多泵站多油缸的步进式同步控制方法

吕 浩，来文江

(中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310052)

0 前言

液压传动是机床、机械设备、装备工程中广泛应用的一种传动方式。实际使用中，油缸需要同步动作的情况非常多，由于负载差异、油路泄漏、油缸制造质量等因素的影响，很难实现油缸高精度同步。此外，液压系统普遍存在运行、维护问题，同步系统往往经过一段时间的运行后，同步精度降低，需要对系统进行误差分析、参数调整及调试，这个过程往往是比较复杂的，无疑会影响设备的正常使用。

油缸的同步方式很多，各有优缺点，且都存在使用的局限性，设计时需要综合考虑工件情况、同步精度要求、使用环境、运行工况等因素，设计和选用合理的同步系统。在保证同步可靠性和稳定性的前提下，还必须考虑适用性、经济性以及运行维护问题。

1 汽轮机转子高速动平衡试验站平车双泵站多油缸同步系统

1.1 工况简介

如图1所示，汽轮机转子高速动平衡试验站专用设备由1台主动平车与1台从动平车组成，2台平车刚性连接。汽轮机转子支承在2个轴承座上，2个轴承座负载接近相同，分别由主动平车与从动平车支承，图1中俯视图为拿掉工件及轴承座后6个油缸在平面上的布置。试验工艺过程要求顶起、落下轴承座，且在顶升和落下过程中均须同步。因平车高度尺寸限制，不能采用机械升降，只能采用油缸。由于2个平车间的距离要随不同的汽轮机转子进行相应的调整，因而，主动平车与从动平车间不能用硬质油管连接，为保证液压管路的可靠性，系统由分别安装在主动平车和从动平车上的2套泵站组成。

图1 平车示意图

主要工作参数及要求：

工作方式：升、降；升降行程均是满负载，无外加载荷

工作要求：运行平稳且油缸升降全行程均须同步

工作频率：每天两次升降全行程

工作环境：工业厂房

工件及轴承座质量：180～440 t

油缸个数：6个

液压系统组成：由2套液压泵站各驱动3个油缸

油缸行程：80 mm

单行程时间：～3 min

同步精度：1 mm

1.2 同步系统的选用及比例同步系统运行中的问题

汽轮机转子高速动平衡试验站专用平车液压系统主要特点： 2套泵站，6个缸径相同的油缸；重载，但运行过程中负载无变化，无外加载荷；运行过程要求平稳，但不要求速度恒定；工艺要求升降行程的全过程均须同步；有一定的同步精度要求，但不是非常高；行程较小；使用频率低；油缸运行速度较慢；油缸工作为升、降，故不能选用升、降运动稳定性差的同步方式；泵站及油缸均须安装在平车上，安装空间受限；运送工件多规格，规格不同，液压系统负载不同。

该专用平车采用油缸的机械式同步(如：齿轮齿条、杠杆等)显然是难以实现的，而通常采用的同步阀、同步缸、串联油缸、同步液压马达、定量泵等液压同步方式或不可行或实现起来存在很大困难(文献[1]及文献[2]介绍了常规同步系统)，双泵站如采用双伺服电机结合液压同步系统的方式则成本过高。因此，该系统选择液压伺服同步和比例阀同步的同步方案。

液压伺服系统动态调节性能是最可靠的，也可以满足工况要求的。但其缺点是能耗大、容易出故障、抗污染能力差、价格昂贵、运行与维护频繁且复杂等。因此本文选用了比例同步系统。

比例同步可采用比例换向阀或比例调速阀的系统，因平车主要是对工件位置的同步要求，且动作过程负载无变化、对速度的恒定无要求。该比例换向阀的同步系统液压原理如图2所示。

比例换向阀同步系统是一个连续动态调节的控制系统，比例换向阀阀芯的换向动作及阀开口的大小由比例电磁铁驱动，PLC根据各位移传感器的反馈信号，连续地控制各比例换向阀的比例电磁铁，对阀口开度进行控制，实现各油缸的同步。即：当某油缸出现位置偏差，位移传感器产生一个压差信号，反馈给PLC，PLC 输出PID指令，通过比例放大器对指令信号进行功率放大，并按比例输出电流给比例电磁铁，比例电磁铁输出力并按比例移动阀芯的位置，使之朝减小位置偏差的方向变化，直至消除偏差。

在比例同步系统中，通常采用一个油缸为基准缸，调定其流量，使其按设定参数动作，其余油缸比照基准油缸的位置，进行同步调节。该平车共有6个油缸，如果选定的基准缸因其制造质量、油路、元件及密封等原因造成运动精度不是很理想，则会导致其它各油缸频繁调节同步，造成整个系统的运动不够稳定。因而，本系统不设定固定的基准油缸，而是每一次动态位置比照后，把响应最慢的一个油缸作为下一次动作的基准缸，因为此油缸响应调节的能力最弱，让其阀口开度为设定值，调节其它缸的阀口开度以适应此基准缸，这样，实质上是在运行中不断产生同步动态误差并不断消除同步动态误差的系统，类似于闭环控制，通过PLC设定比例阀开口的启闭及调节曲线，以保证油缸动作的相对稳定。

图2 比例换向阀同步系统液压原理图

分别在3个试验站的平车上采用比例同步系统，调试后系统达到设计要求，但在使用一段时间后，同步效果变差，重新调试后再运行一段时间，又出现问题，不能保证长期稳定运行。

分析3个试验站平车比例同步系统出现的问题，具有共性的问题有：比例放大器及比例电磁铁的稳定性影响同步；比例换向阀小开度时存在死区影响同步；阀杆磨损后导致摩擦力发生变化，需调整设定的控制参数；比例阀响应慢及各比例阀响应特性的差异对同步控制的影响；比例换向阀前后压差不恒定造成的影响；工件不同，各缸负载状态不同(如：甲工件负载重心偏A缸，乙工件负载重心偏B缸)对系统的影响；同步过调造成新的不同步状态，过于频繁的同步调节，使系统不能处于稳态运行；位移传感器稳定性对同步控制的影响；控制程序及参数设定对同步控制的影响；各缸制造精度、磨损状态不同造成的影响；同一缸在不同行程段运动特性的差异，对稳定性的影响；各回路、元件的差异造成的影响；油路污染造成的影响；偶发性、随机性等其它问题对运行及稳定性的影响。

液压系统调试及解决故障时，对双泵站多油缸系统逐一排除故障点及定性定量分析系统误差的难度很大，每次故障排查，耗时很多，影响正常生产。此外，比例同步系统还存在一些缺陷。

(1)由于是动态调节同步的系统，难以针对不同的工件，进行全行程的参数化设置，模式化运行。

(2)同步的动态调节过程不稳定性因素多，且任何一个油缸的不稳定，都会造成整个系统的不稳定，使得带工件调试，存在安全隐患。

(3)当某一个油缸产生过冲或动作迟滞时，同步控制效果非常不理想。

(4)比例系统是动态调节、动态同步的，所以不能及时发现同步控制不理想的问题，甚至到同步精度经常超差或超差很大时才能发现，这无疑对使用造成严重的影响。

(5)因工件的规格多，往往出现某项处理措施改善了甲产品的同步运行状态，却使乙产品的同步运行状态变差，难以兼容。

(6)无可避免的瞬时同步精度超差。

2 步进式液压同步系统及使用

2.1 步进式液压同步系统

为解决比例同步系统存在的问题，采用了全新的同步方式——步进式同步，根本性解决了同步控制问题。图3为步进式同步控制系统液压原理图。

图3 步进式同步系统液压原理图

液压系统主要由手动变量泵、普通三位四通电磁换向阀(中位机能O型)、液控单向阀、叠加式单向节流阀组成。电磁换向阀控制油缸动作的方向(升、降)；液控单向阀锁定油缸，防止下滑；单向节流阀，控制油缸上升(下降)的速度。油缸动作控制系统框图如图4所示。

图4 油缸动作控制系统框图

电气系统采用1个PLC对2个泵站进行控制，控制系统中设有一个触摸屏，显示各种参数并通过触摸屏进行各种参数的输入；6个油缸各装有一个位移传感器，将各油缸位移值反馈给PLC，并在触摸屏上显示，便于调试、操作及运行维护。每个油缸在上、下极限位置各有一个行程开关，用于保护。

步进式同步控制特点：

(1)步进动作过程(以上升行程为例)。程序设定油缸一次步进的行程为1 mm，每一次步进对应的油缸行程绝对值依次为1 mm，2 mm，3 mm，……，80 mm。启动上升行程， PLC指令6个油缸同时上升，各油缸位移传感器的行程值反馈给PLC，当某一油缸的行程值达到本步动作的步进行程设定值，则PLC停止该油缸上升。直到6个油缸全部完成步进并停止，PLC对各油缸停止位置进行比对，同步精度没有超差，则PLC指令各缸开始下一个步进动作。如此循环，直到各油缸达到总行程。这种步进动作过程相当于将油缸的总行程分解成步距为1 mm的n个步进单元来实现。由于设定每一步的步进行程值均为1 mm，所以，在整个行程中，总是能满足同步精度1 mm的要求，且基本没有比例同步系统存在的瞬时同步精度超差的现象。

图5为一个油缸完成一个步进单元的动作流程图。

图5 油缸步进动作流程图

(2)控制参数。输入的控制参数只有步进行程值和完成一个步进行程的时间参照值2项。控制参数少，设定与调整方便、灵活，便于故障分析及问题解决。

(3)各油缸步进行程值差异化设定。当油缸位移传感器反馈给PLC步进到位信号，PLC停止该油缸，由于负载的差异、各回路的细微差异、油缸的差异等造成各缸的惯性和运动特性不同，各油缸的实际停止位置的差异可能大于1 mm，超出同步精度要求，可通过分别设定各缸步进行程值的方式，保证各缸实际停止位置的差异，符合同步精度的要求。

(4)及时发现存在问题的油缸。参照程序设定完成一个步进行程的时间，当某油缸超时未完成步进动作(类似丢步)，说明该油缸或回路、液压元件出现问题；通过扫描油缸的实际停止位置，与本步步进行程值比对，可及时发现出现过冲(类似越步)现象的油缸。出现丢步或越步，系统报警，问题油缸及问题在触摸屏上显示，提示操作者应对系统进行检查、检修、维护。避免了比例同步系统中不能及时发现油缸不同步的问题。

(5)合理设定及优化步进行程值。根据实际运行情况，以保证同步精度及运行平稳为前题，可设置大于或小于同步精度值的步进行程值，保证同步，提高效率。

(6)可根据实际运行情况随时调整各油缸步进行程值：液压系统经过一段时间运行后，由于介质、回路、磨损等原因，会使得各油缸的运动特性产生变化，出现这样的情况，可随时对步进行程值进行相应调整，这样的调整是很容易实现的。

(7)分段灵活设定步进行程值。如果工艺对各行程段有不同的同步精度要求，可以对各行程段的步进行程值进行相应分段甚至分步的设定，以适配工艺要求，提高效率。同样对于某油缸在不同行程段运动特性存在差异，也可针对不同的行程段，设定不同的步进行程值。

(8)基于工件的运行参数设置。油缸运行过程是开环控制，不是动态调节同步的系统，因而，油缸可根据不同的工件，设定不同的运行参数，以满足同步要求。不同的油缸设定不同(或相同)的运行参数；每个油缸不同行程段设定不同(或相同)的运行参数；每个工件设定对应该工件的油缸运行参数，实现了油缸动作的参数化设置，模式化运行，从而使系统适配不同的工件，控制更合理，运行更可靠。

(9)油缸独立执行动作指令。各油缸动作过程中不做相互比较，不进行动态调节，故某一油缸的不稳定，不会造成整个系统不稳定。从而使得带工件调试，更安全。

(10)位移传感器随时反馈油缸位置，且完成一次步进，各缸停止，进行动作结果比对，所以，虽是开环控制，但接近闭环控制，同步精度容易保证。

(11)不会产生累积误差。出现丢步，系统报警；出现越步，但不超出同步精度，系统会在下个步进动作过程消除；越步过多，达到过冲，系统报警。

(12)步进式同步系统实质上是一个由常规元件构成的常规系统，只是通过步进式的控制方式实现多油缸的同步。系统稳定性及可靠性容易保证；调试及参数调整、运行维护都便于实现；系统的故障点、故障环节相应简单，易于分析、处理系统；而且系统构成、运行维护两方面都具有良好的经济性。

先前采用比例同步的3个试验站的平车，改为步进式油缸同步后，已使用多年，系统运行稳定、可靠，运行维护简便，未出现难以分析判断的系统问题，取得了良好的使用效果。

2.2 步进式液压同步系统的使用

双泵站多油缸的步进式同步系统可推广至3个或更多泵站的控制方式。在图3的系统中，选用比例换向阀，但依然使用步进式控制，因比例换向阀可进行阀芯启闭运行曲线设定，从而能使各油缸的运行更稳定。根据实际使用情况，建议一个步距的时间不少于2～3 s，以避免换向阀的换向频率过快，也有利于系统的稳定运行。

该步进式同步系统存在的缺陷：

(1)不适用于同步精度值小于0.5 mm的场合。

(2)运行速度慢，对于频繁动作和大行程的使用场合，速度慢的劣势更为突出。

(3)与普通换向回路相比，电磁换向阀动作次数大大增多，影响阀的使用寿命。

(4)电磁铁频繁得电、电磁换向阀频繁动作，会产生噪音。

3 结论

液压同步系统是液压技术长期存在的课题，在实际应用中系统运行出现问题后，系统误差分析比较困难，对于多泵站多油缸的同步系统，就更为困难。本文的步进式同步系统，是在常规液压系统上选用合理的控制方式实现油缸同步的，提供了一种新的液压同步方式，具有结构简单，运行稳定、可靠，调试简单方便，故障易于查找、解决，控制参数设定、调节容易实现，经济性良好等特点，但不适用于同步精度值小于0.5 mm的场合，在大行程及要求油缸快速运行的工况下，使用也受到限制。