電液比例閥閉環控制技術的應用與維護

吳建華

（大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠，湖北黃石 435005）

0 引言

電液比例控制技術是繼液壓伺服技術之后發展起來的一門新興學科，是液壓技術的重要組成部分。傳統的液壓控制方式是開關型控制，通過電磁驅動來實現閥的導通和斷開，從而實現被控對象的自動化，是迄今為止用得最多的一種液壓控制方式。但這種控制方式無法實現對液體流量連續、按比例地控制，同時控制精度差、響應比較低，不宜采用在控制要求較高的場合。

1 電液比例控制系統簡介

電液比例控制系統，是介于開關控制和伺服控制之間的一種新型控制系統，與開關系統相比，它能實現連續、比例控制，并且控制精度高、反應速度快；與伺服控制系統比較，由于比例閥是在普通工業閥的基礎上改造而成的，因此加工精度不高，制造成本低廉，抗污染性能好，幾乎同開關型控制差不多。雖然在控制精度、反應速度等控制性能比伺服閥和伺服系統差，但能滿足大多數工業控制要求，并且閥內壓力小，因此能節約能耗，降低發熱量。

電液比例控制按被控量是否有反饋，可以分為開環控制和閉環控制。閉環控制和開環控制的區別在于，閉環控制系統在開環控制的檢測上增加了一個測量反饋元件，不斷測量系統的輸出量，并將其轉換成比例的電壓或電流信號，反饋到系統的輸入端，同系統的輸入信號進行比較，形成偏差值。此偏差值經放大、校正后，加到電液比例閥上，放大成大功率的液壓信號，去驅動執行元件，拖動負載朝消除偏差的方向運動，直到偏差趨近于零為止。

2 電解陽極準備機組橫向鏈比例閥閉環控制簡介

大冶有色金屬公司電解陽極準備機組是引進芬蘭Outotec（奧圖泰）公司的現代化機組，自動化程度高，設計處理能力440塊/h 陽極板。在橫向鏈運行過程中，其上方最多可以有5 塊陽極板，每塊陽極板的重量為287 kg，總重量為1435 kg，設計正轉的速度為26.1 r/min，反轉時的速度為8.6 r/min，因此橫向鏈運行的快速性和性能穩定性顯得尤為重要。

橫向鏈的作用除了運送陽極之外，其中間部份有一壓板裝置，每塊陽極在橫向鏈的運送下，都要進入到壓板裝置中進行壓板，壓板裝置的作用是使不平整的陽極通過壓板裝置后，陽極的耳部、本體變得平整。壓板裝置上裝有6 個檢測陽極厚度的傳感器，分別檢測陽極左耳部、右耳部、左邊本體、右邊本體、上部本體和下部本體厚度，如果厚度不滿足設計要求，當陽極運送到橫向鏈末端時，就會被當做次品陽極而拒收，合格陽極就會進入到下一道工序。橫向鏈的運動方式采用電液比例閥閉環控制技術，其控制系統方框圖如圖1 所示。

在陽極準備機組中，橫向鏈使用的是威格士比例放大板，型號為EEA-PAM-535-C-32，其帶有指令邏輯模塊和4 個斜坡型控制，這款比例放大板不帶PID 模塊。與之配套的比例閥型號為KFDG4V-5 比例閥，是帶反饋的比例方向控制閥。

圖1 陽極機組橫向鏈電液比例閉環控制系統

從圖1 中可以看到，檢測反饋元件有2 種，分別是內環檢測反饋元件和外環檢測反饋元件。內環檢測元件通常包含在比例閥中，構成比例閥本身的局部小閉環控制，但一般不稱其為閉環系統。它是用于改善閥的動、靜特性，如圖中虛框所示的比例閥閥體上的差動變壓器，是機械液壓檢測電反饋元件，它可以確保精確的閥芯位置控制。外環檢測元件直接檢測輸出量，其構成的反饋回路稱其為外反饋，只有包含了外反饋回路控制系統的才稱為閉環控制系統，它是為了提高整個系統的性能和控制精度。如圖1 中所示的檢測液壓馬達速度的增量型旋轉編碼器，它的輸出脈沖通過信號轉換器轉換成4～20 mA 電流信號，反饋給PID 控制器，PID 控制器輸出±10 V 電壓信號給比例放大板，在PLC 編程器中發出正轉或者反轉的信號，來控制橫向鏈的運轉。

圖2 是比例閥內部的反饋接線圖，比例閥放大板給差動變壓器（LVDT）提供DC15 V 的直流電；比例閥閥體上的差動變壓器，其作用是檢測主閥芯的位置，產生一個電控模塊可以識別的反饋信號。電控信號通過輸入信號和反饋信號之間的偏差來驅動電磁閥，進而改變先導壓力，驅動主閥芯到正確的位置。

圖3 是外反饋的接線圖。連接在液壓馬達軸上的增量型編碼器，隨著液壓馬達的運轉，把位移轉換成計數脈沖數，輸出到信號轉換器，將計數脈沖數轉換成±10 V、0～20 mA 和4～20 mA模擬量信號。在本例中，轉換成的模擬量信號4～20 mA 輸出到PID 控制器中。PID 控制器選用的威格士控制器，型號為EHAPID-201-A-20。在PID 控制器中輸出±10 V 電壓信號給比例放大板，這樣，一個完整的比例閥閉環控制系統就形成了。

圖2 差動變壓器（LVDT）反饋（內反饋）控制接線

圖3 編碼器反饋（外反饋）控制接線

3 電液比例閥閉環控制的維護及故障處理

電液比例閥閉環控制維護方便，故障率低，可以通過比例放大板上的LED 燈來判斷比例閥的故障類型，見圖4。

如果出現比例放大板故障不能工作或者橫向鏈運行不平穩，可以從下面7 個方面進行檢查:

（1）檢查所有的連線是否正確。

（2）檢查24 V 電源和24 V 電源LED 燈是否亮。

（3）檢查內部的15 V 電源燈是否亮，如果24 V 燈亮、15 V LED 熄滅，則應該更換比例放大板。

（4）檢查比例放大板使能燈是否點亮。

（5）如果LVDT（差壓變壓器）故障燈點亮，檢查LVDT 電纜和連線。為了正確檢查比例放大板的功能，斷開閥的所有連接，連接z22（+15 V）1.2 kΩ 電阻到b14。連接電阻之后，LVDT 故障燈應該熄滅，如果沒有熄滅，更換比例放大板。在陽極機組橫向鏈的出現的故障中，出現過LVDT 故障燈點亮，造成橫向鏈不能運轉。經維修人員檢查后，發現現場LVDT 接線插頭上電源線接地，處理后，故障燈熄滅，橫向鏈運行正常。

（6）如果超載故障燈亮，通過萬用表檢查電磁閥線圈是否短路或者開路。

（7）當出現橫向鏈運行不平穩，有時速度很快，造成橫向鏈抖動過大。檢查連接在液壓馬達上的增量型編碼器，看是否損壞，或者編碼器連接在液壓馬達軸上的頂絲是否松動。

圖4 比例放大板面板各LED 燈的含義

4 結束語

大冶有色金屬公司電解陽極準備機組橫向鏈采用電液比例閥閉環控制技術，自2012 年投產以來，運行穩定、安全可靠、故率低、維護方便，很好地保證了生產的正常運行。電液比例閥閉環控制技術的應用，對提高作業效率、控制精度和實現智能化作業都有極其重要的意義，將會在越來越多的工程技術上得到應用。