液压现场总线技术
2013-07-30技术创新对于提高国家、地方和企业的科技竞争力，实现可持续发展具有十分重要的意义。2O世纪8O年代初，我国开始重视技术创新理论问题的研究，研究范围包括技术创新的模式、机制，技术创新的扩散，产业创新和技术创新经济学，技术创新的区域研究以及有关技术创新的政策、体系等诸多方面。经过2O多年的研究，人们已经注意到创新在生产各个方面所起的关键作用，并将创新作为企业、产业和国家竞争获胜的中心环节。
随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。液压传动技术已成为工业机械、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。而其向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。从液压实验台、自动化控制软件技术、水压元件及系统、液压节能技术等方面介绍液压传动技术发展动态。
1、液压现场总线技术
1.1 液压现场总线技术的定义
现场总线是连接智能化仪表和自动化系统的全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统简化为工作站和现场设备两层结构，它可以看作是一个由数字通讯设备和监控设备组成的分布式系统，从计算机角度看，现场总线是一种工业网络平台；从通信角度看，它是一种新型的全数字、串行、双向、多路设备的通信方式；从工程角度看，它是一种工厂结构化布线。随着现代制造技术的飞速发展，流体控制技术和电子控制技术的结合越来越紧密，在液压领域越来越多的人士开始使用或关注总线技术在液压系统中的应用，液压技术人员也越来越感受到观场总线技术的优越性。液压系统是在液压总线的供油路和回油路间安装数个开关液压源，其与各自的控制阀、执行器相连接。开关液压源包括液感元件、高速开关阀、单向阀、液容元件。根据开关液压源功能不同，它可组合成升压型或降压增流型开关液压源。由于将开关源的输入端直接挂在液压总线上，可通过高速开关方式加以升压或降压增流。该系统克服了传统液压系统无法实现升压以及降压增流的问题，最终输出与各执行器需求相适应的压力和流量。
1.2 现场总线技术在液压实验台应用中的特点
(1) 经济性：任何一种新技术新产品的开发与使用，其成本是首先需要考虑的因素之一，总线技术也不例外。设计开发总线技术产品的初衷之一就是降低系统及工程成本。所以，应用单位使用总线产品和供应商提供产品的第一前提应该是以降低总系统的使用成本为目的。
(2) 按IEC61131—3标准的柔性化程序，易学，学懂，可操作性强。
(3) 可靠性、可维护性：现场总线技术采用总线代替一对一的I／O连线。对于大规模I／O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素，同时系统具有在线故障诊断，报警记录功能；可完成现场液压系统的远程参数设定，修改等参数化工作，增强了系统的可维护性。
(4) 友好的人机对话界面，可方便进行液压系统的参数修改和故障监控。
(5) 满足所有有关人身安全，电磁兼容，抗冲击及抗震动的重要标准。
(6) 相对于传统的液压比例控制系统更具有其价格竞争优势。
2、自动化控制软件技术
在多轴运动控制中，采用SPS可编程控制技术。在这种情况下，以PC机为基础的现代控制技术也和许多自动化控制领域一样，有着自己的用武之地。自动化控制软件将SPS的工作原则与操作监控两项任务集于一身。液压实验台操作监控技术在伺服驱动中已经发展得比较成熟，并且具有强大的功能和功率。在大量的应用实践中已经证明，以微机软件为基础的控制方案在不同类型的液压控制中也是非常有效的控制方案。利用液压技术控制回路(控制阀、变量泵)和执行机构(液压缸、液压马达)大量不同的变型与组合配置，可以提供多种不同特性的控制方案。有些液压控制的运动与电气驱动的运动类似，因此，这样的液压运动控制也可以当作坐标轴的电气运动控制来对待和处理。各种液压控制方案可在PC机基础上的自动化控制系统下接受控制。自动化控制系统的适时性已经达到了毫秒级(精度达到1~2ms)，视所使用的局部总线系统不同，一个图像跳动的传输控制时间可短到10ms。这样的速度完全可以做到与常用的液压控制系统同步，可以完成对液压系统的功能控制。在液压轴控制的运算中，现代化的PC微处理器运算速度很快，完全可以与伺服控制技术中的伺服运算器相媲美。通常的微处理器在多轴控制过程中具有强大的运算能力，可在l~2ms之内完成多轴控制工作循环的计算，它已被应用到液压控制系统机床的大批量生产中。由于PC控制系统在主存储器中运行SPS可编程控制器的控制程序，使得任意编写的SPS应用控制程序也可在高层次的运算速度中运行。同样，用户自定义的专用控制程序也可在该层面中运行。在标准的自动化软件控制系统中，已经集成了对若干液压“坐标轴”的控制监控功能。对精确度要求较高的，例如切削加工机床，使用分散控制式的液压监控软件，它采用了液压阀、液压缸和位置测量系统复合的液压伺服机构，使得PC控制软件可以像控制电气元件一样来控制调节各个液压元件。PLC可编程序数据库使得液压定位的控制和自动化工作过程的同步运行更加方便。其控制电路与电气自动化控制基本没有什么区别，它同时也对操作与监控进行调节。另外，液压控制软件也可在PLC的标准环境中工作，而且是全透明的运行。利用这种液压控制软件可以对内部数据进行读写，最大限度地满足了操作监控和自动化控制的需要。所有液压系统的控制信号均可在工业控制局域网的接线柱中测得。可以被检测的信号包括：实际位置信号，实际压力信号和控制阀的状态、设置参数。利用液压控制技术可以满足各种要求，新的适时以太网解决方案以及与新以太网方案配套的连接元器件可以满足高新技术领域中高精度切削加工机床液压控制系统的所有需要。而液压控制系统的I／O系统也是少有的高效系统。所有工业液压技术的要求均可以以低廉的资金投入来得以实现。所有液压控制的运动功能，它都可以实现。除此以外，还提供了工作力的调节功能，利用电气伺服对输出的扭矩进行限定、调节。液压系统总体功能的制定，原则上按照实际需要而制定，并以模块的形式接受PLC数据库的控制。现代化的液压自动化控制软件使得自动化工程技术人员可以像使用电气控制软件一样方便自如地进行操作。因为在解除了技术壁垒的封锁之后，各种专项控制技术之间有了很大的融合与统一。操作监控与机床运动的相互集成必须是更简单、更方便和更高效的。在液压控制技术中不断创新的目标是：为用户提供更全面、更可靠、更物美价廉的自动化控制解决方案。
3、水压元件及系统
3.1 水压传动技术概述
在某种意义上，液压技术的发展是一个元件与工作介质互相适应和协调发展的历史。液压介质性能水平的提高对于现代液压技术的发展功不可没。现在所谓的水液压元件企图用普通水或天然海水作为介质，所有技术难点就都集中到了元件本身。液压元件的发展越来越依赖于材料科学和制造技术的进步，这在水液压元件中体现得尤为突出。在现代技术条件下，造出能在密封、自润滑、抗腐蚀等性能方面适应纯水甚至海水介质的液压元件是可能的。当然，由于无法同时改进介质的相关特性，水液压装置的性能，特别是性价比较之元件和介质都经过多年“磨合”和优化的传统液压装置会大打折扣，一般也只能在水的冰点以上才能运行。
水压传动技术是基于绿色设计和清洁生产技术而重新崛起的一门新技术。如是新型工业化发展进程中出现的一门绿色新技术。由于水具有清洁、无污染、廉价、安全、取之方便、再利用率高、处理简单等突出优点，用其取代矿物油作为液压系统工作介质时不仅能够解决未来因石油枯竭带来的能源危机，而且能够最大限度的解决因矿物油泄漏和排放带来的污染与安全问题，最符合环境保护以及可持续发展的要求。人们开始重新考虑和认识这一清洁能源作为液压系统工作介质的重要性，并已引起普遍关注，成为现代水压传动技术发展的最直接动力。
3.2 水压传动技术特点
(1) 资源丰富，来源广泛，再利用率高。水是地球上最为丰富的资源，在水压传动系统应用的整个周 期内，可多次回收，重复使用，且不易变质。
(2) 水是一种无毒无污染资源，对人体和环境无害，有利于提高工作环境的舒适性和安全性，排出的液体不需作任何处理即可直接排放，从根本上消除油压传动系统因泄漏和排放而造成的环境污染。
(3) 阻燃性好，安全性高。特别适合高温、核辐射和明火等场合下的应用，有效地解决油压传动所带来的易燃、易爆、油蒸汽对人体的危害等安全问题以及核辐射造成的液压油变质和放射性污染等问题。
(4) 处理技术与工艺简单，系统的运行与维修费用低。水长时间使用不会变质，使用前后的水处理简单；而且系统在航运、水下作业、潜艇等水环境下工作时，可不用油箱、冷却装置，大大简化系统。
3.3 水压传动技术的应用及展望
随着科学技术的进步，水压技术及产品取得了较大的进展，目前，不仅泵形式增多了，符合IS0／CETOP连接尺等各标准规格的各种阀都形成了系列液压实验台产品，配套用的液压缸、油箱、接头零件、密封件等也一应俱有。在欧、美，水压传动广泛应用于食品、医药、化学、造纸、木材加工、海上作业、核能工业、消防工程、地质钻探、环境工程等一些对安全、清洁、环境无害要求较高的行业。水液压作为一种更符合环保要求的传动技术，将会使流体技术在与电传动技术的竞争中得到新的支持。新材料、新技术必将推动水压技术的发展，逐步取代现有的油压传动。可以预见，水压传动这一在第一次工业革命中兴起的古老技术，通过创新发展终将成为与电气、油压、气动并列的第四种传动技术。
随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。液压传动技术已成为工业机械、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。而其向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。从液压实验台、自动化控制软件技术、水压元件及系统、液压节能技术等方面介绍液压传动技术发展动态。
1、液压现场总线技术
1.1 液压现场总线技术的定义
现场总线是连接智能化仪表和自动化系统的全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统简化为工作站和现场设备两层结构，它可以看作是一个由数字通讯设备和监控设备组成的分布式系统，从计算机角度看，现场总线是一种工业网络平台；从通信角度看，它是一种新型的全数字、串行、双向、多路设备的通信方式；从工程角度看，它是一种工厂结构化布线。随着现代制造技术的飞速发展，流体控制技术和电子控制技术的结合越来越紧密，在液压领域越来越多的人士开始使用或关注总线技术在液压系统中的应用，液压技术人员也越来越感受到观场总线技术的优越性。液压系统是在液压总线的供油路和回油路间安装数个开关液压源，其与各自的控制阀、执行器相连接。开关液压源包括液感元件、高速开关阀、单向阀、液容元件。根据开关液压源功能不同，它可组合成升压型或降压增流型开关液压源。由于将开关源的输入端直接挂在液压总线上，可通过高速开关方式加以升压或降压增流。该系统克服了传统液压系统无法实现升压以及降压增流的问题，最终输出与各执行器需求相适应的压力和流量。
1.2 现场总线技术在液压实验台应用中的特点
(1) 经济性：任何一种新技术新产品的开发与使用，其成本是首先需要考虑的因素之一，总线技术也不例外。设计开发总线技术产品的初衷之一就是降低系统及工程成本。所以，应用单位使用总线产品和供应商提供产品的第一前提应该是以降低总系统的使用成本为目的。
(2) 按IEC61131—3标准的柔性化程序，易学，学懂，可操作性强。
(3) 可靠性、可维护性：现场总线技术采用总线代替一对一的I／O连线。对于大规模I／O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素，同时系统具有在线故障诊断，报警记录功能；可完成现场液压系统的远程参数设定，修改等参数化工作，增强了系统的可维护性。
(4) 友好的人机对话界面，可方便进行液压系统的参数修改和故障监控。
(5) 满足所有有关人身安全，电磁兼容，抗冲击及抗震动的重要标准。
(6) 相对于传统的液压比例控制系统更具有其价格竞争优势。
2、自动化控制软件技术
在多轴运动控制中，采用SPS可编程控制技术。在这种情况下，以PC机为基础的现代控制技术也和许多自动化控制领域一样，有着自己的用武之地。自动化控制软件将SPS的工作原则与操作监控两项任务集于一身。液压实验台操作监控技术在伺服驱动中已经发展得比较成熟，并且具有强大的功能和功率。在大量的应用实践中已经证明，以微机软件为基础的控制方案在不同类型的液压控制中也是非常有效的控制方案。利用液压技术控制回路(控制阀、变量泵)和执行机构(液压缸、液压马达)大量不同的变型与组合配置，可以提供多种不同特性的控制方案。有些液压控制的运动与电气驱动的运动类似，因此，这样的液压运动控制也可以当作坐标轴的电气运动控制来对待和处理。各种液压控制方案可在PC机基础上的自动化控制系统下接受控制。自动化控制系统的适时性已经达到了毫秒级(精度达到1~2ms)，视所使用的局部总线系统不同，一个图像跳动的传输控制时间可短到10ms。这样的速度完全可以做到与常用的液压控制系统同步，可以完成对液压系统的功能控制。在液压轴控制的运算中，现代化的PC微处理器运算速度很快，完全可以与伺服控制技术中的伺服运算器相媲美。通常的微处理器在多轴控制过程中具有强大的运算能力，可在l~2ms之内完成多轴控制工作循环的计算，它已被应用到液压控制系统机床的大批量生产中。由于PC控制系统在主存储器中运行SPS可编程控制器的控制程序，使得任意编写的SPS应用控制程序也可在高层次的运算速度中运行。同样，用户自定义的专用控制程序也可在该层面中运行。在标准的自动化软件控制系统中，已经集成了对若干液压“坐标轴”的控制监控功能。对精确度要求较高的，例如切削加工机床，使用分散控制式的液压监控软件，它采用了液压阀、液压缸和位置测量系统复合的液压伺服机构，使得PC控制软件可以像控制电气元件一样来控制调节各个液压元件。PLC可编程序数据库使得液压定位的控制和自动化工作过程的同步运行更加方便。其控制电路与电气自动化控制基本没有什么区别，它同时也对操作与监控进行调节。另外，液压控制软件也可在PLC的标准环境中工作，而且是全透明的运行。利用这种液压控制软件可以对内部数据进行读写，最大限度地满足了操作监控和自动化控制的需要。所有液压系统的控制信号均可在工业控制局域网的接线柱中测得。可以被检测的信号包括：实际位置信号，实际压力信号和控制阀的状态、设置参数。利用液压控制技术可以满足各种要求，新的适时以太网解决方案以及与新以太网方案配套的连接元器件可以满足高新技术领域中高精度切削加工机床液压控制系统的所有需要。而液压控制系统的I／O系统也是少有的高效系统。所有工业液压技术的要求均可以以低廉的资金投入来得以实现。所有液压控制的运动功能，它都可以实现。除此以外，还提供了工作力的调节功能，利用电气伺服对输出的扭矩进行限定、调节。液压系统总体功能的制定，原则上按照实际需要而制定，并以模块的形式接受PLC数据库的控制。现代化的液压自动化控制软件使得自动化工程技术人员可以像使用电气控制软件一样方便自如地进行操作。因为在解除了技术壁垒的封锁之后，各种专项控制技术之间有了很大的融合与统一。操作监控与机床运动的相互集成必须是更简单、更方便和更高效的。在液压控制技术中不断创新的目标是：为用户提供更全面、更可靠、更物美价廉的自动化控制解决方案。
3、水压元件及系统
3.1 水压传动技术概述
在某种意义上，液压技术的发展是一个元件与工作介质互相适应和协调发展的历史。液压介质性能水平的提高对于现代液压技术的发展功不可没。现在所谓的水液压元件企图用普通水或天然海水作为介质，所有技术难点就都集中到了元件本身。液压元件的发展越来越依赖于材料科学和制造技术的进步，这在水液压元件中体现得尤为突出。在现代技术条件下，造出能在密封、自润滑、抗腐蚀等性能方面适应纯水甚至海水介质的液压元件是可能的。当然，由于无法同时改进介质的相关特性，水液压装置的性能，特别是性价比较之元件和介质都经过多年“磨合”和优化的传统液压装置会大打折扣，一般也只能在水的冰点以上才能运行。
水压传动技术是基于绿色设计和清洁生产技术而重新崛起的一门新技术。如是新型工业化发展进程中出现的一门绿色新技术。由于水具有清洁、无污染、廉价、安全、取之方便、再利用率高、处理简单等突出优点，用其取代矿物油作为液压系统工作介质时不仅能够解决未来因石油枯竭带来的能源危机，而且能够最大限度的解决因矿物油泄漏和排放带来的污染与安全问题，最符合环境保护以及可持续发展的要求。人们开始重新考虑和认识这一清洁能源作为液压系统工作介质的重要性，并已引起普遍关注，成为现代水压传动技术发展的最直接动力。
3.2 水压传动技术特点
(1) 资源丰富，来源广泛，再利用率高。水是地球上最为丰富的资源，在水压传动系统应用的整个周 期内，可多次回收，重复使用，且不易变质。
(2) 水是一种无毒无污染资源，对人体和环境无害，有利于提高工作环境的舒适性和安全性，排出的液体不需作任何处理即可直接排放，从根本上消除油压传动系统因泄漏和排放而造成的环境污染。
(3) 阻燃性好，安全性高。特别适合高温、核辐射和明火等场合下的应用，有效地解决油压传动所带来的易燃、易爆、油蒸汽对人体的危害等安全问题以及核辐射造成的液压油变质和放射性污染等问题。
(4) 处理技术与工艺简单，系统的运行与维修费用低。水长时间使用不会变质，使用前后的水处理简单；而且系统在航运、水下作业、潜艇等水环境下工作时，可不用油箱、冷却装置，大大简化系统。
3.3 水压传动技术的应用及展望
随着科学技术的进步，水压技术及产品取得了较大的进展，目前，不仅泵形式增多了，符合IS0／CETOP连接尺等各标准规格的各种阀都形成了系列液压实验台产品，配套用的液压缸、油箱、接头零件、密封件等也一应俱有。在欧、美，水压传动广泛应用于食品、医药、化学、造纸、木材加工、海上作业、核能工业、消防工程、地质钻探、环境工程等一些对安全、清洁、环境无害要求较高的行业。水液压作为一种更符合环保要求的传动技术，将会使流体技术在与电传动技术的竞争中得到新的支持。新材料、新技术必将推动水压技术的发展，逐步取代现有的油压传动。可以预见，水压传动这一在第一次工业革命中兴起的古老技术，通过创新发展终将成为与电气、油压、气动并列的第四种传动技术。