工業(yè)4.0 下的大型液壓機(jī)技術(shù)發(fā)展

文/呂洪亮·辛北爾康普機(jī)械及成套設(shè)備有限公司

工業(yè)4.0 針對不同的領(lǐng)域應(yīng)該有不同的實踐標(biāo)準(zhǔn)，但有一個共性的底層——大數(shù)據(jù)技術(shù)。而到應(yīng)用層實現(xiàn)智能化的定義，則是百花齊放，各自為戰(zhàn)。例如在大型制造裝備領(lǐng)域，工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)的采集為下一步的數(shù)據(jù)挖掘打下基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠自動被存儲、被關(guān)聯(lián)、被調(diào)用，通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘反饋到生產(chǎn)應(yīng)用層面就是設(shè)備的能耗、生產(chǎn)能力、開機(jī)率、產(chǎn)量、訂單等，反饋到設(shè)備維護(hù)應(yīng)用方面就是可以實現(xiàn)預(yù)維護(hù)、條件維護(hù)、定期維護(hù)等，從而避免發(fā)生設(shè)備的突然停機(jī)影響生產(chǎn)。另外，大量全面的數(shù)據(jù)為工藝的優(yōu)化、產(chǎn)品的優(yōu)化、節(jié)能等多個方面提供數(shù)據(jù)支持，經(jīng)過應(yīng)用層面的轉(zhuǎn)化，變?yōu)楸硐蟮脑O(shè)備智能化。

在工業(yè)4.0 的旗幟下，大型液壓機(jī)的發(fā)展主要體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)圍繞人機(jī)互動而進(jìn)行的研發(fā)。德國辛北爾康普公司作為一家從事壓力機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)超過百年的企業(yè)，以“Leadership in Technology — 技術(shù)領(lǐng)航者”的身份持續(xù)在金屬成形領(lǐng)域深度耕耘。并提出了如下基于工業(yè)4.0 的大型液壓機(jī)技術(shù)發(fā)展內(nèi)容，如圖1 所示。

辛北爾康普將大型液壓機(jī)的數(shù)字化技術(shù)劃分為兩代系統(tǒng)：當(dāng)代系統(tǒng)和新一代系統(tǒng)。當(dāng)代系統(tǒng)的各種技術(shù)目前已經(jīng)在大型液壓機(jī)上成熟應(yīng)用并已經(jīng)逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。新一代系統(tǒng)則是基于工業(yè)4.0 的標(biāo)準(zhǔn)，圍繞著如何讓機(jī)器滿足使用者的愿望及市場需求而不斷開發(fā)和演化。

當(dāng)代系統(tǒng)

隨著航空等工業(yè)的發(fā)展，對于產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性需求越來越高。對生產(chǎn)零件的設(shè)備也提出了相應(yīng)的要求。一切以數(shù)據(jù)說話，已經(jīng)成為高端金屬成形設(shè)備的標(biāo)志，代表著壓力機(jī)電控系統(tǒng)的先進(jìn)性。

壓力機(jī)數(shù)據(jù)的管理

聽起來就是數(shù)據(jù)庫軟件的功能，但是這些功能是建立在大型液壓機(jī)復(fù)雜現(xiàn)場的基礎(chǔ)上，需要對設(shè)備數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)的各個方面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要在設(shè)備上安裝眾多的傳感器及裝置才能實現(xiàn)最全范圍、最有效的數(shù)據(jù)提取。

多年來，辛北爾康普的大型液壓機(jī)聚焦航天航空領(lǐng)域。因此，在數(shù)據(jù)管理方面，辛北爾康普一直處于行業(yè)領(lǐng)先水平。辛北爾康普的DAHMOS?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)每秒最高達(dá)4800 個數(shù)據(jù)的存儲和管理。數(shù)據(jù)記錄模式多種多樣，有可以連續(xù)/循環(huán)記錄的“Trending”模式，也有條件觸發(fā)式記錄的“Event”模式，還有單獨運行特定事例的“Analysis”模式。在“Analysis”模式下，每10 毫秒可以對48 個數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可以設(shè)置提前觸發(fā)或延后觸發(fā)的緩沖。

DAHMOS?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的先進(jìn)性還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的視覺顯示上，可以根據(jù)用戶的要求最多一次性生成10 個圖表，每個圖表都可以單獨窗口顯示，每個圖表上又可以根據(jù)用戶要求顯示最多10 個圖形或曲線，如圖2 所示。

DAHMOS?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，用戶方的專家可以根據(jù)自己的需求任意調(diào)用數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產(chǎn)品工藝分析、設(shè)備故障診斷等各種應(yīng)用。

數(shù)據(jù)的挖掘

用戶高層管理者需要的是結(jié)果化的數(shù)據(jù)，他們更關(guān)心的是與生產(chǎn)有關(guān)的各種數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)背后的結(jié)果，這通常需要一套專家支持系統(tǒng)來滿足這些需求。辛北爾康普的PROD-IQ?智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)就是這樣一套生產(chǎn)方面的專家支持系統(tǒng)。用戶通過該系統(tǒng)可以對所監(jiān)控的工藝和生產(chǎn)數(shù)據(jù)（最多200 個）進(jìn)行編輯選擇，PROD-IQ?系統(tǒng)可以以至少每分鐘兩次的頻次進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)采集、存貯，并根據(jù)內(nèi)置評估準(zhǔn)則進(jìn)行進(jìn)一步評估，評估數(shù)據(jù)及結(jié)果可以導(dǎo)出、上傳到高一層的管理系統(tǒng)，也可以形成報告打印出來，這些數(shù)據(jù)及結(jié)果可以被保存兩年。

該系統(tǒng)分為基礎(chǔ)版和升級版。基礎(chǔ)版中包含停機(jī)時間管理模塊、班次作業(yè)管理模塊和日常評估模塊，可以對停機(jī)時間、班次能耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析和管理，并可將管理范圍擴(kuò)大至整個車間。升級版中則添加了智能維護(hù)模塊和訂單管理模塊，可以實現(xiàn)智能性維護(hù)和生產(chǎn)訂單管理，為設(shè)備管理者和工廠管理者提供數(shù)據(jù)支持及直觀的分析結(jié)果。

遠(yuǎn)程在線診斷

遠(yuǎn)程在線診斷是一套通過互聯(lián)網(wǎng)解決售后服務(wù)問題的系統(tǒng)，可以有效、及時的對設(shè)備故障進(jìn)行診斷，避免了遠(yuǎn)在異地的技術(shù)專家花費大量時間和成本到現(xiàn)場處理設(shè)備故障。這套系統(tǒng)的表象是技術(shù)專家通過互聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備進(jìn)行檢查，其所依靠的基礎(chǔ)仍然是上面提到的DAHMOS?系統(tǒng)，遠(yuǎn)在異地的技術(shù)專家通過互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過用戶授權(quán)獲取設(shè)備的DAHMOS?數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行故障診斷，判定故障原因并給出解決方案。雖然這套系統(tǒng)仍然需要設(shè)備所在國家的本地工程師配合，但極大地提高了工作效率。

同上一級信息管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)4.0 的實現(xiàn)途徑，物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理。因此物聯(lián)網(wǎng)上的每一個數(shù)據(jù)節(jié)點都需要具備實現(xiàn)這些功能的設(shè)備。壓力機(jī)只是整個工廠的一個數(shù)據(jù)節(jié)點，這個數(shù)據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠被用戶編輯并選擇性的傳送到整個工廠的信息管理系統(tǒng)中，同用戶的信息管理系統(tǒng)相融合。

因此，壓力機(jī)的智能化基本功能之一就是能夠同公司的企業(yè)管理系統(tǒng)對接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；更進(jìn)一步的功能是能夠?qū)毫C(jī)本身采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，為公司的管理層提供數(shù)據(jù)支持。

計算機(jī)模擬輔助工藝系統(tǒng)

有限元模擬技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的不斷研發(fā)，其模擬時間、模擬準(zhǔn)確度和模擬精度不斷提高，已經(jīng)成為優(yōu)化鍛造工藝、實現(xiàn)鍛造自動化的有力工具。2012 年，辛北爾康普公司就提供給法國奧伯杜瓦公司一臺高速快鍛機(jī)，該壓力機(jī)通過自帶的計算機(jī)輔助鍛造軟件，實現(xiàn)了全自動化鍛造。用戶的工藝人員通過計算機(jī)輔助鍛造軟件建立道次表，壓力機(jī)根據(jù)傳送到PLC 中的道次表進(jìn)行全自動鍛造，實現(xiàn)了產(chǎn)品精度、質(zhì)量的高度一致性。

無論是模鍛還是自由鍛，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元網(wǎng)格化的時間已經(jīng)從原來的幾十小時縮短到如今的幾小時或幾十分鐘。經(jīng)過多年的實踐及經(jīng)驗總結(jié)，促進(jìn)了軟件研發(fā)人員對工藝的理解，軟件開始分化，針對不同的工藝產(chǎn)生了不同的處理計算方案。但“百川異源，而皆歸于海”，各種模擬軟件的最終目標(biāo)就是達(dá)到盡量高的現(xiàn)實模擬度。實際上，現(xiàn)在很多計算機(jī)模擬軟件的模擬結(jié)果已經(jīng)同現(xiàn)實非常接近，如圖3 所示。客戶現(xiàn)場的應(yīng)用反而成了“短板”，缺少能夠熟練使用這些軟件的技術(shù)人員。

新一代系統(tǒng)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，金屬成形液壓機(jī)在眾多方面已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平：大型5 萬噸模鍛液壓機(jī)的工藝平行精度媲美頭發(fā)絲的細(xì)度，壓制速度的控制精度達(dá)到制表工匠的精確度，成形過程中實現(xiàn)材料的應(yīng)變速率控制。大型自由鍛設(shè)備鍛造精度±1mm，鍛造頻次達(dá)到每分鐘110 次以上。發(fā)展到如此性能，進(jìn)一步提高已經(jīng)變得比較困難。隨著性能提升越來越難，客戶對壓機(jī)的健康即運行的穩(wěn)定性和維護(hù)需求也越來越重視，從壓機(jī)本身進(jìn)行“挖潛增效”勢在必行。辛北爾康普的新一代系統(tǒng)就是圍繞著這些需求和目標(biāo)在逐步研發(fā)。

模擬軟件同壓力機(jī)的兼容接口

上面提到，計算機(jī)輔助鍛造已經(jīng)普遍為鍛造企業(yè)所使用。現(xiàn)在市場上有眾多知名輔助鍛造軟件，這些軟件的最終模擬結(jié)果都需要轉(zhuǎn)化為壓力機(jī)上的成形工藝。因此，壓力機(jī)的PLC 系統(tǒng)應(yīng)能夠使用這些眾多知名軟件的模擬結(jié)果和方案，這就對壓力機(jī)為軟件提供的接口的兼容性提出要求：無論是哪種軟件的模擬結(jié)果，都可以通過該接口傳送到壓力機(jī)的PLC 系統(tǒng)，直接用于生產(chǎn)。

重要液壓元件的工況監(jiān)測系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是大型液壓機(jī)的心臟，為大型液壓機(jī)提供動力。重要的液壓系統(tǒng)元件例如主泵或者控制閥如果出現(xiàn)故障，對整個壓機(jī)的性能影響非常大，并且不好診斷故障點。辛北爾康普針對重要液壓元件的維護(hù)開發(fā)了液壓工況監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面采用了額外的傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對主液壓元件工況的動態(tài)監(jiān)測及強(qiáng)制檢測，另一方面在控制器內(nèi)內(nèi)置了智能評估準(zhǔn)則和相應(yīng)的可視化系統(tǒng)。因此，設(shè)備維護(hù)和操作人員能夠從系統(tǒng)中得到部件的通用功能監(jiān)測以及元件磨損的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

例如，對于主泵系統(tǒng)，除了會監(jiān)控運轉(zhuǎn)中當(dāng)前磨損狀況和泵的效率之外，該工況監(jiān)測系統(tǒng)還可定期的在設(shè)備待機(jī)期間分別的自動測試每一臺主泵以便在早期檢測出主泵的任何微小故障和變化，通過早期錯誤檢測來避免計劃外的停機(jī)時間。

節(jié)能——按需供能

近年來，在鍛造領(lǐng)域，特別是在大型熱鍛液壓機(jī)領(lǐng)域，由于加熱爐和熱處理爐是整條生產(chǎn)線的耗能大戶，所以用戶一直盯著這個領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)，而忽視了壓力機(jī)本身的能源消耗。辛北爾康普經(jīng)過多年的研究，發(fā)現(xiàn)自由鍛壓力機(jī)運行期間，有25%到30%的時間處于停機(jī)空載運行（上下料等），而模鍛壓力機(jī)時間更長，有的時候高達(dá)50%的時間處于停機(jī)空載運行。這部分空載運行時間的電能消耗白白浪費掉了，數(shù)據(jù)分析如圖4 所示。

針對這一現(xiàn)象，辛北爾康普開發(fā)了iPS?智能驅(qū)動系統(tǒng)（Intelligent Power System）。該系統(tǒng)通過硬件輔助加上軟件控制，當(dāng)壓力機(jī)運行時，如果停歇時間超過設(shè)定時間時（可以設(shè)定很短，秒數(shù)級），主泵等設(shè)備的電機(jī)會自動關(guān)閉；當(dāng)壓力機(jī)需要開始鍛造時，在幾秒至幾十秒的短時間內(nèi)，主泵等設(shè)備的電機(jī)會達(dá)到正常轉(zhuǎn)速，壓力機(jī)開始正常鍛造工作。關(guān)閉的電機(jī)重新開啟時也不會產(chǎn)生大起動電流。這樣就完美地解決了壓力機(jī)空載運行的能源浪費問題。簡而言之，壓力機(jī)運行期間停歇時間越長，這套系統(tǒng)的節(jié)能效果越顯著。

同時，針對加熱冷卻循環(huán)HCF 單元，這套系統(tǒng)也有相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)。系統(tǒng)會自動對液壓油的清潔度進(jìn)行監(jiān)控，如果液壓油的清潔度達(dá)到要求，則HCF單元自動關(guān)閉。如果清潔度達(dá)不到要求，HCF 單元自動開啟進(jìn)行循環(huán)過濾，而不會像傳統(tǒng)液壓機(jī)的HCF單元，一直保持持續(xù)運轉(zhuǎn)。

圖5 是通過DAHMOS?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采集壓力機(jī)數(shù)據(jù)生成的節(jié)能效果比較圖，可以看到，除了控制系統(tǒng)的電機(jī)沒有變化外，主泵、供油泵、HCF 單元都會根據(jù)壓力機(jī)的停歇時間關(guān)閉和打開，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

結(jié)束語

無論是當(dāng)代系統(tǒng)還是新一代系統(tǒng)，都是辛北爾康普根據(jù)工業(yè)革命的理念和市場的需求不斷研發(fā)的結(jié)果。這些系統(tǒng)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)落地開花，效果也已經(jīng)“初露端倪”。工業(yè)4.0 下，設(shè)備智能化的研發(fā)仍在如火如荼的開展，為客戶打造更為強(qiáng)大的核心競爭力，實現(xiàn)更高的利潤率是設(shè)備提供商一直追求的終極目標(biāo)。液壓機(jī)作為重要的金屬成形設(shè)備，期待有更多、更深層次的智能化應(yīng)用技術(shù)不斷出現(xiàn)。