冷轧厂热镀锌机组液压系统节能技术优化研究

黄昭东

摘要：本文的重点主要是研究的液压自动控制系统，旨在为冷轧和热浸镀锌机组的液压设备提供液压压力，以确保其正常运行，从而确保热浸镀锌机组的连续生产。液压站是生产装置的重要组成部分，液压站的正常运行直接影响装置的生产。由于传统上使用继电器等部件作为液压系统的控制部件，存在可靠性和灵活性差等缺点。现在，液压系统的自动控制系统将通过PLC和上位机实现，提高了控制系统的灵活性。构建了以PLC为下位机控制现场设备，以PLC为上位机在线监控的控制系统，有利于机电、液压综合控制的综合能力，还可以实现机械、电气、液压一体化的完美结合，实现液压系统的自动化和实时监控。

关键词：冷轧厂热镀锌机组；液压系统节能技术优化措施；

1.现状及必要性

1.1目前设备现状

冷轧厂D108、D208机组液压站于2016年3月份投入使用，D308机组液压站于2017年8月份投入使用。三条热镀锌机组是湛江冷轧厂重要的生产线，机组液压站是生产稳定的基础，随着设备使用年限的增加，液压站的能耗随着效率降低逐步增大，在保证生产的前提下节能减排的需求日益明显。

热镀锌机组液压泵站的驱动方式以三相异步电机+恒压变量柱塞泵为主，异步电机连续定频长期运行，存在以下不足：

能耗高：电机连续定频长期运行，存在较多的空载能耗损失；噪声大：电机定频运行，持续产生噪声，造成环境污染，形成职业伤害；油温高：在执行机构待机及系统保压状态下，油液通过泄漏或溢流的方式返回油箱，电机功率转化成油液热能导致油温升高。

热镀锌机组的泵站在设计时已经考虑到节能，液压泵采用恒压变量柱塞泵，在执行机构不工作时，柱塞泵能够自动调节排量，为系统提供恒压能源，具有一定的节能降耗效果。

1.2改造的必要性

根据对D108机组异步电机的电流及功率波形分析，在生产过程中，根据生产节奏的工艺现状，液压站对外做功是间歇性输出，当执行机构不需要做功时，电机依旧处于耗能状态，因此，通过对D108机组液压站电流、功率波形的检测分析，热镀锌机组的液压站异步电机中具有很高的节能空间。

以D108为例，统计计算单位时间内电耗如下表：

D108入口液压站电耗统计(6天)
序号	电机编号	能耗（KWH）	单位时间电耗（KWH）	平均负荷率
1	1#	4151.4	28.83	38.44%
2	2#	1842	12.79	17.06%
3	3#	1966.2	13.65	18.21%
4	4#	2154	14.96	19.94%
	合计		70.23
D108出口液压站电耗统计(6天)
序号	电机编号	能耗（KWH）	单位时间电耗（KWH）	平均负荷率
1	1#	3882.6	26.96	35.95%
2	2#	2160	15.00	20.00%
3	3#	5488.2	38.11	50.82%
4	4#	1891.8	13.14	17.52%
	合计		93.21

由上表可见，出入口液压站电机平均负荷率均小于50%，通过曲线测算，生产过程中存在短时大功率输出工况，异步电机无法满足短时间启停要求。此外异步电机在负载率小于50%时运行效率在80%以下，而伺服电机的效率大部分工况在90%以上。意味着伺服电机的全时段基础节电率至少为10%。

由于伺服电机具有较高的运行效率，并且具有快速响应性能，为此异步电机更换为伺服电机后，可设置两台作为常用电机，其余电机基本处于停机节能状态作为备机，在瞬间高功率输出时候依次开机。

根据测量所得的电能消耗，以D108机组液压站能耗情况，三相异步电机+恒压变量泵系统的年电能消耗为（70.32+93.21）*8328=136.18万kWh。按照保守估计（其中D208、D308机组出口液压站开机数量比D108多），三条镀锌机组年总耗电为136.18*3=408.54万KWH，根据节能35%来计算直接经济效益。节约生产过程中无用功损耗408.54*35%=142.99万kWh，按电费0.7206元/度电，直接经济效益约为142.99*0.7206=103.04万。

上述分析表明，通过本项目对热镀锌机组液压站进行伺服电机节能改造具有较高的必要性。

2.改造方案及改造内容

2.1改造方案

2.1.1方案概述

对冷轧厂热镀锌机组液压泵站进行伺服电机节能改造。具体改造内容：D108机组入出口液压站、D208机组入出口液压站、D308机组入出口液压站进行伺服电机节能改造，液压泵利旧，并实现热镀锌机组液压站关键数据的智能监控。具体改造数量如下表：

序 号	机组 名称	系统名称	液压泵品牌	电机功率kW	转速rpm	装机数量	工作数量	改造数量
1	D108	入口液压系统	parker	75	1478	5	4	3
		出口液压系统	parker	75	1478	6	4	4
2	D208	入口液压系统	parker	75	1478	5	4	3
		出口液压系统	parker	75	1478	8	7	6
3	D308	入口液压系统	rexroth	75	1478	5	4	3
		出口液压系统	rexroth	75	1478	8	7	6

液压泵站节能改造主要硬件部分包括：电气部分的伺服运动控制器、伺服驱动器、滤波器、电抗器、制动电阻、HMI等器件成柜；机械液压部分包括永磁伺服电机、钟罩联轴器、安装底座和压力传感器等。

液压泵站节能改造主要软件部分包括：专用冶金伺服节能控制系统、智能化监控系统、人机交互界面等。

伺服控制柜安装在电气室内，现场为恒温控制环境，无粉尘，无潮湿，伺服控制柜采用IP54的防护等级，柜顶设置直排气式散热风扇，柜门设置进风吸风风扇，伺服驱动器电源采用不断主电控制方式，减少电气受潮故障几率，同时满足散热风扇故障时自散热效果满足生产需求。

根据现场原三相异步电机和利旧液压泵规格尺寸，设计伺服电机底座及配套钟罩联轴器，在保证液压泵位置不动的条件下更换电机。闭环控制压力传感器通过三通的形式安装在系统测压点上，不影响设备原有压力传感器的使用。

采用伺服运动控制器及冶金专用节能控制系统，对伺服电机泵组的工作模式进行统一控制，避免通过伺服驱动器单独控制会导致液压系统压降过大的弊端，同时可设置最低转速保护及定期切换主泵的功能。伺服运动控制器与伺服驱动器通讯，可在HMI上实时显示运转状态及参数。

热镀锌机组液压站更换伺服电机后，对新增压力数据、电机运行数据等进行汇总、传输，数据可汇总上传到湛江钢铁云数据平台，结合系统的其他控制信号可实现系统的逻辑判断和预警模型，实现远程智能监控，条件允许情况还可以通过手机APP推送报警信息、查看当前机组运行数据（本项目实施范围在预留通讯接口，其余内容为湛江钢铁实现智能化监控做基础）。

工作原理：

图2工作原理图

PLC通过控制中间继电器给伺服驱动器使能信号，当伺服驱动器运行后，伺服驱动器输出运行状态信号（干接点）给PLC；相当于PLC控制接触器启动电机，接触器辅助触点反馈信号给PLC。原控制逻辑不变。

伺服运动控制器应用自动控制技术，通过设定压力和系统反馈压力信号，计算系统所需要的总流量，然后计算出各个泵组需要提供的流量，并折算为电机转速，然后通过EtherCAT总线，将折算后的电机转速发送到对应的伺服驱动器中。如果系统所需的总流量小于系统能提供的最大流量时，运行中的泵站通过电机减速或停机，减小流量输出。

伺服运动控制器实时检测伺服驱动器的状态，如果伺服驱动器处于运行状态时，则伺服运动控制器给伺服驱动器分配转速；反之则不分配转速。

伺服运动控制器通过4-20mA模拟量采集系统压力传感器的数据。PLC可通过预留模拟量模块接收液压站合流压力传感器数据。

2.1.1.1能源管理及设备检测系统

通过能源管理及设备检测系统，实现设备能源信息查看及管理、设备信息实时查看、设备历史故障记录查看等功能，开发专用APP，信息推送至手机端，为提高设备管理水平，及时发现设备异常及隐患，开展及时合理的设备后期维护提供数据信息。具体可实现功能：

1.查看每台伺服电机的能源信息，例如实时有功功率、无功功率、有功电流、总有功功率、总无功功率等，并生成曲线及报表供历史查看。

2.不同设备分类管理维护。

3.故障设备维修记录，将具体的问题描述建立文档存储云端，保证记录不丢失。

4.查看设备在线状态，及时发现设备在线时间段和停止运行时间点。

5.设备数据的实时查看，并将所有历史数据存储云端。

6.设备参数阈值设定，发现问题参数，立刻预警提醒。

2.1.1.2伺服电机及驱动器功率计算、选型

计算目前液压站所需峰值功率需求来选择伺服电机及伺服驱动器的功率，峰值功率需求出现在生产过程中，伺服电机的功率一般以最大输出扭矩满足条件后计算对应功率大小，可根据液压系统的额定工作压力及油泵的排量来计算伺服电机需输出的最大扭矩。由于三条机组液压站系统参数相同，伺服电机及伺服驱动器的选型分析如下。

液压站原设备参数及伺服电机选型：

电机功率：75KW

电压：380V

额定转速：1484r/min

液压泵流量：260L/min

额定压力：14MPa

计算单套电机在生产过程中最大输出扭矩如下：

功率

输出扭矩

对应选择伺服电机级数参数如下：

额定转速:1500r/min

额定扭矩：478N·M（伺服电机具有很强的短时超载运行能力，无需放大）

额定功率：75KW

额定频率：100HZ

根据伺服电机参数选择伺服驱动器参数如下：

适用电机功率：75KW

额定输出电流：150A

2.1.1.3伺服驱动柜设计

伺服驱动柜按单柜横向并排可组合式设计，防护等级IP54，箱体门沿设计侧泡型防尘密封条，箱体上方开孔做直排式散热风扇。电箱门上设置运行，故障指示灯及故障复位按钮及本地使能开关，一条机组中某一个电柜门上安装触摸屏。伺服驱动柜尺寸设计为：W800*D800*H2200mm。

2.1.1.4伺服电机安装形式

伺服电机采用IMB35的安装方式，根据伺服电机地脚孔距及外形尺寸设计电机安装底座，底座使用40mm钢板为材料加工，电机安装底座安装孔径、孔距与原异步电机一样，可直接安装。

2.1.1.5液压回路施工

伺服泵组采用模组式结构，IMB35安装方式，伺服电机泵组安装在原异步电机位置上，保持液压泵位置与原泵站一致。

其他液压部分不作更改（如液压回路中存在油阀泄漏量过大的情况，则更换存在问题的油阀或密封件，以保证液压系统的性能。）

3.改造效果

改善完成后，可以达到以下目标，满足项目要求：

1)实现明显的节能效果，热镀锌D108、D208、D308入口和出口机组液压站总体节能效果≥35%。

2）实现控制方式优化，从开环控制系统压力改变为闭环数字方式调整，实现精确压力控制；

3）实现液压系统效率监控功能，实现数字化实时监控。

4.验收标准

本项目验收指标如下：

节能效果在同等生产条件下，热镀锌D108、D208、D308入口和出口机组液压站总体节能效果≥35%；

考核期3个月内，新增节能系统零故障（机组停机）；

考核期3个月内，液压系统新的设备功能精度满足生产需求；

考核期3个月内，伺服电机设备损坏率为零。

本项目施工验收按下列规范标准执行：

GBT28750-2012《节能量测量和验证技术通则》；

YBJ207-85《冶金机械设备安装工程施工及验收规范》，液压、气动和润滑系统。

结束语

液压系统是机电一体化技术的重要组成部分，与机械传动相比，液压传动是一种新技术，随着液体力学、自动控制、计算机等技术的不断发展，液压传动技术已发展成为包括传动、控制、测试技术、机电一体化在内的完整自动化技术，并在工业生产、设备控制等方面得到了广泛应用。

目前，我国液压元件已形成从低压到高压的系列，并生产出许多新型元件，如插锥阀、电液比例阀、电液压数字控制阀等，在认真消化和推广从国外引进的先进液压技术的同时，我国机械工业大力发展国产新型液压元件，加强产品质量可靠性和新技术应用研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对部分性能较差、不符合国家标准的液压元件采取逐步淘汰措施，可以看出，随着科学技术的快速发展，液压技术将取得进步，在各种机械设备中的应用将更加广泛。

参考文献

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[3]张旭.冷轧热镀锌机组自动化系统常见故障问题与维护[J].中国金属通报,2021(16):185-186.