多泵站多油缸的步進式同步控制方法

呂 浩，來文江

(中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052)

0 前言

液壓傳動是機床、機械設(shè)備、裝備工程中廣泛應(yīng)用的一種傳動方式。實際使用中，油缸需要同步動作的情況非常多，由于負載差異、油路泄漏、油缸制造質(zhì)量等因素的影響，很難實現(xiàn)油缸高精度同步。此外，液壓系統(tǒng)普遍存在運行、維護問題，同步系統(tǒng)往往經(jīng)過一段時間的運行后，同步精度降低，需要對系統(tǒng)進行誤差分析、參數(shù)調(diào)整及調(diào)試，這個過程往往是比較復(fù)雜的，無疑會影響設(shè)備的正常使用。

油缸的同步方式很多，各有優(yōu)缺點，且都存在使用的局限性，設(shè)計時需要綜合考慮工件情況、同步精度要求、使用環(huán)境、運行工況等因素，設(shè)計和選用合理的同步系統(tǒng)。在保證同步可靠性和穩(wěn)定性的前提下，還必須考慮適用性、經(jīng)濟性以及運行維護問題。

1 汽輪機轉(zhuǎn)子高速動平衡試驗站平車雙泵站多油缸同步系統(tǒng)

1.1 工況簡介

如圖1所示，汽輪機轉(zhuǎn)子高速動平衡試驗站專用設(shè)備由1臺主動平車與1臺從動平車組成，2臺平車剛性連接。汽輪機轉(zhuǎn)子支承在2個軸承座上，2個軸承座負載接近相同，分別由主動平車與從動平車支承，圖1中俯視圖為拿掉工件及軸承座后6個油缸在平面上的布置。試驗工藝過程要求頂起、落下軸承座，且在頂升和落下過程中均須同步。因平車高度尺寸限制，不能采用機械升降，只能采用油缸。由于2個平車間的距離要隨不同的汽輪機轉(zhuǎn)子進行相應(yīng)的調(diào)整，因而，主動平車與從動平車間不能用硬質(zhì)油管連接，為保證液壓管路的可靠性，系統(tǒng)由分別安裝在主動平車和從動平車上的2套泵站組成。

圖1 平車示意圖

主要工作參數(shù)及要求：

工作方式：升、降；升降行程均是滿負載，無外加載荷

工作要求：運行平穩(wěn)且油缸升降全行程均須同步

工作頻率：每天兩次升降全行程

工作環(huán)境：工業(yè)廠房

工件及軸承座質(zhì)量：180～440 t

油缸個數(shù)：6個

液壓系統(tǒng)組成：由2套液壓泵站各驅(qū)動3個油缸

油缸行程：80 mm

單行程時間：～3 min

同步精度：1 mm

1.2 同步系統(tǒng)的選用及比例同步系統(tǒng)運行中的問題

汽輪機轉(zhuǎn)子高速動平衡試驗站專用平車液壓系統(tǒng)主要特點： 2套泵站，6個缸徑相同的油缸；重載，但運行過程中負載無變化，無外加載荷；運行過程要求平穩(wěn)，但不要求速度恒定；工藝要求升降行程的全過程均須同步；有一定的同步精度要求，但不是非常高；行程較??；使用頻率低；油缸運行速度較慢；油缸工作為升、降，故不能選用升、降運動穩(wěn)定性差的同步方式；泵站及油缸均須安裝在平車上，安裝空間受限；運送工件多規(guī)格，規(guī)格不同，液壓系統(tǒng)負載不同。

該專用平車采用油缸的機械式同步(如：齒輪齒條、杠桿等)顯然是難以實現(xiàn)的，而通常采用的同步閥、同步缸、串聯(lián)油缸、同步液壓馬達、定量泵等液壓同步方式或不可行或?qū)崿F(xiàn)起來存在很大困難(文獻[1]及文獻[2]介紹了常規(guī)同步系統(tǒng))，雙泵站如采用雙伺服電機結(jié)合液壓同步系統(tǒng)的方式則成本過高。因此，該系統(tǒng)選擇液壓伺服同步和比例閥同步的同步方案。

液壓伺服系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)性能是最可靠的，也可以滿足工況要求的。但其缺點是能耗大、容易出故障、抗污染能力差、價格昂貴、運行與維護頻繁且復(fù)雜等。因此本文選用了比例同步系統(tǒng)。

比例同步可采用比例換向閥或比例調(diào)速閥的系統(tǒng)，因平車主要是對工件位置的同步要求，且動作過程負載無變化、對速度的恒定無要求。該比例換向閥的同步系統(tǒng)液壓原理如圖2所示。

比例換向閥同步系統(tǒng)是一個連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，比例換向閥閥芯的換向動作及閥開口的大小由比例電磁鐵驅(qū)動，PLC根據(jù)各位移傳感器的反饋信號，連續(xù)地控制各比例換向閥的比例電磁鐵，對閥口開度進行控制，實現(xiàn)各油缸的同步。即：當某油缸出現(xiàn)位置偏差，位移傳感器產(chǎn)生一個壓差信號，反饋給PLC，PLC 輸出PID指令，通過比例放大器對指令信號進行功率放大，并按比例輸出電流給比例電磁鐵，比例電磁鐵輸出力并按比例移動閥芯的位置，使之朝減小位置偏差的方向變化，直至消除偏差。

在比例同步系統(tǒng)中，通常采用一個油缸為基準缸，調(diào)定其流量，使其按設(shè)定參數(shù)動作，其余油缸比照基準油缸的位置，進行同步調(diào)節(jié)。該平車共有6個油缸，如果選定的基準缸因其制造質(zhì)量、油路、元件及密封等原因造成運動精度不是很理想，則會導(dǎo)致其它各油缸頻繁調(diào)節(jié)同步，造成整個系統(tǒng)的運動不夠穩(wěn)定。因而，本系統(tǒng)不設(shè)定固定的基準油缸，而是每一次動態(tài)位置比照后，把響應(yīng)最慢的一個油缸作為下一次動作的基準缸，因為此油缸響應(yīng)調(diào)節(jié)的能力最弱，讓其閥口開度為設(shè)定值，調(diào)節(jié)其它缸的閥口開度以適應(yīng)此基準缸，這樣，實質(zhì)上是在運行中不斷產(chǎn)生同步動態(tài)誤差并不斷消除同步動態(tài)誤差的系統(tǒng)，類似于閉環(huán)控制，通過PLC設(shè)定比例閥開口的啟閉及調(diào)節(jié)曲線，以保證油缸動作的相對穩(wěn)定。

圖2 比例換向閥同步系統(tǒng)液壓原理圖

分別在3個試驗站的平車上采用比例同步系統(tǒng)，調(diào)試后系統(tǒng)達到設(shè)計要求，但在使用一段時間后，同步效果變差，重新調(diào)試后再運行一段時間，又出現(xiàn)問題，不能保證長期穩(wěn)定運行。

分析3個試驗站平車比例同步系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，具有共性的問題有：比例放大器及比例電磁鐵的穩(wěn)定性影響同步；比例換向閥小開度時存在死區(qū)影響同步；閥桿磨損后導(dǎo)致摩擦力發(fā)生變化，需調(diào)整設(shè)定的控制參數(shù)；比例閥響應(yīng)慢及各比例閥響應(yīng)特性的差異對同步控制的影響；比例換向閥前后壓差不恒定造成的影響；工件不同，各缸負載狀態(tài)不同(如：甲工件負載重心偏A缸，乙工件負載重心偏B缸)對系統(tǒng)的影響；同步過調(diào)造成新的不同步狀態(tài)，過于頻繁的同步調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)不能處于穩(wěn)態(tài)運行；位移傳感器穩(wěn)定性對同步控制的影響；控制程序及參數(shù)設(shè)定對同步控制的影響；各缸制造精度、磨損狀態(tài)不同造成的影響；同一缸在不同行程段運動特性的差異，對穩(wěn)定性的影響；各回路、元件的差異造成的影響；油路污染造成的影響；偶發(fā)性、隨機性等其它問題對運行及穩(wěn)定性的影響。

液壓系統(tǒng)調(diào)試及解決故障時，對雙泵站多油缸系統(tǒng)逐一排除故障點及定性定量分析系統(tǒng)誤差的難度很大，每次故障排查，耗時很多，影響正常生產(chǎn)。此外，比例同步系統(tǒng)還存在一些缺陷。

(1)由于是動態(tài)調(diào)節(jié)同步的系統(tǒng)，難以針對不同的工件，進行全行程的參數(shù)化設(shè)置，模式化運行。

(2)同步的動態(tài)調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定性因素多，且任何一個油缸的不穩(wěn)定，都會造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使得帶工件調(diào)試，存在安全隱患。

(3)當某一個油缸產(chǎn)生過沖或動作遲滯時，同步控制效果非常不理想。

(4)比例系統(tǒng)是動態(tài)調(diào)節(jié)、動態(tài)同步的，所以不能及時發(fā)現(xiàn)同步控制不理想的問題，甚至到同步精度經(jīng)常超差或超差很大時才能發(fā)現(xiàn)，這無疑對使用造成嚴重的影響。

(5)因工件的規(guī)格多，往往出現(xiàn)某項處理措施改善了甲產(chǎn)品的同步運行狀態(tài)，卻使乙產(chǎn)品的同步運行狀態(tài)變差，難以兼容。

(6)無可避免的瞬時同步精度超差。

2 步進式液壓同步系統(tǒng)及使用

2.1 步進式液壓同步系統(tǒng)

為解決比例同步系統(tǒng)存在的問題，采用了全新的同步方式——步進式同步，根本性解決了同步控制問題。圖3為步進式同步控制系統(tǒng)液壓原理圖。

圖3 步進式同步系統(tǒng)液壓原理圖

液壓系統(tǒng)主要由手動變量泵、普通三位四通電磁換向閥(中位機能O型)、液控單向閥、疊加式單向節(jié)流閥組成。電磁換向閥控制油缸動作的方向(升、降)；液控單向閥鎖定油缸，防止下滑；單向節(jié)流閥，控制油缸上升(下降)的速度。油缸動作控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 油缸動作控制系統(tǒng)框圖

電氣系統(tǒng)采用1個PLC對2個泵站進行控制，控制系統(tǒng)中設(shè)有一個觸摸屏，顯示各種參數(shù)并通過觸摸屏進行各種參數(shù)的輸入；6個油缸各裝有一個位移傳感器，將各油缸位移值反饋給PLC，并在觸摸屏上顯示，便于調(diào)試、操作及運行維護。每個油缸在上、下極限位置各有一個行程開關(guān)，用于保護。

步進式同步控制特點：

(1)步進動作過程(以上升行程為例)。程序設(shè)定油缸一次步進的行程為1 mm，每一次步進對應(yīng)的油缸行程絕對值依次為1 mm，2 mm，3 mm，……，80 mm。啟動上升行程， PLC指令6個油缸同時上升，各油缸位移傳感器的行程值反饋給PLC，當某一油缸的行程值達到本步動作的步進行程設(shè)定值，則PLC停止該油缸上升。直到6個油缸全部完成步進并停止，PLC對各油缸停止位置進行比對，同步精度沒有超差，則PLC指令各缸開始下一個步進動作。如此循環(huán)，直到各油缸達到總行程。這種步進動作過程相當于將油缸的總行程分解成步距為1 mm的n個步進單元來實現(xiàn)。由于設(shè)定每一步的步進行程值均為1 mm，所以，在整個行程中，總是能滿足同步精度1 mm的要求，且基本沒有比例同步系統(tǒng)存在的瞬時同步精度超差的現(xiàn)象。

圖5為一個油缸完成一個步進單元的動作流程圖。

圖5 油缸步進動作流程圖

(2)控制參數(shù)。輸入的控制參數(shù)只有步進行程值和完成一個步進行程的時間參照值2項?？刂茀?shù)少，設(shè)定與調(diào)整方便、靈活，便于故障分析及問題解決。

(3)各油缸步進行程值差異化設(shè)定。當油缸位移傳感器反饋給PLC步進到位信號，PLC停止該油缸，由于負載的差異、各回路的細微差異、油缸的差異等造成各缸的慣性和運動特性不同，各油缸的實際停止位置的差異可能大于1 mm，超出同步精度要求，可通過分別設(shè)定各缸步進行程值的方式，保證各缸實際停止位置的差異，符合同步精度的要求。

(4)及時發(fā)現(xiàn)存在問題的油缸。參照程序設(shè)定完成一個步進行程的時間，當某油缸超時未完成步進動作(類似丟步)，說明該油缸或回路、液壓元件出現(xiàn)問題；通過掃描油缸的實際停止位置，與本步步進行程值比對，可及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)過沖(類似越步)現(xiàn)象的油缸。出現(xiàn)丟步或越步，系統(tǒng)報警，問題油缸及問題在觸摸屏上顯示，提示操作者應(yīng)對系統(tǒng)進行檢查、檢修、維護。避免了比例同步系統(tǒng)中不能及時發(fā)現(xiàn)油缸不同步的問題。

(5)合理設(shè)定及優(yōu)化步進行程值。根據(jù)實際運行情況，以保證同步精度及運行平穩(wěn)為前題，可設(shè)置大于或小于同步精度值的步進行程值，保證同步，提高效率。

(6)可根據(jù)實際運行情況隨時調(diào)整各油缸步進行程值：液壓系統(tǒng)經(jīng)過一段時間運行后，由于介質(zhì)、回路、磨損等原因，會使得各油缸的運動特性產(chǎn)生變化，出現(xiàn)這樣的情況，可隨時對步進行程值進行相應(yīng)調(diào)整，這樣的調(diào)整是很容易實現(xiàn)的。

(7)分段靈活設(shè)定步進行程值。如果工藝對各行程段有不同的同步精度要求，可以對各行程段的步進行程值進行相應(yīng)分段甚至分步的設(shè)定，以適配工藝要求，提高效率。同樣對于某油缸在不同行程段運動特性存在差異，也可針對不同的行程段，設(shè)定不同的步進行程值。

(8)基于工件的運行參數(shù)設(shè)置。油缸運行過程是開環(huán)控制，不是動態(tài)調(diào)節(jié)同步的系統(tǒng)，因而，油缸可根據(jù)不同的工件，設(shè)定不同的運行參數(shù)，以滿足同步要求。不同的油缸設(shè)定不同(或相同)的運行參數(shù)；每個油缸不同行程段設(shè)定不同(或相同)的運行參數(shù)；每個工件設(shè)定對應(yīng)該工件的油缸運行參數(shù)，實現(xiàn)了油缸動作的參數(shù)化設(shè)置，模式化運行，從而使系統(tǒng)適配不同的工件，控制更合理，運行更可靠。

(9)油缸獨立執(zhí)行動作指令。各油缸動作過程中不做相互比較，不進行動態(tài)調(diào)節(jié)，故某一油缸的不穩(wěn)定，不會造成整個系統(tǒng)不穩(wěn)定。從而使得帶工件調(diào)試，更安全。

(10)位移傳感器隨時反饋油缸位置，且完成一次步進，各缸停止，進行動作結(jié)果比對，所以，雖是開環(huán)控制，但接近閉環(huán)控制，同步精度容易保證。

(11)不會產(chǎn)生累積誤差。出現(xiàn)丟步，系統(tǒng)報警；出現(xiàn)越步，但不超出同步精度，系統(tǒng)會在下個步進動作過程消除；越步過多，達到過沖，系統(tǒng)報警。

(12)步進式同步系統(tǒng)實質(zhì)上是一個由常規(guī)元件構(gòu)成的常規(guī)系統(tǒng)，只是通過步進式的控制方式實現(xiàn)多油缸的同步。系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性容易保證；調(diào)試及參數(shù)調(diào)整、運行維護都便于實現(xiàn)；系統(tǒng)的故障點、故障環(huán)節(jié)相應(yīng)簡單，易于分析、處理系統(tǒng)；而且系統(tǒng)構(gòu)成、運行維護兩方面都具有良好的經(jīng)濟性。

先前采用比例同步的3個試驗站的平車，改為步進式油缸同步后，已使用多年，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，運行維護簡便，未出現(xiàn)難以分析判斷的系統(tǒng)問題，取得了良好的使用效果。

2.2 步進式液壓同步系統(tǒng)的使用

雙泵站多油缸的步進式同步系統(tǒng)可推廣至3個或更多泵站的控制方式。在圖3的系統(tǒng)中，選用比例換向閥，但依然使用步進式控制，因比例換向閥可進行閥芯啟閉運行曲線設(shè)定，從而能使各油缸的運行更穩(wěn)定。根據(jù)實際使用情況，建議一個步距的時間不少于2～3 s，以避免換向閥的換向頻率過快，也有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

該步進式同步系統(tǒng)存在的缺陷：

(1)不適用于同步精度值小于0.5 mm的場合。

(2)運行速度慢，對于頻繁動作和大行程的使用場合，速度慢的劣勢更為突出。

(3)與普通換向回路相比，電磁換向閥動作次數(shù)大大增多，影響閥的使用壽命。

(4)電磁鐵頻繁得電、電磁換向閥頻繁動作，會產(chǎn)生噪音。

3 結(jié)論

液壓同步系統(tǒng)是液壓技術(shù)長期存在的課題，在實際應(yīng)用中系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題后，系統(tǒng)誤差分析比較困難，對于多泵站多油缸的同步系統(tǒng)，就更為困難。本文的步進式同步系統(tǒng)，是在常規(guī)液壓系統(tǒng)上選用合理的控制方式實現(xiàn)油缸同步的，提供了一種新的液壓同步方式，具有結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定、可靠，調(diào)試簡單方便，故障易于查找、解決，控制參數(shù)設(shè)定、調(diào)節(jié)容易實現(xiàn)，經(jīng)濟性良好等特點，但不適用于同步精度值小于0.5 mm的場合，在大行程及要求油缸快速運行的工況下，使用也受到限制。