وحدات الطاقة الهيدروليكية الحديثة: التطور من التحكم الإلكتروني إلى الذكاء

يتم استكشاف مزايا وخصائص صمامات الرفع التي يتم التحكم فيها إلكترونيًا.

دكتور انج. E. Goenechea ، Bucher Hydraulics AG ، سويسرا

تم تقديم هذه الورقة في مؤتمر ELEVCON Lucerne 2010، المؤتمر الدولي لتقنيات النقل الرأسي، ونُشرت لأول مرة في كتاب IAEE Elevator Technology 18، الذي حرره A. Lustig. وهي إعادة طباعة بإذن من الجمعية الدولية لمهندسي المصاعد IAEE (الموقع الإلكتروني: www.elevcon .com). هذه الورقة هي إعادة طباعة دقيقة ولم يتم تحريرها بواسطة ELEVATOR WORLD.

الكلمات المفتاحية: صمام هيدروليكي ، تحكم إلكتروني ، تعليم ذاتي ، مراقبة الحالة

الملخص

في أكتوبر 2009 ، قدمت شركة Bucher Hydraulics صمام الرفع الجديد الذي يتم التحكم فيه إلكترونيًا "iValve". يرمز الحرف "i" إلى "ذكي" لأن الصمام لا يتم التحكم فيه إلكترونيًا فقط مثل سابقتها LRV-1. يقدم iValve أيضًا بعض الميزات الذكية المهمة مثل الضبط الذاتي ومراقبة الحالة التي تتحقق من خلال قدرات التعليم الذاتي التي يطلق عليها "iTeach". تم تطوير هذه الميزات باستخدام استراتيجيات البحث والتطوير والأدوات والقدرات التي تناسب أعلى معايير المنتجات الميكاترونيك. فيما يلي وصف مزايا وخصائص التحكم الإلكتروني بالإضافة إلى تأثير الميزات الجديدة. تظهر قوة خوارزميات التعلم المطورة من خلال النتائج التجريبية.

1. مقدمة

يخضع أي زيت هيدروليكي وكذلك كل وحدة طاقة هيدروليكية لعدة خصائص فيزيائية. على سبيل المثال ، تقل لزوجة الزيت الهيدروليكي مع زيادة درجة الحرارة. هذا يعني أن الزيت يصبح أرق ، وكلما زاد تسخينه. على سبيل المثال ، يمكن أن تكون لزوجة زيت معدني مستخدم نموذجي HLP46 حوالي 500 سنتي ست عند 2 درجة مئوية و 20 درجة مئوية عند 60 درجة مئوية.

مثال آخر يمكن أن يكون مضخة وحدة الطاقة. هذه عادة مضخة لولبية. تعاني هذه المضخات من التسرب بسبب التفاوتات الهندسية. هذا يعني أن الإزاحة الحجمية للمضخة تعتمد على الضغط واللزوجة المذكورة أعلاه.

هناك قدر كبير من الخصائص المهمة إلى حد ما للنظام الهيدروليكي تعتمد على معايير مختلفة مثل الضغط ودرجة الحرارة وتقادم الوسيط وتآكل المكونات وحالة المرشحات وغيرها الكثير.

للأسف ، غالبًا ما يشار إلى هذه العلاقات على أنها عيوب الأنظمة الهيدروليكية. في حالة وجود صمامات ميكانيكية بسيطة فهي كذلك بالفعل. في ما يلي سيظهر أنه باستخدام صمام إلكتروني ذكي يتم التحكم فيه ، يمكن التعامل مع هذه التأثيرات بسهولة ولا يترك للعميل سوى مزايا النظام الهيدروليكي الذي يهبط بدقة ، ويقود بشكل مريح ويوفر أكبر قدر ممكن من الطاقة. يمكن تسمية العديد من المزايا. ستركز هذه الورقة على تلك المشتقة من منحنى قيادة مضغوط ودقيق وموثوق - كفاءة الطاقة وهبوط دقيق.

2. الصمام الخاضع للسيطرة ميكانيكية

لنفترض أن هناك مصعدًا ينتقل بين طابقين. من أجل تحديد معلمات النظام ، يقود الفني سيارة فارغة وزيت بارد نسبيًا. يتأثر السفر بالعملية التالية (الشكل 1).

أولاً ، يظل المصعد ثابتًا في الموضع السفلي. يتم تشغيل المحرك ويتم إعطاء الصمام إشارة للقيادة لأعلى بأقصى سرعة. سينتقل كباس التحكم في الصمام من وضع الخمول (دوران 100٪) إلى موضع القيادة (0٪ دوران). تحدد سرعة مكبس التحكم التسارع وكذلك اهتزاز السيارة. يتأثر عادة عن طريق ممر منخفض هيدروليكي ويتم تعديله عن طريق حفر فتحة قابلة للتعديل. يتم تحديد سرعة السيارة الآن من خلال عدة عوامل مثل الضغط واللزوجة وتسرب المضخة وغيرها الكثير كما رأينا من قبل.

الشكل 1. منحنيات القيادة لصمام يتم التحكم فيه ميكانيكيًا

عندما تمر السيارة على مفتاح على مسافة معينة إلى المرحلة العليا ، تتغير الإشارة من "السرعة الكاملة" إلى "السرعة البطيئة". يؤدي هذا إلى إبطاء الصمام للسيارة إلى إبطاء السرعة عن طريق فتح الدورة الدموية لمعظم التدفق الحجمي. يعتمد التباطؤ وكذلك السرعة البطيئة الدقيقة على المعلمات المسماة. تعني السرعة البطيئة أن السيارة تسير على سبيل المثال 10٪ من سرعتها الكاملة بينما 90٪ من الإزاحة الحجمية للمضخة يتم تسليمها مقابل ضغط الأسطوانة وتعود مباشرة إلى الخزان.

يتم الاحتفاظ بهذا الموقف حتى تمر السيارة بالمفتاح التالي. الآن تشير الخزانة إلى "توقف" للصمام. تتوقف بعض الصمامات الميكانيكية فجأة ويمتلك البعض الآخر وسائل ميكانيكية لتحقيق ما يسمى بالتوقف الناعم. المسافة من إشارة التوقف إلى التوقف النهائي تعتمد على المعلمات المعروفة مرة أخرى.

الشكل 2. iValve

قام الفني بتحديد معلمات الصمام الميكانيكي. لقد قام بضبط 10 براغي أو أكثر تتحرك لأعلى ولأسفل عدة مرات. السيارة لا تزال فارغة. الزيت دافئ نسبيًا. يجب أن يكون قد أخذ شيئين في الاعتبار. من ناحية ، يمكن استخدام المصعد في درجات حرارة أقل مما قام بتعديله الآن. في هذه الحالة ، سيكون إزاحة المضخة أعلى وسيستغرق التباطؤ وقتًا أطول. وبالتالي سوف يستغرق وقتا أطول للتوقف. يتعين على الفني ضبط سرعة بطيئة لفترة كافية لتعويض هذا التأثير وإلا سوف يمر المصعد فوق موضع الهبوط ويتعين عليه التراجع. من ناحية أخرى ، إذا كانت السيارة محملة بالكامل و / أو كان الزيت ساخنًا ، فستكون السرعة الكاملة أبطأ بشكل ملحوظ. مع الضبط المختار ، ستتباطأ السيارة في وقت أقصر بكثير وستحتاج إلى المرور لمسافة طويلة بسرعة بطيئة مما يهدر الكثير من الطاقة - الطاقة التي ستسخن الزيت أكثر. من الواضح أن الاعتماد على التسارع والتباطؤ من اللزوجة وكذلك بساطة التحكم الهيدروليكي تؤدي إلى مشاكل الراحة مثل الاهتزازات والاهتزازات.

3. الصمام الذي يتم التحكم فيه إلكترونيًا

إن أقوى وسيلة لتقليل فقد الطاقة الناجم عن الخصائص المسماة لوحدات الطاقة الهيدروليكية هو ضمان بدء سريع ، وتسارع وتباطؤ عالٍ ، ومرحلة قصيرة بطيئة السرعة مستقلة عن الحمل ودرجة الحرارة.

يمكن تحقيق ذلك باستخدام التحكم الإلكتروني. لنفترض أن هناك صمامًا قادرًا على ضبط أي تدفق حجمي لأعلى ولأسفل. يضاف إلى ذلك مستشعر التدفق الحجمي الذي يقيس التدفق المعدل الذي يمر عبر الصمام. باستخدام هذه المكونات ، يمكنك تصميم نظام يتحكم في حركة السيارة بطريقة أكثر تعقيدًا بكثير مما يمكن أن يفعله الصمام الميكانيكي. على سبيل المثال ، يمكنك تصميم منحنى قيادة يضمن الحد الأدنى من الاهتزازات والاهتزاز بأقصى تسارع وتباطؤ. يوضح منحنى القيادة التدفق الحجمي (على التوالي سرعة السيارة) كدالة للوقت. في حين أن النقاط المميزة مثل بداية التباطؤ والتوقف الناعم يتم تشغيلها بواسطة موضع السيارة داخل العمود.

يمكن للفني ضبط نقطة التباطؤ بالقرب من موضع التوقف لأن المصعد يمكن أن يتباطأ بشكل أسرع بدون تأثيرات مزعجة. إضافة إلى ذلك ، ستحافظ السيارة على نفس التباطؤ غير المتأثر بحمل السيارة أو درجة حرارة الزيت. لذلك يمكن للفني ضبط مرحلة السرعة البطيئة لفترة قصيرة جدًا. يمكن تقليل الطاقة المهدرة في هذه المرحلة من السفر بشكل كبير. بمجرد أن يقوم بتثبيت مفتاح إشارة التوقف ، يقوم بضبط التباطؤ بحيث تصل السيارة إلى السرعة البطيئة قبل وقت قصير من وصولها إلى مفتاح الإيقاف الناعم. كما أن الانتقال من إشارة التوقف الناعم إلى وضع التوقف مستقل تمامًا عن حمل السيارة ودرجة الحرارة. بمجرد ضبطه يختلف حول +/- 3 مم في حالة Bucher Hydraulics LRV-1.

الشكل 3. منحنى القيادة لصمام يتم التحكم فيه إلكترونيًا

4. الصمام الذكي

معايير الجودة الموضحة أعلاه شائعة للعملاء المميزين. يمكن تحقيق دقة توقف تبلغ +/- 3 مم ومرحلة سرعة بطيئة بين 0.5 ثانية و 1 ثانية عند استخدام صمام يتم التحكم فيه إلكترونيًا حيث يتم بيعه لعدة عقود.

4.1 آي تيتش

من المفترض أن يعمل الصمام الذكي على تحسين خصائص نظام الصمام الإلكتروني إلى أقصى حد. بمقارنة الشكل 1 بالشكل 3 ، تدرك أن الصمام الإلكتروني يوفر ما يصل إلى 30٪ من الطاقة اللازمة لسفر متوسط ​​للمصعد الهيدروليكي عن طريق تقصير متوسط ​​الحركة البطيئة بشكل كبير. في هذه المرحلة ، يعاني معظم فقدان الطاقة الذي يمكن تجنبه. لتوفير ذلك ، يتم الحفاظ على السرعة العالية ثابتة لجميع نقاط التشغيل. كما رأينا من قبل ، فإن الإزاحة الحجمية للوحدة هي دالة لمعلمات مثل حمل السيارة ولزوجة الزيت. لذلك يجب أن تكون السرعة المختارة هي أبطأ سرعة ممكنة للسيارة المحملة وأقل لزوجة. هذا يعني أن القيادة لأعلى بسيارة فارغة و / أو زيت بارد تتدفق نسبة معينة من الإزاحة الحجمية للمضخة دون استخدام. ينتهي هذا الوضع بالصمام الذكي. يتحكم في السرعة عالية السرعة إلى أقصى إزاحة حجمية للمضخة في جميع نقاط تشغيل النظام الهيدروليكي. ولكن يجب أن تظل السيارة تتباطأ عند منحنى القيادة الذي يقلل من استهلاك الطاقة في مرحلة السرعة البطيئة إلى الحد الأدنى. ويتحقق ذلك من خلال جانب واحد من قدرات "iTeach" الخاصة بها. iTeach عبارة عن مجموعة من خوارزميات التعليم الذاتي التي تمكن iValve من التعرف على النظام الهيدروليكي المتصل والتكيف مع سلوكه. في حالة الأنظمة ، يمكن لـ iTeach تحقيق سرعة عالية السرعة ، عندما تصل سرعة السيارة المتسارعة إلى أقصى حد لها وهو ما يعتمد على المعلمات المسماة مثل لزوجة الزيت وحمل السيارة وسرعة دوران المحرك وغير ذلك الكثير. تتعلم الخوارزمية السرعة التي تم الوصول إليها كدالة لدرجة الحرارة وضغط النظام. بعد بعض الرحلات ، يمكنه التوجه مباشرة إلى السرعة القصوى للأنظمة بدقة متزايدة. باستخدام هذه الخوارزمية ، يستطيع iValve استخدام كل الطاقة الهيدروليكية الناتجة عن المحرك والمضخة. لكن السرعة القصوى لأعلى ستكون الآن دالة للمعلمات المسماة. إذا تباطأت السيارة من سرعات مختلفة باستخدام نفس معاملات منحنى القيادة فإنها ستغطي مسافات مختلفة. لتجنب ذلك وتحقيق الحد الأدنى من طور السرعة البطيئة لجميع نقاط التشغيل ، من الضروري اعتماد منحنى القيادة على السرعة الفعلية.

الشكل 4. منحنيات القيادة لصمام ذكي

هناك حاجة إلى سعة iTeach ثانية لجعل ذلك ممكنًا. إذا كانت السيارة تسير بسرعة عالية معينة ، فهناك حد أدنى من سكتة التباطؤ يعرفه الفنيون ويشار إليه في الدليل. تم ضبط الصمام في المصنع على هذا التباطؤ لتجنب تجاوزه. إذا لم يتم بناء العمود إلى الحد الأقصى ، فستتباطأ السيارة بسرعة كبيرة وستضطر إلى القيادة بسرعة بطيئة أطول من اللازم. في هذه اللحظة ، سيتعلم iTeach المسافة الهندسية الحقيقية بين مفتاح التباطؤ ومفتاح الإيقاف الناعم.

في المرة التالية التي تتحرك فيها السيارة بسرعة عالية ويتم إعطاء إشارة التباطؤ ، سيحسب iTeach منحنى التباطؤ اللازم في الوقت الفعلي للوصول إلى موضع التوقف الناعم بأقل مرحلة من السرعة البطيئة. لهذا الغرض ، ستستخدم المسافة المكتسبة بين مفتاح التباطؤ ومفتاح الإيقاف الناعم بالإضافة إلى السرعة الفعلية الناتجة عن تحسين السرعة العالية.

بفضل ميزات الذكاء هذه ، سيجعل الصمام السيارة تتحرك بأعلى سرعة ممكنة ممكنة بواسطة المحرك والمضخة ، كما أنه سيتباطأ بعد منحنى القيادة الأمثل مع الحد الأدنى من السرعة البطيئة ويأتي للراحة على مستوى الأرض بأقل مسافة - مستقلة عن حمولة السيارة والزيت ودرجة حرارة الغرفة أو غيرها من العوامل مثل عمر النظام وغيرها الكثير (الشكل 4).

4.2 مراقبة الحالة

إن دمج الذكاء في صمام يتم التحكم فيه إلكترونيًا يجعل من الممكن إبعاد الفني عن واجبات مثل تحديد المعايير ، وربما التعديل أو التحسين. لكن الذكاء المتكامل يمكنه تحمل المزيد. من خلال طرق مراقبة الحالة ، من الممكن مراقبة وتحليل حالة النظام الهيدروليكي وتقييم أو حتى التنبؤ بحالة العناصر الفردية مثل المرشحات والوسيط وغير ذلك الكثير.

سيتم تطوير هذه الميزات في الخطوة الثانية من إطلاق iValve. بالتعاون مع شركاء مختارين ، سيتم جمع البيانات من وحدات الرفع الهيدروليكية التي تحركها iValve لتحقيق ما هو موصوف أدناه.

من أجل إدراك الميزات الذكية لخوارزميات iTeach ، تم تجهيز الصمام الذي يتم التحكم فيه إلكترونيًا بالفعل بمستشعر إزاحة حجمية ومستشعر ضغط ومستشعر حراري على الجانب الهيدروليكي. إضافة إلى ذلك ، فإنه يمتلك حساسية على الجانب الإلكتروني لأنه يتحكم في التيار الكهربائي للمغناطيس النسبي على سبيل المثال.

يتم جمع قدر هائل من المعلومات بواسطة حزمة المستشعرات هذه ويتم إدخالها في نموذج افتراضي موجود
في الصمام. يمثل النموذج الصمام والنظام الهيدروليكي المتصل. يمكن تمثيله بشكل مشابه لنموذج محاكاة النظام الخاضع للمراقبة ويدرك ما إذا كانت معلمات النظام تنحرف أو تتغير.

أخيرًا يمكن استخلاص النتائج من النموذج فيما يتعلق بحالة العناصر الفردية للصمام أو النظام. يمكن إعطاء التحذيرات والتوصيات عند تنظيف المرشحات أو تغيير الزيت.

5. النتائج التجريبية

تم اختبار الخوارزميات الموضحة في الفصل الرابع باستخدام رافعة تجريبية في شركة بوخر هيدروليكس في نويهايم. تم توصيل نموذج أولي من صمام iValve 250L بالنظام الهيدروليكي لرافعة تعمل بأسطوانة مكبس بنسبة 2:1، وتُشغل بمضخة لولبية سعتها 250 لتر/دقيقة ومحرك غير متزامن مناسب. تم استبدال وحدة التحكم في الصمام بلوحة DAQ-Board يتم التحكم بها بواسطة برنامج LabVIEW. أُجريت الاختبارات ضمن نطاق معلمات التشغيل لصمام iValve، حيث كانت درجة الحرارة من 2 إلى 60 درجة مئوية، والضغط الساكن من 12 إلى 60 بار.

بفضل نظام قياس الموضع ، يمكن ضبط جميع نقاط التبديل رقميًا ويمكن التحكم في موضع المقصورة بواسطة ملم.

يتم عرض عمليتي تعلم مثاليين في ما يلي. في المثال الأول ، كان المصعد يتحرك لأعلى بسرعة قصوى تبلغ 250 لترًا / دقيقة (0.6 متر / ثانية) عند ضغط ثابت يبلغ 30 بارًا. تم ضبط مسافة التباطؤ على 0.8 متر. السرعة البطيئة 20 لتر / دقيقة وتم اختيار مسافة التوقف الناعمة لتكون 20 مم. مسافة التوقف الناعمة هذه طويلة نسبيًا وتم اختيارها لتحليل أسوأ الحالات. غالبًا ما يتم ضبط مسافة التوقف الناعمة على 10 مم. في الشكل 5 ، يتم رسم خطأ موضع الهبوط مقابل عدد الرحلات المنفذة. إعداد المصنع هو توقف سريع للغاية. لذلك سيتوقف المصعد لفترة قصيرة جدًا وسيصمد 8 مم قبل موضع التوقف الصحيح. بعد السفر الثالث ، تصبح خوارزمية التعلم أقل من الخطأ المستهدف +/- 3 مم.

الشكل 5. تعلم دقة الهبوط عند مسافة توقف ناعمة 20 مم

يوجد مثال آخر في الشكل 6. في هذه الحالة تحركت السيارة لأعلى. كان الحمل الثابت 12 بار. السرعة العالية 250 لترًا / دقيقة ، والسرعة المنخفضة 20 لترًا / دقيقة. مسافة التباطؤ 0.8 متر. الإعداد المسبق للتباطؤ مرتفع للغاية. لذلك ، خلال الرحلة الأولى ، سيتباطأ المصعد بسرعة كبيرة ، ويجب أن يتحرك بسرعة منخفضة لفترة من الوقت حتى يصل إلى مفتاح الإيقاف الناعم. بعد السفر الأول ، تعلمت الخوارزمية مسافة التباطؤ وفي الرحلة الثانية تصل بالفعل إلى الإعداد المستهدف البالغ 0.7 ثانية من السفر البطيء السرعة.

الشكل 6. ضبط وقت السفر البطيء على 0.7 ثانية

6. الخلاصة

يتم تشغيل المصعد الهيدروليكي من خلال عدة إشارات مقدمة من خزانة التحكم. يتم تحديد هذه الإشارات من خلال الموقع الهندسي لنقاط التبديل في العمود. بين هذه النقاط ، من المفترض أن تتسارع السيارة وتتباطأ وتقود وتقف ثابتة بسرعات معينة وتسارع ورعشة منخفضة. في الصمام الميكانيكي ، تعتمد هذه الخصائص على درجة الحرارة وحمل السيارة وغيرها الكثير. لذلك يجب تعديل الصمام الميكانيكي إلى مرحلة سرعة بطيئة طويلة ومستهلكة للطاقة ولا تزال دقة الهبوط منخفضة.

الصمام الذي يتم التحكم فيه إلكترونيًا مستقل تمامًا عن نقاط التشغيل. لذلك يمكن تعديله بالقرب من منحنى القيادة الأمثل لتوفير الطاقة ، والهبوط الدقيق للغاية والقيادة المريحة. لا يزال يتعين إجراء هذه التعديلات على الرغم من أن واجهة المستخدم الخاصة بالصمام الذي يتم التحكم فيه إلكترونيًا تكون أكثر راحة من المسامير اللولبية المجردة للصمام الميكانيكي.

الصمام الذكي قادر على تحليل النظام الهيدروليكي للمصعد وضبط نفسه. بعد تثبيت المصعد ميكانيكيًا ، سيدفع الصمام الذكي بإعداد مصنع آمن. بعد عدة رحلات ، ستتعرف على الخصائص الحقيقية لنظام الرفع المتصل وتضبط نفسها على منحنى القيادة الأمثل.