伺服泵站系统在陶瓷酒坛压机上的应用

　　目前节能减排已成为整个社会的共识，因此，对陶瓷酒坛压机的泵站系统进行节能改造，是近年来的一种发展趋势。本系统可以大大降低陶瓷酒坛压机的能量消耗，节能效果明显，是一个优良的节能泵站系统，有助于陶瓷酒坛企业健康有序的发展。

　　1、前言

　　陶瓷酒坛压机对于陶瓷酒坛生产企业来说是一个关键设备，同时又是一个能耗大户，在能源问题日益严重的今天，如何通过技术的改进达到节能降耗的目的，已是陶瓷酒坛压机生产厂家不得不面对的问题。近年来，已有多个厂家在进行节能方面的试验和探索。泵站系统为陶瓷酒坛压机的工作提供了动力，如何在保证陶瓷酒坛压机液压系统稳定运行的情况下，减少不必要的输出和损耗，从而达到节能降耗的目的是本文要介绍的重点。

　　2、陶瓷酒坛压机工作周期及泵站系统分析

　　2.1陶瓷酒坛压机工作周期分析

　　本文主要以KD3808压机为例进行阐述，陶瓷酒坛压机是一种典型的周期性工作制设备，一个完整的工作周期（工序过程）可分多个阶段，如图1所示。

　　在陶瓷酒坛压机运行的各阶段都是通过电机驱动液压泵，输出液压油到各个油缸推动机械机构完成一系列动作，并且各阶段所需要的压力和流量不同。对于陶瓷酒坛压机来说，泵站系统只需保证压机系统压力的变化在允许内范围内，目前，KD3808压机一般设定在14~16MPa范围内，此压力的波动范围越小，则设备运行相对更加稳定。在陶瓷酒坛压机的工作周期中，循环延时、推砖布料和横梁下行阶段，陶瓷酒坛压机对泵站来说几乎无能量供应需求，靠自身的蓄能器内储存液压油即可完成任务。在各个加压和排气阶段，由于压机动梁行程发生变化，蓄能器中液压油释放，此时泵站系统需快速对压机系统和蓄能器进行补充，需大量耗能；在保压阶段和卸压阶段，压制系统对泵站系统的能量供应又趋近于零；在横梁上行阶段，泵站系统需做功用以完成动梁的提升动作。整个循环周期大约在5~10s之间。对于此类设备，充分利用伺服电机快速响应能力，采用伺服电机驱动液压泵，进行压力闭环控制，可很好地达到节能效果。同时，国内大扭矩伺服电机的日趋成熟，也使伺服系统在陶瓷酒坛压机上的使用成为可能。

　　2.2常用陶瓷酒坛压机泵站系统分析

　　定量泵具有结构简单、维修方便、成本较低等优势。但在使用定量泵陶瓷酒坛压机泵站系统中，目前，普遍使用的定量泵节流调速系统，其效率较低，再加上节流调速，多余的液压油通过溢流阀回流，造成的能量损失一般在70%左右。同时，损失的能量又转化为热能，使液压油温度升高，品质变差。

　　在液压系统的设计中，不但要实现其拖动与调节功能，还要尽可能地利用能量，达到高效、可靠运行的目的。因此，目前陶瓷酒坛压机泵站系统采用多的是恒压变量泵系统或恒功率变量泵系统，如图2所示。变量泵的输出流量可以根据系统的压力变化（外负载的大小），自动地调节流量，即压力高时输出流量小，压力低时输出流量大，从而达到了简化油路系统的目的。同时，其比例变量系统几乎无节流、溢流损失，系统运行时发热大大减少，系统效率大大提高，与定量泵系统相比较，可节能25%~45%。缺点是成本高、流量脉动严重、系统压力不太平稳、变量结构复杂、可靠性低，与PLC之间很难实现自动控制。而且目前使用的三相异步电动机其机械效率低，同时在整个设备运行过程中均保持其额定转速，能量浪费相对较大。因此，仍有很大的节能空间。

　　3、闭环控制的伺服泵站系统

　　3.1伺服泵站系统的组成结构

　　本系统的整体设计主要由六部分组成，分别是：A—主控系统、B—伺服驱动单元、C—伺服电机、D—液压泵、E—压力传感器、F—电源再生单元及其它辅助系统组成。系统充分考虑了陶瓷酒坛压机泵站系统各个部分节能的可行性，并分析了陶瓷酒坛压机的运行特点及系统性价比，使节能效果大化。本系统的结构原理示意图如图3所示。

　　3.2伺服泵站系统主要部件选择

　　在本伺服泵站系统中选取的液压泵为定量泵，主要是基于以下几点考虑。首先，在伺服电机驱动定量泵系统中配置了压力传感器和旋转编码器，能够得到压力和流量反馈，可实现压力闭环控制，提高了定量泵节流调试系统率，并有效解决了高压溢流造成的普通定量泵系统存在的主要耗能问题；其次，伺服电机驱动定量泵系统维护方便、成本低，虽然变量泵与伺服调速技术相结合也可以提高系统效率，但与此同时大大提高了系统成本，液压系统性价比低。

　　伺服电机与液压泵是本系统的核心部件，其主要参数有：伺服电动机的额定功率、额定转速、额定扭矩、液压泵的排量、额定转速等。通过公式（1）~（3）可方便测算出与陶瓷酒坛压机相匹配的液压泵大小，及与之相匹配的伺服电机，主要是验算是否满足功率、扭矩匹配及是否满足系统的工作性能需求。

　　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—液压泵输出流量（l/min）；

　　Vg—每转的几何排量（cm2）；

　　n—转速（rpm）；

　　ηv—容积效率；

　　T—额定扭矩（Nm）；

　　Δp—压差（bar）；

　　ηmh—机械×液压效率；

　　P—液压泵的输出功率（kW）；

　　ηt—总效率（ηt=ηv×ηmh）。

　　3.3控制系统软件设计

　　本系统主控系统通过PLC控制，采用西门子S7-300系列产品，基于STEP 7编程，由主程序模块、控制算法模块、及输出控制模块等组成。系统通过对陶瓷酒坛压机系统压力变化进行实时比较后，控制算法调节伺服电机的输出转速，来达到能量供给与系统消耗的平衡。其主程序结构图如图4所示。

　　3.4测试数据与曲线分析

　　在数据测试和分析环节中，通过使用专业的有功功率测试仪和美国NI高速数据采集模块，测出伺服泵站系统的功耗数据及陶瓷酒坛压机系统压力变化曲线，与常用的变量泵系统相比较。数据对照如表1所示；伺服系统运行状态及系统压力变化曲线如图5所示。

　　4、结语

　　本文通过对陶瓷酒坛压机的工作周期及目前使用的泵站系统进行了分析，从而建立了一种节能的伺服泵站系统，并编写了相应的控制程序。在保证设备稳定运行的基础上，充分考虑了性价比以及影响节能效果的多种因素，如：伺服电机、液压泵及陶瓷酒坛压机匹配等问题；陶瓷酒坛压机工作周期对节能的不同影响；通过电源再生单元将自动电阻消耗的能量高效反馈至电源等等。实践证明，本系统可以大大降低陶瓷酒坛压机的能量消耗，节能效果明显，是一个优良的节能泵站系统，有助于陶瓷酒坛企业健康有序的发展。