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，可為系統所有液壓執行器和控制器提供壓力油源，在工業過程中具有非常廣泛的用途。集中液壓油源裝機容量大、能量消耗大、發熱量大、需要的輔助循環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控進行研究，提出了一種集中液壓油源的分布式監控方案和節能控制策略，可以實現液壓站自適應供油節能控制和冷卻回路的智能控制。本文技術方案在實際液壓站的監控過程中具有非常好的技術性能，節能效果顯著、控制操作簡便，支持遠程移動監控。

液壓油源；監控；節能；自適應控制

1.前言

集中液壓油源是某些大型液壓系統的重要設備之一，主要實現為所有的液壓部件提供動力油源，是液壓自動化系統的重要組成部分。國內某些大型的集中液壓油源總裝機功率接近5000KW,包含了10～20臺200KW及以上的大功率電機；集中液壓油源消耗功率大、運行工況復雜，必須進行實時監測和控制。在傳統模式的集中液壓油源操作和監控過程中，操控和監視過程非常繁瑣、勞動強度大、人為導致的故障和錯誤較多、系統輔助和準備時間長、自動化程度較低；隨著自動化技術和分布式監測控制技術的發展，建立完整、統一的集中液壓油源分布式控制系統，實現液壓泵、電機的運行控制、油液/油位監測、輔助設備監測和控制、工作裝置接口監測和控制、冷卻系統的運行與管理等功能，對于集中液壓油源非常重要。以現有技術為基礎，實現集中液壓油源的全面自動化、節能和高效運行已經具備成熟的技術基礎。

針對液壓油源，實現液壓油源的集中監測和自動控制，可在如下方面體現出良好的技術和經濟優勢：1）實現大型液壓站的無人值守和自動巡檢，有效降低人員成本；實現設備自動控制，減少工人勞動強度；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，延長設備使用壽命；提高對設備的故障分析和判斷能力，減少停機事故。3）提供一個高速、安全、可靠的管理平臺；提高整體集成水平，發揮自動化系統的綜合管理效益；提高安全生產管理和調度水平。4）通過分布式控制、智能決策和調度，可以提高集中液壓站節能效果，提高系統可靠性和使用壽命。

結合多個集中液壓站控制系統設計的經驗，本文將提出一種較為通用的集中液壓站控制系統結構和實現方式。首先介紹系統整體方案，然后分別介紹液壓站節能和分布式移動監測功能的實現方案。

2.控制系統總體結構

針對典型的集中液壓站，可以采用一種分層遞階的控制結構（圖1），系統分為傳感器與執行器層、過程控制層、協同控制層、集中管理層、遠程控制層五層。

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

過程控制層包括PLC主站、遠程IO分站等，實現對現場設備實現運行參數的采集，并負責傳達集中控制信號至現場設備；各遠程IO分站通過其現場總線采集各自所控制設備的運行參數，并實現對分系統設備的控制。如：循環油泵、冷卻系統、用油工作裝置（工位閥臺）、執行器或其它工作裝置等。

協同控制層實現對集中液壓站系統的集中統一控制，根據用戶的輸入請求，對控制任務進行規劃分解，并協調過程控制層實現預定的控制任務；協同控制層還完成對液壓站系統的集中統一的狀態參數采集、評價和故障識別與處理等功能。

集中管理層實現對集中液壓站的集中配置、管理、統計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據和設置、標定參數、用戶分類管理數據等基礎數據；還提供對遠程監視控制終端的基礎服務功能，使用戶通過遠程服務控制終端（手機、平板電腦等）完成對液壓站系統的監視、控制和管理。

遠程控制層主要實現用戶通過公共數據網絡在大范圍內實現對集中液壓站的監視、控制、管理、配置、統計分析。可以顯示實時/歷史曲線、現場照片和各種運行數據。遠程控制層與集中管理中心的數據一般需要加密傳輸，以保證數據安全、裝備安全。

圖1 液壓控制系統結構圖

3.液壓站自適應供油節能控制

集中液壓站采用了集中供油的方式，實際使用過程中各個用油工作裝置需要根據工作需要請求開展作業所需要的壓力和流量。集中液壓站控制系統則根據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，實現所需的壓力和流量供給。

在實際運行過程中，集中液壓站支持多個工作裝置同時用油，各工作裝置實際所需要的壓力和流量是與其執行的控制動作有密切關系的，實際開展測試控制任務所需要的流量、壓力一般是一個動態變化過程，絕大數時候系統所需要的實際供油壓力和流量遠低于請求的供油壓力和流量（工作裝置一般根據一個階段的供油需要的最大值提出調節申請，也只有這樣才能保證裝置能夠完成其工作任務）；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所控制，所以當集中液壓站持續按照所請求的流量、壓力參數對外供油時會導致不必要的能源損失。為此，可為集中液壓站設計一種針對自適應供油控制的策略。

自適應供油控制策略可用圖2表示，在實際供油控制過程中，集中液壓站控制系統以各個工作回路所請求的最大流量和最大壓力參數為參考，同時監視液壓系統的溢流壓力損失、各工位的實際工作流量和工作壓力；在預測各工作回路短時（一般1～2秒內）的工作流量和工作壓力變化趨勢的基礎上，綜合決策，自適應地調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，使系統能夠工作并留有必要的安全裕度，對實際工作裝置的正常運轉沒有影響，具有非常廣泛的適應性。

在根據上述策略進行決策時，控制系統應根據請求供油參數、實際供油參數和溢流損失監測參數計算流量壓力控制參數；實際有可能采取如圖3所示的4種控制策略。在實際請求的壓力、流量均大于實際輸出的壓力和流量，且溢流損失小時應加大控制量提高供油壓力和流量；在實際請求的壓力、流量均小于實際輸出的壓力和流量，且溢流損失顯著時應減小控制量，降低供油壓力和流量。另外兩種情況是上述情況的綜合，應當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則或設計模糊控制器實現，效率高，實施簡便。

圖2 自適應供油節能機理

圖3 自適應供油工作機制

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、持續工作時間長，溫度變化范圍要求較為嚴格等特點，設計不當的冷卻控制系統不但能耗高、而且容易超出規定的溫度范圍導致停機、影響系統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所示的模糊自適應冷卻控制策略，可以顯著提高油源溫度的穩定范圍，并有非常顯著的節能效果。模糊自適應冷卻控制策略在啟動階段采用BANG-BANG控制策略，快速投入溫度調節裝置，在接近所需溫度區間的中間溫度時，采用模糊自適應策略，根據溫度誤差和誤差變化速度確定溫度調節裝置的控制參數，對具有顯著時滯、大時間常數的溫度調節過程具有顯著效果。

圖4 模糊自適應冷卻控制

5.集中液壓站狀態監測與故障診斷

大型集中液壓站設備構成復雜，體積龐大，安裝和維護作業空間有一定限制。為了實現免維護和少維護的需求，建立集中液壓站的集中狀態監測和診斷分析系統非常必要。

集中液壓站狀態監測與故障診斷主要以實現核心控制功能所需的壓力、流量、溫度、電壓和電流參數為基礎，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、應力和應變傳感器等。集中液壓站狀態監測與故障診斷的典型功能設置和主要的處理算法如表1所示。

表1 液壓站狀態監測與故障配置

6.液壓站遠程移動監視與控制

對于特大型的集中液壓站控制系統，一般應支持通過遠程移動終端對其運行過程進行監視、控制和管理調節，在系統發生故障或運行狀態改變時可根據配置確定的方式主動將事件信息、狀態發送到指定的遠程移動終端。遠程移動終端一般包括如下功能模塊：

運行參數查詢：通過不同的組合條件查詢設備、系統的使用記錄、當前和歷史的運行狀態數據。

運維助手：實現設備運行維護管理，主要查詢和統計設備的運行狀態，檢修維護記錄，告警記錄，動作事件，設備用電記錄和電費，泵/電機的工作時間等；設備故障和動作事件的主動提示也是運維助手的重要功能之一。

工作組管理：主要對設備的運行、操作、維護、檢修、登錄權限的設置和管理。包括對所有用戶可通過遠程終端進行的操作及其權限的管理。

系統設置：主要配置集中液壓站控制運行方式和與運行控制過程有關的參數，例如禁止某部分泵、閥進行操作，設置流量/壓力的控制模式等。

內部信息交流（通知和任務分配等）：主要在與設備運行、維護有關的人員間傳輸管理信息，包括文本和圖片等。

7.工程實施和運行效果評價

根據本文設計的系統方案，為某特大型集中液壓站設計并實施了完整的監測、控制和診斷系統。系統最大供油流量17000L/Min,最高工作壓力35MPa, 瞬時最大功率5500KW。

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

基于對前階段所設計的控制策略節能效果評估，在本項目的第二期階段，實際配置的冷卻系統容量可降低50%以上，減少投入800萬元以上。

上述項目已經正式投入運行兩年以上，在本文所設計的集中監測、控制和診斷系統的支持下，系統智能化和自動程度顯著提高；在早期項目中，為同等規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，在本文技術方案的支持下，液壓運行維護人員降低為2人。年平均故障降低了50%，月平均可工作小時數顯著增加，由于系統維護、檢修和故障處理所消耗的時間約為正常運行時間的0.5～0.8%，技術和經濟效益非常顯著。

[1]楊文華．液控原理[M]．北京：學術書刊出版社,1990．08．

[2]盧長耿,李金良．液壓控制系統地分析與設計[M]．北京：煤炭工業出版社,1991．02．

[3]顏榮慶,李自光,朱福民,李萬莉．現代工程機械液壓系統分析[M]．北京：人民交通出版社出版,1998．10．

圖1 系統總體框圖

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