陶瓷壓機液壓系統穩定運行的情況下，減少不必要的輸出和損耗，從而達到節能降耗的目的是本文要介紹的重點。

2 陶瓷壓機工作周期及泵站系統分析

2.1陶瓷壓機工作周期分析

本文主要以KD3808壓機為例進行闡述，陶瓷壓機是一種典型的周期性工作制設備，一個完整的工作周期（工序過程）可分多個階段，如圖1所示。

在陶瓷壓機運行的各階段都是通過電機驅動液壓泵，輸出液壓油到各個油缸推動機械機構完成一系列動作，并且各階段所需要的壓力和流量不同。對于陶瓷壓機來說，泵站系統只需保證壓機系統壓力的變化在允許內范圍內，目前，KD3808壓機一般設定在14~16MPa范圍內，此壓力的波動范圍越小，則設備運行相對更加穩定。在陶瓷壓機的工作周期中，循環延時、推磚布料和橫梁下行階段，陶瓷壓機對泵站來說幾乎無能量供應需求，靠自身的蓄能器內儲存液壓油即可完成任務。在各個加壓和排氣階段，由于壓機動梁行程發生變化，蓄能器中液壓油釋放，此時泵站系統需快速對壓機系統和蓄能器進行補充，需大量耗能；在保壓階段和卸壓階段，壓制系統對泵站系統的能量供應又趨近于零；在橫梁上行階段，泵站系統需做功用以完成動梁的提升動作。整個循環周期大約在5~10s之間。對于此類設備，充分利用伺服電機快速響應能力，采用伺服電機驅動液壓泵，進行壓力閉環控制，可很好地達到節能效果。同時，國內大扭矩伺服電機的日趨成熟，也使伺服系統在陶瓷壓機上的使用成為可能。

2.2常用陶瓷壓機泵站系統分析

定量泵具有結構簡單、維修方便、成本較低等優勢。但在使用定量泵陶瓷壓機泵站系統中，目前，普遍使用的定量泵節流調速系統，其效率較低，再加上節流調速，多余的液壓油通過溢流閥回流，造成的能量損失一般在70%左右。同時，損失的能量又轉化為熱能，使液壓油溫度升高，品質變差。

在液壓系統的設計中，不但要實現其拖動與調節功能，還要盡可能地利用能量，達到高效、可靠運行的目的。因此，目前陶瓷壓機泵站系統采用最多的是恒壓變量泵系統或恒功率變量泵系統，如圖2所示。變量泵的輸出流量可以根據系統的壓力變化（外負載的大小），自動地調節流量，即壓力高時輸出流量小，壓力低時輸出流量大，從而達到了簡化油路系統的目的。同時，其比例變量系統幾乎無節流、溢流損失，系統運行時發熱大大減少，系統效率大大提高，與定量泵系統相比較，可節能25%~45%。缺點是成本高、流量脈動嚴重、系統壓力不太平穩、變量結構復雜、可靠性低，與PLC之間很難實現自動控制。而且目前使用的三相異步電動機其機械效率低，同時在整個設備運行過程中均保持其額定轉速，能量浪費相對較大。因此，仍有很大的節能空間。

3 閉環控制的伺服泵站系統

3.1伺服泵站系統的組成結構

本系統的整體設計主要由六部分組成，分別是：A—主控系統、B—伺服驅動單元、C—伺服電機、D—液壓泵、E—壓力傳感器、F—電源再生單元及其它輔助系統組成。系統充分考慮了陶瓷壓機泵站系統各個部分節能的可行性，并分析了陶瓷壓機的運行特點及系統性價比，使節能效果最大化。本系統的結構原理示意圖如圖3所示。

3.2伺服泵站系統主要部件選擇

在本伺服泵站系統中選取的液壓泵為定量泵，主要是基于以下幾點考慮。首先，在伺服電機驅動定量泵系統中配置了壓力傳感器和旋轉編碼器，能夠得到壓力和流量反饋，可實現壓力閉環控制，提高了定量泵節流調試系統率，并有效解決了高壓溢流造成的普通定量泵系統存在的主要耗能問題；其次，伺服電機驅動定量泵系統維護方便、成本低，雖然變量泵與伺服調速技術相結合也可以提高系統效率，但與此同時大大提高了系統成本，液壓系統性價比低。

伺服電機與液壓泵是本系統的核心部件，其主要參數有：伺服電動機的額定功率、額定轉速、額定扭矩、液壓泵的排量、額定轉速等。通過公式（1）~（3）可方便測算出與陶瓷壓機相匹配的液壓泵大小，及與之相匹配的伺服電機，主要是驗算是否滿足功率、扭矩匹配及是否滿足系統的工作性能需求。

流量：qv=Vg·n·ηv/1000（1）

扭矩：T= Vg·Δp/20·π·ηmh（2）

功率：P=2π·T·n/60000=qv·Δp/600·ηt（3）

式中：

qv—液壓泵輸出流量（l/min）；

Vg—每轉的幾何排量（cm2）；

n—轉速（rpm）；

ηv—容積效率；

T—額定扭矩（Nm）；

Δp—壓差（bar）；

ηmh—機械×液壓效率；

P—液壓泵的輸出功率（kW）；

ηt—總效率（ηt=ηv×ηmh）。

3.3控制系統軟件設計

本系統主控系統通過PLC控制，采用西門子S7-300系列產品，基于STEP 7編程，由主程序模塊、控制算法模塊、及輸出控制模塊等組成。系統通過對陶瓷壓機系統壓力變化進行實時比較后，控制算法調節伺服電機的輸出轉速，來達到能量供給與系統消耗的平衡。其主程序結構圖如圖4所示。

3.4測試數據與曲線分析

在數據測試和分析環節中，通過使用專業的有功功率測試儀和美國NI高速數據采集模塊，測出伺服泵站系統的功耗數據及陶瓷壓機系統壓力變化曲線，與常用的變量泵系統相比較。數據對照如表1所示；伺服系統運行狀態及系統壓力變化曲線如圖5所示。

4 結語

本文通過對陶瓷壓機的工作周期及目前使用的泵站系統進行了分析，從而建立了一種節能的伺服泵站系統，并編寫了相應的控制程序。在保證設備穩定運行的基礎上，充分考慮了性價比以及影響節能效果的多種因素，如：伺服電機、液壓泵及陶瓷壓機匹配等問題；陶瓷壓機工作周期對節能的不同影響；通過電源再生單元將自動電阻消耗的能量高效反饋至電源等等。實踐證明，本系統可以大大降低陶瓷壓機的能量消耗，節能效果明顯，是一個優良的節能泵站系統，有助于陶瓷企業健康有序的發展。

參考文獻

[1].章宏甲,液壓傳動[M].機械工業出版社.2000.

[2].廖長初.可編程序控制器應用技術[M].重慶大學出版社.2007.

[3].劉素芹，劉新平，戚平，陳繼東.PID與模糊控制算法的比較及改進[J].控制工程.2003.

[4].陳伯時.電機拖動及自動控制系統[M].機械工業出版社.1999.

摘 要：目前節能減排已成為整個社會的共識，因此，對陶瓷壓機的泵站系統進行節能改造，是近年來的一種發展趨勢。本系統可以大大降低陶瓷壓機的能量消耗，節能效果明顯，是一個優良的節能泵站系統，有助于陶瓷企業健康有序的發展。

關鍵詞：陶瓷壓機；伺服泵站；節能

1 前言

陶瓷壓機對于陶瓷生產企業來說是一個關鍵設備，同時又是一個能耗大戶，在能源問題日益嚴重的今天，如何通過技術的改進達到節能降耗的目的，已是陶瓷壓機生產廠家不得不面對的問題。近年來，已有多個廠家在進行節能方面的試驗和探索。泵站系統為陶瓷壓機的工作提供了動力，如何在保證陶瓷壓機液壓系統穩定運行的情況下，減少不必要的輸出和損耗，從而達到節能降耗的目的是本文要介紹的重點。

2 陶瓷壓機工作周期及泵站系統分析

2.1陶瓷壓機工作周期分析

本文主要以KD3808壓機為例進行闡述，陶瓷壓機是一種典型的周期性工作制設備，一個完整的工作周期（工序過程）可分多個階段，如圖1所示。

在陶瓷壓機運行的各階段都是通過電機驅動液壓泵，輸出液壓油到各個油缸推動機械機構完成一系列動作，并且各階段所需要的壓力和流量不同。對于陶瓷壓機來說，泵站系統只需保證壓機系統壓力的變化在允許內范圍內，目前，KD3808壓機一般設定在14~16MPa范圍內，此壓力的波動范圍越小，則設備運行相對更加穩定。在陶瓷壓機的工作周期中，循環延時、推磚布料和橫梁下行階段，陶瓷壓機對泵站來說幾乎無能量供應需求，靠自身的蓄能器內儲存液壓油即可完成任務。在各個加壓和排氣階段，由于壓機動梁行程發生變化，蓄能器中液壓油釋放，此時泵站系統需快速對壓機系統和蓄能器進行補充，需大量耗能；在保壓階段和卸壓階段，壓制系統對泵站系統的能量供應又趨近于零；在橫梁上行階段，泵站系統需做功用以完成動梁的提升動作。整個循環周期大約在5~10s之間。對于此類設備，充分利用伺服電機快速響應能力，采用伺服電機驅動液壓泵，進行壓力閉環控制，可很好地達到節能效果。同時，國內大扭矩伺服電機的日趨成熟，也使伺服系統在陶瓷壓機上的使用成為可能。

2.2常用陶瓷壓機泵站系統分析

定量泵具有結構簡單、維修方便、成本較低等優勢。但在使用定量泵陶瓷壓機泵站系統中，目前，普遍使用的定量泵節流調速系統，其效率較低，再加上節流調速，多余的液壓油通過溢流閥回流，造成的能量損失一般在70%左右。同時，損失的能量又轉化為熱能，使液壓油溫度升高，品質變差。

在液壓系統的設計中，不但要實現其拖動與調節功能，還要盡可能地利用能量，達到高效、可靠運行的目的。因此，目前陶瓷壓機泵站系統采用最多的是恒壓變量泵系統或恒功率變量泵系統，如圖2所示。變量泵的輸出流量可以根據系統的壓力變化（外負載的大小），自動地調節流量，即壓力高時輸出流量小，壓力低時輸出流量大，從而達到了簡化油路系統的目的。同時，其比例變量系統幾乎無節流、溢流損失，系統運行時發熱大大減少，系統效率大大提高，與定量泵系統相比較，可節能25%~45%。缺點是成本高、流量脈動嚴重、系統壓力不太平穩、變量結構復雜、可靠性低，與PLC之間很難實現自動控制。而且目前使用的三相異步電動機其機械效率低，同時在整個設備運行過程中均保持其額定轉速，能量浪費相對較大。因此，仍有很大的節能空間。

3 閉環控制的伺服泵站系統

3.1伺服泵站系統的組成結構

本系統的整體設計主要由六部分組成，分別是：A—主控系統、B—伺服驅動單元、C—伺服電機、D—液壓泵、E—壓力傳感器、F—電源再生單元及其它輔助系統組成。系統充分考慮了陶瓷壓機泵站系統各個部分節能的可行性，并分析了陶瓷壓機的運行特點及系統性價比，使節能效果最大化。本系統的結構原理示意圖如圖3所示。

3.2伺服泵站系統主要部件選擇

在本伺服泵站系統中選取的液壓泵為定量泵，主要是基于以下幾點考慮。首先，在伺服電機驅動定量泵系統中配置了壓力傳感器和旋轉編碼器，能夠得到壓力和流量反饋，可實現壓力閉環控制，提高了定量泵節流調試系統率，并有效解決了高壓溢流造成的普通定量泵系統存在的主要耗能問題；其次，伺服電機驅動定量泵系統維護方便、成本低，雖然變量泵與伺服調速技術相結合也可以提高系統效率，但與此同時大大提高了系統成本，液壓系統性價比低。

伺服電機與液壓泵是本系統的核心部件，其主要參數有：伺服電動機的額定功率、額定轉速、額定扭矩、液壓泵的排量、額定轉速等。通過公式（1）~（3）可方便測算出與陶瓷壓機相匹配的液壓泵大小，及與之相匹配的伺服電機，主要是驗算是否滿足功率、扭矩匹配及是否滿足系統的工作性能需求。

流量：qv=Vg·n·ηv/1000（1）

扭矩：T= Vg·Δp/20·π·ηmh（2）

功率：P=2π·T·n/60000=qv·Δp/600·ηt（3）

式中：

qv—液壓泵輸出流量（l/min）；

Vg—每轉的幾何排量（cm2）；

n—轉速（rpm）；

ηv—容積效率；

T—額定扭矩（Nm）；

Δp—壓差（bar）；

ηmh—機械×液壓效率；

P—液壓泵的輸出功率（kW）；

ηt—總效率（ηt=ηv×ηmh）。

3.3控制系統軟件設計

本系統主控系統通過PLC控制，采用西門子S7-300系列產品，基于STEP 7編程，由主程序模塊、控制算法模塊、及輸出控制模塊等組成。系統通過對陶瓷壓機系統壓力變化進行實時比較后，控制算法調節伺服電機的輸出轉速，來達到能量供給與系統消耗的平衡。其主程序結構圖如圖4所示。

3.4測試數據與曲線分析

在數據測試和分析環節中，通過使用專業的有功功率測試儀和美國NI高速數據采集模塊，測出伺服泵站系統的功耗數據及陶瓷壓機系統壓力變化曲線，與常用的變量泵系統相比較。數據對照如表1所示；伺服系統運行狀態及系統壓力變化曲線如圖5所示。

4 結語

本文通過對陶瓷壓機的工作周期及目前使用的泵站系統進行了分析，從而建立了一種節能的伺服泵站系統，并編寫了相應的控制程序。在保證設備穩定運行的基礎上，充分考慮了性價比以及影響節能效果的多種因素，如：伺服電機、液壓泵及陶瓷壓機匹配等問題；陶瓷壓機工作周期對節能的不同影響；通過電源再生單元將自動電阻消耗的能量高效反饋至電源等等。實踐證明，本系統可以大大降低陶瓷壓機的能量消耗，節能效果明顯，是一個優良的節能泵站系統，有助于陶瓷企業健康有序的發展。

參考文獻

[1].章宏甲,液壓傳動[M].機械工業出版社.2000.

[2].廖長初.可編程序控制器應用技術[M].重慶大學出版社.2007.

[3].劉素芹，劉新平，戚平，陳繼東.PID與模糊控制算法的比較及改進[J].控制工程.2003.

[4].陳伯時.電機拖動及自動控制系統[M].機械工業出版社.1999.