基于智能控制的港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究

摘 要：文章對基于智能控制的港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)展開節(jié)能優(yōu)化研究，分析港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀與節(jié)能必要性，探討智能控制技術(shù)在港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際案例展示應(yīng)用效果，剖析面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略，基于智能控制的港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化是解決港口起重機(jī)能耗高、效率低等問題的有效途徑。為港口實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能運(yùn)行提供理論與實(shí)踐支持。

關(guān)鍵詞：智能控制 港口起重機(jī) 液壓系統(tǒng) 節(jié)能優(yōu)化

近年來，全國各地區(qū)、各行業(yè)積極推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。港口起重機(jī)作為港口貨物裝卸的關(guān)鍵流動(dòng)機(jī)械設(shè)備，其能耗在港口總能耗中占據(jù)較大比例。傳統(tǒng)港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)存在能耗高、效率低等問題，這不僅導(dǎo)致港口運(yùn)營成本增加，同時(shí)也對環(huán)境造成了一定壓力。智能控制技術(shù)的快速發(fā)展為港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化提供了新的途徑。將智能控制技術(shù)應(yīng)用于港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的精確控制，有效地提高系統(tǒng)效率，降低設(shè)備能耗，進(jìn)而提升港口的綜合競爭力。

1 港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀與節(jié)能必要性

1.1 不同工況下的能耗特點(diǎn)

港口起重機(jī)在起升、變幅、回轉(zhuǎn)等不同作業(yè)工況下，其液壓系統(tǒng)的能耗存在顯著差異。起升工況下，起重機(jī)需克服吊裝貨物的重力做功，能耗較大；變幅工況中，隨著起重臂的伸展和收縮，負(fù)載變化頻繁，液壓系統(tǒng)的能耗也隨之波動(dòng)；回轉(zhuǎn)工況時(shí)，起重機(jī)主要克服慣性力和摩擦力做功。在典型的港口裝卸作業(yè)中，起升工況能耗占總能耗的40%-50%，變幅工況占20%-30%，回轉(zhuǎn)工況占10%-20%[1]。

1.2 能耗高的原因分析

傳統(tǒng)港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)能耗高的原因主要包括以下幾個(gè)方面。一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，存在能量浪費(fèi)的環(huán)節(jié)。例如，液壓泵的選型往往偏大，在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常處于非額定工況，導(dǎo)致能量利用率低下。二是控制策略落后，無法根據(jù)負(fù)載的變化情況對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。例如，輕載時(shí)，液壓系統(tǒng)仍以重載時(shí)的流量和壓力運(yùn)行，造成大量能量的浪費(fèi)。三是設(shè)備老化和維護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致系統(tǒng)泄漏增加，效率降低，從而能耗上升[2]。

1.3 節(jié)能必要性

隨著各行業(yè)環(huán)保意識的不斷提高，減少能源消耗和降低碳排放已成為全球共識。港口起重機(jī)作為高能耗設(shè)備，其節(jié)能優(yōu)化有助于減少對環(huán)境的污染，不僅符合國家的環(huán)保政策要求，也有助于提升港口的社會(huì)形象，促進(jìn)港口的可持續(xù)發(fā)展[3]。港口起重機(jī)的能耗成本是港口運(yùn)營成本的重要組成部分，對起重機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，降低其能耗將直接減少港口的運(yùn)營成本，對于提高港口的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)港口在市場中的競爭力具有重要意義。

2 智能控制在港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化中的應(yīng)用

2.1 智能控制在液壓泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在起重機(jī)液壓系統(tǒng)中，液壓泵作為核心動(dòng)力源，其運(yùn)行效率直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能耗。傳統(tǒng)的液壓泵控制系統(tǒng)難以精準(zhǔn)適應(yīng)港口起重機(jī)復(fù)雜多變的作業(yè)工況，導(dǎo)致能源浪費(fèi)嚴(yán)重。智能控制技術(shù)的引入，為液壓泵控制系統(tǒng)帶來了革命性變革。在如圖1所示的基于智能控制的液壓泵控制系統(tǒng)中，傳感器1、3、4實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、臂架角度、起重機(jī)起吊重量等工作參數(shù)，這些數(shù)據(jù)被傳輸至控制系統(tǒng)，經(jīng)智能算法分析處理，精確計(jì)算出液壓泵在不同工況下所需輸出的流量和壓力。以模糊控制算法為例，對輸入的連續(xù)量進(jìn)行模糊化處理，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行推理決策，進(jìn)而輸出精確控制量。起重機(jī)起吊重物時(shí)，若起吊重量增加，模糊控制系統(tǒng)會(huì)迅速做出響應(yīng)，調(diào)整液壓泵的排量，使輸出壓力和流量精準(zhǔn)匹配負(fù)載需求，避免因過度輸出造成能源浪費(fèi)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也是智能控制在液壓泵控制系統(tǒng)中的重要應(yīng)用[4]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，通過對大量樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，構(gòu)建起輸入（工作參數(shù)）與輸出（液壓泵控制信號）之間的復(fù)雜映射關(guān)系。在實(shí)際工作中，即便面對工況突變，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制下的液壓泵也能快速調(diào)整工作參數(shù)，確保系統(tǒng)始終保持節(jié)能高效運(yùn)行。

此外，智能控制還能實(shí)現(xiàn)液壓泵的多泵協(xié)同優(yōu)化控制。在大型港口起重機(jī)中，往往配備多個(gè)液壓泵。智能控制系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)工況，合理分配各液壓泵的工作任務(wù)，使多個(gè)泵之間協(xié)同工作，在滿足作業(yè)需求的前提下，最大限度降低整體能耗。例如，在輕載作業(yè)時(shí)，僅啟動(dòng)部分小功率泵，重載作業(yè)時(shí)再按需啟動(dòng)大功率泵，從而實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

2.2 智能控制在液壓閥控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的比例閥控制方式難以依據(jù)工況的變化對液壓油的流量進(jìn)行精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)，而在圖2所示的基于智能控制的液壓閥控制系統(tǒng)中，智能控制系統(tǒng)依據(jù)速度傳感器6、壓力傳感器7反饋的起升速度、負(fù)載重量等數(shù)據(jù)，運(yùn)用自適應(yīng)控制算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整比例閥4的閥口開度，使液壓油流量與實(shí)際作業(yè)需求進(jìn)行精確匹配。

智能控制技術(shù)在液壓閥控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，有效提升了港口起重機(jī)的節(jié)能水平與作業(yè)效率。在港口起重機(jī)的液壓系統(tǒng)中，液壓閥承擔(dān)著控制液壓油流向、壓力以及流量的關(guān)鍵職責(zé)，其控制效果關(guān)乎系統(tǒng)的工作性能與能耗狀況。智能控制借助高精度傳感器，實(shí)時(shí)收集起重機(jī)作業(yè)過程中負(fù)載變化、運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)壓力等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)被迅速傳輸?shù)街悄芸刂葡到y(tǒng)中，經(jīng)復(fù)雜的算法運(yùn)算，對液壓閥的閥口開度、切換時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)控制。在起重機(jī)起吊較輕貨物且需快速提升時(shí)，智能控制系統(tǒng)會(huì)增大比例閥閥口開度，使更多液壓油快速流入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高起升速度；當(dāng)起吊重物時(shí)，則自動(dòng)減小比例閥閥口開度，確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，避免因流量過大造成能源浪費(fèi)與設(shè)備磨損[5]；此外，模糊控制算法在液壓閥控制系統(tǒng)中也發(fā)揮著重要作用。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，工況常存在諸多不確定性與模糊性，難以用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，模糊控制將這些信息進(jìn)行模糊化處理，依據(jù)預(yù)設(shè)的模糊規(guī)則進(jìn)行推理，進(jìn)而輸出精準(zhǔn)控制指令。例如，在起重機(jī)的變幅工況中，臂架角度、負(fù)載大小以及作業(yè)環(huán)境等因素相互交織，工況復(fù)雜，模糊控制系統(tǒng)可綜合考慮這些因素，智能調(diào)整液壓閥動(dòng)作，使變幅過程平穩(wěn)且高效。智能控制還能實(shí)現(xiàn)多個(gè)液壓閥的協(xié)同工作。在大型港口起重機(jī)的復(fù)雜液壓系統(tǒng)中，多個(gè)液壓閥協(xié)同控制著不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。智能控制系統(tǒng)可依據(jù)整體作業(yè)需求，對各液壓閥的動(dòng)作順序、時(shí)間間隔等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。在一次起吊作業(yè)中，智能控制系統(tǒng)能精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制起升、變幅、回轉(zhuǎn)等不同功能的液壓閥，確保各執(zhí)行機(jī)構(gòu)緊密配合，避免因液壓閥動(dòng)作不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的能量損耗與作業(yè)效率低下。

2.3 智能控制在系統(tǒng)能量回收與再利用中的應(yīng)用

港口起重機(jī)在起升機(jī)構(gòu)下降和變幅機(jī)構(gòu)回縮等過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的勢能和動(dòng)能，通常采用安裝能量回收裝置，如液壓蓄能器、發(fā)電機(jī)的方式將這些能量回收并儲(chǔ)存起來。智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對能量回收裝置的精確控制，確保能量的高效回收和利用。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和能量回收裝置的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整能量回收裝置的工作參數(shù)，使能量回收效率最大化。系統(tǒng)回收的能量將會(huì)在起重機(jī)的其他作業(yè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行再利用，智能控制技術(shù)可以根據(jù)起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的工作需求和能量回收裝置的儲(chǔ)能狀態(tài)優(yōu)化能量再利用策略。當(dāng)起重機(jī)需要進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，智能控制系統(tǒng)可優(yōu)先利用能量回收裝置儲(chǔ)存的能量，減少對主液壓泵的能量需求，從而降低系統(tǒng)能耗。

3 基于智能控制的港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某港口擁有多臺大型起重機(jī)，為降低能耗，提高作業(yè)效率，項(xiàng)目組對其中一臺起重機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了基于智能控制的節(jié)能優(yōu)化改造。改造內(nèi)容包括安裝智能控制系統(tǒng)、更換節(jié)能型液壓泵和液壓閥、增設(shè)能量回收裝置等。

3.2 節(jié)能優(yōu)化措施

3.2.1 智能控制系統(tǒng)

在智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建上，采用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的創(chuàng)新算法。通過模糊控制算法對起重機(jī)起吊作業(yè)中的風(fēng)力、濕度等信息進(jìn)行模糊化處理，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行推理，輸出初步控制指令。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對起重機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化控制策略。二者協(xié)同工作，依據(jù)起重機(jī)實(shí)時(shí)的作業(yè)工況和負(fù)載變化，精準(zhǔn)實(shí)時(shí)調(diào)整液壓泵的排量、壓力，以及液壓閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間。當(dāng)起重機(jī)起吊重物時(shí)，系統(tǒng)迅速響應(yīng)負(fù)載變化，通過算法運(yùn)算，精確控制液壓泵增加排量，提高系統(tǒng)壓力，同時(shí)精準(zhǔn)控制液壓閥閥口開度，確保液壓油快速、穩(wěn)定地輸送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保障起吊作業(yè)平穩(wěn)高效進(jìn)行。

3.2.2 液壓泵和液壓閥

液壓泵選用A10VSO系列負(fù)載敏感變量泵。系統(tǒng)可以最大程度地利用液壓泵的輸出功率，減小節(jié)流損失和溢流損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率，從而實(shí)現(xiàn)變量泵節(jié)能。節(jié)能型液壓閥的閥芯經(jīng)過優(yōu)化后流道更加順暢，在控制液壓油流量和壓力時(shí)產(chǎn)生的壓力損失更小，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的整體效率。

3.2.3 能量回收裝置

為實(shí)現(xiàn)能量的高效回收與再利用，項(xiàng)目組為起重機(jī)安裝了液壓蓄能器作為核心能量回收裝置。在起升機(jī)構(gòu)下降和變幅機(jī)構(gòu)回縮過程中，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量原本被浪費(fèi)的能量。在如圖3所示的基于智能控制的能量回收系統(tǒng)中，系統(tǒng)精準(zhǔn)捕捉能量釋放信號，通過控制液壓回路使執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)液壓泵1反轉(zhuǎn)，將這些動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能，高效儲(chǔ)存于液壓蓄能器12中。當(dāng)起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)或起升機(jī)構(gòu)加速時(shí)，智能控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)的能量需求，精準(zhǔn)控制蓄能器12釋放儲(chǔ)存的壓力能，為這些機(jī)構(gòu)提供額外的動(dòng)力支持，減少主油泵的能量輸出，從而實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用。

3.3 應(yīng)用效果

經(jīng)過節(jié)能優(yōu)化改造后，該起重機(jī)的平均能耗比改造前降低了18%，作業(yè)效率提高了12%。同時(shí)，由于智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，起重機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性得到有效提升，設(shè)備故障率明顯降低，維修成本也相應(yīng)減少。

4 結(jié)論

基于智能控制的港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化是解決港口起重機(jī)能耗高、效率低等問題的有效途徑。將智能控制技術(shù)應(yīng)用于液壓泵控制、液壓閥控制和系統(tǒng)能量回收與再利用等方面，可實(shí)現(xiàn)對港口起重機(jī)液壓系統(tǒng)的精確控制，從而取得顯著的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。展望未來，港口流動(dòng)機(jī)械設(shè)備將朝著智能化與自動(dòng)化程度不斷提高、多技術(shù)融合、綠色環(huán)保與可持續(xù)的方向發(fā)展，港口企業(yè)應(yīng)積極關(guān)注和推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展，為港口行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型提供更多的理論和實(shí)踐支持。

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