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“E-motion”节能方案

伺服电泵驱动提升了液压缸的技术和性能

关键字:Simotion D445、运动控制、Simotics 1PH8、伺服技术、Sinamics S120ET 200S

 

液压泵和伺服电机组合使用是一种高效和高动态响应的解决方案。压缸制造商Lasco将这种伺服电泵驱动应用于体积成形和板材成形加工。“该驱动系统带来了出乎意料的好处”, Harald Barnickel(工程硕士, Lasco 公司的电气工程部经理)说道。

 

“新的伺服技术能够显著的提升节能效应”,Harald Barnickel(压缸制造商Lasco位于科堡的金属技术成形有限责任公司电气工程部经理)说道,他将这一点归结为全新金属成形技术的最大优势。此外,一流的体积成形和板材成形设备制造商还会制造螺旋压缸、锻锤、横楔轧机、辊锻机,甚至是用于生产石灰石产品的建材机械装置。在1863年公司成立时,主要从事铸铁生产,几年后开始制造水轮机,自1880年开始制造锻机。从那以后,公司的业务核心便是制造金属成形技术设备。多年来,Lasco 多年来一直面向全球市场。该部门经理还称:“作为方案供应商,我们还研发了用户专用设备,包括可优化压缸内部运输工件以及运送零件的自动化装置。”该企业坚持优化自身的加工过程和工艺。上文提到的伺服技术便是这样一个工艺里程碑,如最新投入市场的压制力为800 t,每分钟最高可达40个冲程的拉深压力机。

快速运动控制器是核心

与西门子伺服电机Simotics 1PH8的组合构成了此类解决方案的核心,液压泵由该伺服电机直接驱动该驱动由 Sinamics S120 变频器控制。控制系统Simotion D445负责轴的总行程、速度和位置调节(二者都来自同一制造商)。在250 µs的响应时间内最多可以对256根轴进行快速同步并运行出非常精准的运动轮廓和曲线轮廓。“最初的应用已经表明此类伺服技术能够带来非常好的结果”,该电气工程师说道。调节技术和性能方面都适用于该应用。

上述拉深压力机要能在设置了运动轮廓后按规定的压力和压制速度运行。此时便可以借助伺服电机上的扭矩预先设置好液压力和压制力。此时,可通过电机转速和泵的流量对挺杆的速度进行调节。所述项目中使用的是每转带有固定液体流量的轴向柱塞泵。

泵系统的可扩展性是一大优势

四种泵系统中,压力最大为250 bar的那个用于为挺杆的压力升程提供高压管道,其它三个负责压杆的回程。Harald Barnickel称:“也可进行扩展,即根据需要调整此类标准化伺服解决方案,这是新技术不可低估的一个优势。”

拉深压力机的油罐中装有大约9000升的液压油。在挺杆作快速下行运动时,由于流量高达16000 l/min,因此,需要用到补油阀。压制过程中,速度最高可达100 mm/s,此时,伺服泵会提供所需的流量。过去为了精准地显示运行轮廓,需要用到高精度零切割调节阀,而如今,连接着伺服泵的运动控制系统会全权负责该任务。借助该技术,在压制过程中最高可以省去40%的阀门技术。原则上应保留余下的阀门技术,以满足机器安全相关方面的要求。

性能的里程碑

新技术取代了传统昂贵的阀门技术,本质上也改善了能量平衡,正如电气技术专家所述:“过去,Lasco在进行第一次试运行时就必须安装好用于液压油的大型冷却系统,而如今采用伺服技术后则只需一个小型冷却设备,甚至只有在进行现场生产时才需用到。”原因之一就是油不再是通过狭窄的缝隙挤压到调节阀的控制边缘上,也不会再产生工艺方面的损耗。压制机制造商非常重视通过这种方式来提高效率,和旧机器相比,新伺服技术能帮助用户节省大量的电费。实际节能程度取决于各个应用。将新技术与采用“黑白技术”的简式液压机和采用控制技术的压制机进行对比,前者的节能效果一定会更好。好。由于拉力也是由采用伺服电机的泵产生的且拉深垫泵的电机是作为发电机工作的,因此,拉制过程中的节能效果尤为明显。

电气技术的另一个优点在于对液压油进行减压时甚至可以回收能量,原因是在补油阀进行补油前,减压过程中主动缸要从250 bar减压至10 bar左右,该过程大约持续100 ms。如果所用液压油的压缩比例在2.5左右且气缸的容量为800升,那么所含的“弹簧能”会流经轴向柱塞泵并驱动伺服电机。此外,对压制机进行减压也会增强该效果。在所谓的再生运行模式下,还可以为变频器S120的直流母线提供相应的电能。“但不仅仅是获得能量这一个优点,在传统方案中,还可能会产生额外的热损耗”,Harald Barnickel说道。

简单优化立即记录所有内容

尽管西门子的Simotion控制系统是专为运动控制应用的要求而优化的,但除了整个设备的控制系统,该系统也可发挥作用。但在Lasco,我们会遵循分开的任务区域的特性并为设备的控制系统配备一个独立的可编程控制器,将其用作故障安全控制器以满足安全技术的要求。原则上,可通过多种方法对Simotion进行编程,如通过标准语言、图形编程或运动控制图(MCC)以及一个传统的逻辑控制器。带有8个通道记录仪的跟踪功能可帮助调试人员对压制过程进行详细的记录。调节参数保存在驱动中,从而确保对驱动系统的完整记录。

安全技术易集成

此外,还可以使用西门子的故障安全PLC Simatic S7-319 F 3PN/DP,将其用作设备的控制系统,以满足整体安全技术的要求,而无需额外的投入。通过同一品牌的分布式外设站Simatic ET200S可以读取故障安全信号并通过Profisafe将其传送到控制系统中。对于压制专家来说这是一个完美的整体解决方案:“这样我们就可以确保机器有一个清晰的架构。”

通常,系统会配备两个监控阀门,从而对设定模式下降低的挺杆运行速度进行监控。而最新的解决方案是:在故障安全变频器S120中,除了会监控降低的速度(Safely Limited Speed: SLS),还会监控安全停止 (Safe Stop 1: SS1)

系统一体化实现简单编程

在专家看来,西门子提供的解决方案的另一个优势是系统一体化,这样变频器便可以自动识别伺服电机并读取其参数。该伺服解决方案中有趣的一点是:提供了同步和异步两种类型的1PH8电机。具体采用哪种类型的电机由应用所要求的动态响应能力决定。

两种类型的电机具有相同的机械结构尺寸,采用相同的布线方式和编码器连接方式。这也表明了现代技术是极具优势的:放弃了传统的17芯电缆,取而代之的是带有RJ45连接器的单芯电缆。

最终,这个以一个伺服电泵控制系统为基础的用于液压机的新驱动方案使整个系统得到了明显的改善:相比于以前传统的阀门控制器,除节能效果得到提高外,调节精度也得到了大幅提升。正如上文所述,这样就可以精准运行出任意指定的运动轮廓。

在某些压制过程中,运动控制系统也证实了自己具有极大的帮助作用,比如:如果挺杆运行到了上止点,Simotion中的位置闭环控制会对可能的漏损进行补偿。Harald Barnickels总结道:“相比于单纯的阀门技术,使用伺服技术能够明显地提高精确度。

伺服技术提高了压制机中的动态响应能力

以西门子运动控制器Simotion为基础,针对大型液压泵的新伺服技术研发使得Lasco金属成形技术有限责任公司在短期内已经为用户带来了巨大的收益。不仅仅是制造新的机器有助于推动拥有400名员工的企业节省成本和改善质量,上述驱动方案也适用于对产品进行改装和更新。

借助由伺服电机Simotics 1PH8Sinamics S120变频器和运动控制单元组成的标准方案,Lasco金属成形技术有限公司已经证明:如果在液压泵中优先选择了伺服电泵驱动,而不是单纯的阀门技术,则可以获得符合市场需要的更好的动态响应能力、更高的精度和更低的能耗。Harald Barnickel明确表示:“谁先勇于面对“E-motion”压制技术的挑战,谁就先赢得机遇,突破创新。”

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