電液比例閥閉環(huán)控制技術(shù)的應(yīng)用與維護(hù)

吳建華

（大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠，湖北黃石 435005）

0 引言

電液比例控制技術(shù)是繼液壓伺服技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科，是液壓技術(shù)的重要組成部分。傳統(tǒng)的液壓控制方式是開(kāi)關(guān)型控制，通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)閥的導(dǎo)通和斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的自動(dòng)化，是迄今為止用得最多的一種液壓控制方式。但這種控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流量連續(xù)、按比例地控制，同時(shí)控制精度差、響應(yīng)比較低，不宜采用在控制要求較高的場(chǎng)合。

1 電液比例控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電液比例控制系統(tǒng)，是介于開(kāi)關(guān)控制和伺服控制之間的一種新型控制系統(tǒng)，與開(kāi)關(guān)系統(tǒng)相比，它能實(shí)現(xiàn)連續(xù)、比例控制，并且控制精度高、反應(yīng)速度快；與伺服控制系統(tǒng)比較，由于比例閥是在普通工業(yè)閥的基礎(chǔ)上改造而成的，因此加工精度不高，制造成本低廉，抗污染性能好，幾乎同開(kāi)關(guān)型控制差不多。雖然在控制精度、反應(yīng)速度等控制性能比伺服閥和伺服系統(tǒng)差，但能滿足大多數(shù)工業(yè)控制要求，并且閥內(nèi)壓力小，因此能節(jié)約能耗，降低發(fā)熱量。

電液比例控制按被控量是否有反饋，可以分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制的區(qū)別在于，閉環(huán)控制系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)控制的檢測(cè)上增加了一個(gè)測(cè)量反饋元件，不斷測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，并將其轉(zhuǎn)換成比例的電壓或電流信號(hào)，反饋到系統(tǒng)的輸入端，同系統(tǒng)的輸入信號(hào)進(jìn)行比較，形成偏差值。此偏差值經(jīng)放大、校正后，加到電液比例閥上，放大成大功率的液壓信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，拖動(dòng)負(fù)載朝消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到偏差趨近于零為止。

2 電解陽(yáng)極準(zhǔn)備機(jī)組橫向鏈比例閥閉環(huán)控制簡(jiǎn)介

大冶有色金屬公司電解陽(yáng)極準(zhǔn)備機(jī)組是引進(jìn)芬蘭Outotec（奧圖泰）公司的現(xiàn)代化機(jī)組，自動(dòng)化程度高，設(shè)計(jì)處理能力440塊/h 陽(yáng)極板。在橫向鏈運(yùn)行過(guò)程中，其上方最多可以有5 塊陽(yáng)極板，每塊陽(yáng)極板的重量為287 kg，總重量為1435 kg，設(shè)計(jì)正轉(zhuǎn)的速度為26.1 r/min，反轉(zhuǎn)時(shí)的速度為8.6 r/min，因此橫向鏈運(yùn)行的快速性和性能穩(wěn)定性顯得尤為重要。

橫向鏈的作用除了運(yùn)送陽(yáng)極之外，其中間部份有一壓板裝置，每塊陽(yáng)極在橫向鏈的運(yùn)送下，都要進(jìn)入到壓板裝置中進(jìn)行壓板，壓板裝置的作用是使不平整的陽(yáng)極通過(guò)壓板裝置后，陽(yáng)極的耳部、本體變得平整。壓板裝置上裝有6 個(gè)檢測(cè)陽(yáng)極厚度的傳感器，分別檢測(cè)陽(yáng)極左耳部、右耳部、左邊本體、右邊本體、上部本體和下部本體厚度，如果厚度不滿足設(shè)計(jì)要求，當(dāng)陽(yáng)極運(yùn)送到橫向鏈末端時(shí)，就會(huì)被當(dāng)做次品陽(yáng)極而拒收，合格陽(yáng)極就會(huì)進(jìn)入到下一道工序。橫向鏈的運(yùn)動(dòng)方式采用電液比例閥閉環(huán)控制技術(shù)，其控制系統(tǒng)方框圖如圖1 所示。

在陽(yáng)極準(zhǔn)備機(jī)組中，橫向鏈?zhǔn)褂玫氖峭袷勘壤糯蟀?，型?hào)為EEA-PAM-535-C-32，其帶有指令邏輯模塊和4 個(gè)斜坡型控制，這款比例放大板不帶PID 模塊。與之配套的比例閥型號(hào)為KFDG4V-5 比例閥，是帶反饋的比例方向控制閥。

圖1 陽(yáng)極機(jī)組橫向鏈電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)

從圖1 中可以看到，檢測(cè)反饋元件有2 種，分別是內(nèi)環(huán)檢測(cè)反饋元件和外環(huán)檢測(cè)反饋元件。內(nèi)環(huán)檢測(cè)元件通常包含在比例閥中，構(gòu)成比例閥本身的局部小閉環(huán)控制，但一般不稱其為閉環(huán)系統(tǒng)。它是用于改善閥的動(dòng)、靜特性，如圖中虛框所示的比例閥閥體上的差動(dòng)變壓器，是機(jī)械液壓檢測(cè)電反饋元件，它可以確保精確的閥芯位置控制。外環(huán)檢測(cè)元件直接檢測(cè)輸出量，其構(gòu)成的反饋回路稱其為外反饋，只有包含了外反饋回路控制系統(tǒng)的才稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，它是為了提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和控制精度。如圖1 中所示的檢測(cè)液壓馬達(dá)速度的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，它的輸出脈沖通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4～20 mA 電流信號(hào)，反饋給PID 控制器，PID 控制器輸出±10 V 電壓信號(hào)給比例放大板，在PLC 編程器中發(fā)出正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的信號(hào)，來(lái)控制橫向鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 是比例閥內(nèi)部的反饋接線圖，比例閥放大板給差動(dòng)變壓器（LVDT）提供DC15 V 的直流電；比例閥閥體上的差動(dòng)變壓器，其作用是檢測(cè)主閥芯的位置，產(chǎn)生一個(gè)電控模塊可以識(shí)別的反饋信號(hào)。電控信號(hào)通過(guò)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥，進(jìn)而改變先導(dǎo)壓力，驅(qū)動(dòng)主閥芯到正確的位置。

圖3 是外反饋的接線圖。連接在液壓馬達(dá)軸上的增量型編碼器，隨著液壓馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)，把位移轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，輸出到信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將計(jì)數(shù)脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成±10 V、0～20 mA 和4～20 mA模擬量信號(hào)。在本例中，轉(zhuǎn)換成的模擬量信號(hào)4～20 mA 輸出到PID 控制器中。PID 控制器選用的威格士控制器，型號(hào)為EHAPID-201-A-20。在PID 控制器中輸出±10 V 電壓信號(hào)給比例放大板，這樣，一個(gè)完整的比例閥閉環(huán)控制系統(tǒng)就形成了。

圖2 差動(dòng)變壓器（LVDT）反饋（內(nèi)反饋）控制接線

圖3 編碼器反饋（外反饋）控制接線

3 電液比例閥閉環(huán)控制的維護(hù)及故障處理

電液比例閥閉環(huán)控制維護(hù)方便，故障率低，可以通過(guò)比例放大板上的LED 燈來(lái)判斷比例閥的故障類型，見(jiàn)圖4。

如果出現(xiàn)比例放大板故障不能工作或者橫向鏈運(yùn)行不平穩(wěn)，可以從下面7 個(gè)方面進(jìn)行檢查:

（1）檢查所有的連線是否正確。

（2）檢查24 V 電源和24 V 電源LED 燈是否亮。

（3）檢查內(nèi)部的15 V 電源燈是否亮，如果24 V 燈亮、15 V LED 熄滅，則應(yīng)該更換比例放大板。

（4）檢查比例放大板使能燈是否點(diǎn)亮。

（5）如果LVDT（差壓變壓器）故障燈點(diǎn)亮，檢查L(zhǎng)VDT 電纜和連線。為了正確檢查比例放大板的功能，斷開(kāi)閥的所有連接，連接z22（+15 V）1.2 kΩ 電阻到b14。連接電阻之后，LVDT 故障燈應(yīng)該熄滅，如果沒(méi)有熄滅，更換比例放大板。在陽(yáng)極機(jī)組橫向鏈的出現(xiàn)的故障中，出現(xiàn)過(guò)LVDT 故障燈點(diǎn)亮，造成橫向鏈不能運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)維修人員檢查后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)LVDT 接線插頭上電源線接地，處理后，故障燈熄滅，橫向鏈運(yùn)行正常。

（6）如果超載故障燈亮，通過(guò)萬(wàn)用表檢查電磁閥線圈是否短路或者開(kāi)路。

（7）當(dāng)出現(xiàn)橫向鏈運(yùn)行不平穩(wěn)，有時(shí)速度很快，造成橫向鏈抖動(dòng)過(guò)大。檢查連接在液壓馬達(dá)上的增量型編碼器，看是否損壞，或者編碼器連接在液壓馬達(dá)軸上的頂絲是否松動(dòng)。

圖4 比例放大板面板各LED 燈的含義

4 結(jié)束語(yǔ)

大冶有色金屬公司電解陽(yáng)極準(zhǔn)備機(jī)組橫向鏈采用電液比例閥閉環(huán)控制技術(shù)，自2012 年投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、故率低、維護(hù)方便，很好地保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。電液比例閥閉環(huán)控制技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提高作業(yè)效率、控制精度和實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)都有極其重要的意義，將會(huì)在越來(lái)越多的工程技術(shù)上得到應(yīng)用。