數字液壓為裝備智能化帶來的改變——據北京億美博科技有限公司專家楊濤報告整理今天做一個“數字液壓為裝備智能化帶來改變的專題”分享。我學的專業不是液壓，可能會在專業術語等方面存在不足或錯誤，只算是拋磚引玉，不算是嚴謹的學術交流。如果將鋼鐵稱為工業的骨骼、人工智能是大腦，那么液壓就是工業的“肌肉”。肌肉的精準可控并實現數字化和網絡化，是簡化控制難度、提升技術性能、降低綜合門檻、推動裝備制造業邁入智能化發展的捷徑。工業4.0成為工業智能化發展的共識，大功率傳動的數字化成為裝備智能化發展的關鍵。數字液壓提升了液壓傳動的技術性能，使得相對電傳動具有更大功率密度的液壓傳動重新獲得了發展機遇，讓人工智能與工業裝備相結合，推動大型裝備邁入智能化高質量發展之路。我們通過數字液壓在冶金、能源、工程機械等行業的成功應用和智能化案例，來介紹數字液壓為裝備智能化帶來的改變。液壓為何數字化？首先提出一個問題：液壓為什么要數字化？液壓實現數字化的目的是什么？僅僅是為了控制還是為了提升性能？在此我先給出一個自己認知的答案，這個也是中國工程院前院長周濟院士到億美博對數字液壓進行調研時說過的一句話，他說：數字化并不是最終的目的，數字化是為信息化和智能化搭建的基礎。因此在我看，液壓數字化至少要實現三個方面的改變：第一是希望通過液壓數字化提升技術水平。我們知道不論是發達國家還是我們國家，現有的液壓技術對于裝備制造業的發展形成嚴重阻礙，也就是所謂的“鎖喉之痛”。雖然美國波士頓動力把機器人Atlas做得能跑能跳能夠后空翻、把四足大狗做得滿街跑，但世界上也僅有這么一家公司能夠做到，這是為什么？我的看法可能是不一定正確，我個人認為液壓是關鍵瓶頸。電動化相比液壓能夠做得更簡單，我們看到小米狗、阿爾法狗、宇樹狗等國內廠家的電動四足機器人（狗）已經滿街跑了，但是液壓大狗現在還很難跑起來，至少我們還沒有看到現實中的工業化產品。因此我個人認為液壓作為傳動領域的基礎技術，對整個裝備制造業來說是個瓶頸。因此我認為液壓數字化第一重要的就是提升液壓的技術水平。第二是希望通過數字化降低液壓應用的門檻。美國波士頓動力能把液壓大狗和Atlas機器人做好，它的技術團隊大量來自美國麻省理工學院，以及液壓傳動技術有美國MOOG支撐，所以波士頓動力的機器人才能如此精湛。但是如此高級的傳動及控制技術想要在工業領域中普及應用是很難的，這也是目前液壓機器人并未大面積普及的根源。所以我們希望通過液壓數字化來降低液壓的應用門檻，能夠讓所有人都會用，而且能夠用好。第三是希望通過液壓數字化推動工業自動化、智能化發展。我想大家都認同未來的工業發展一定會向自動化、智能化方向邁進。如果液壓不能夠滿足未來工業發展的需求就會被淘汰。這些年我們已經看到電傳動技術越來越多地取代液壓被廣泛應用，我是學電的，父親是從事機械液壓專業的，我做電控最直接的感受就是它簡單易用，但明顯的不足是其體積重量要比液壓大很多，換句話說就功率重量比較小。波士頓動力機器人之所以能夠后空翻，而電動機器人都很難跳起來，這個差別就是功率密度。我們知道液壓的功率密度大，所以他有足夠的爆發力，從而能夠跳的起來。液壓有更大的功率密度，能夠實現數字化的高精度控制，就能夠讓工業自動化和智能化發揮效力，就能加速工業發展進程。無論液壓是模擬還是數字化，其為方法而并非目的。正如中國工程院前院長周濟院士所言，數字化不是目的，它是為裝備制造業實現信息化、自動化和智能化搭建的基礎。有了數字化精準可控的液壓技術，大功率傳動精準受控了，自動化水平才能提升，才能有利于信息化大數據云計算發揮效力，才能加速智能化落，地推動工業4.0快速發展。因此我個人認為，無論何種方式的液壓數字化，都至少應滿足上面這三個方面。液壓數字化的二種不同方向近些年，液壓數字化已經成為國際國內行業發展重點和趨勢，多種多樣的液壓數字化技術不斷涌現。我們將其分為兩種類型的液壓數字化：液壓控制數字化；液壓特性數字化。液壓控制數字化我們先來看一下液壓控制的數字化。“數字閥的出現是液壓閥技術發展的最典型代表，其極大的提高了控制的靈活性，直接與計算機接口，無需D/A轉換元件，機械加工相對容易，成本低、功耗小，且對油液不敏感”。這句話出自于楊華勇院士的《數字液壓閥及其閥控系統發展和展望》。這里面列舉了目前大家普遍稱之為液壓數字化的一些元器件（見圖1），左側是采用PWM/PNM控制的液壓閥，被稱之為數字信號技術。右側叫做數字流量技術，包括數字控制的流量離散高速開關閥，另外就是按二進制流量面積并聯組合的高速開關閥島，我們在此屆PTC展會上看到有一些院校在做這方面的研究工作。圖1數字控制化的液壓元器件這里我談一下個人看法。通過將液壓閥數字化，例如高速開關占空比調流，通過按2進制通流面積多閥組合的DFCU等等，都是試圖通過數字化手段改善液壓閥的流量分辨率、精度、線性度、滯環等控制特性。但這些數字化手段雖然提升了液壓閥的局部性能（暫且認為是這樣），但閥口壓降的變化、流體粘度變化、泄漏等外在因素的不確定，依然需要傳感器、控制算法軟件和參數的調整等，與復雜的伺服閥控系統并沒有太大區別。而被很多人看好的DFCU不僅體積重量失去了液壓相比電動的優勢，在大權值流量閥開閉切換無法做到無縫銜接而導致壓力/流量的沖擊，也是值得關注和深入研究的難題。除此之外，不同溫度、不同壓力、不同負載、不同流體等，即便在相同的閥口面積下也并不能得到相同的流量，而不確定的流量就無法精準地控制行程、速度和加速度，這樣的數字化帶來的好處是什么？不確定的流量是否可以稱為數字流量？因此我們將這樣的數字化技術稱為液壓控制的數字化。液壓特性數字化電信號的頻率對應液壓作動器的速度；電信號的數量對應液壓作動器的行程。不同溫度、不同壓力、不同負載、不同流體、甚至嚴重內外泄漏情況下，只要能維持一個較小閥口壓降（低于伺服或比例閥），億美博數字液壓就實現足夠精度的數字化特性。與上述液壓控制數字化不同的億美博數字液壓，注重的是液壓特性的數字化。我們定義的數字液壓是液壓作動器運動特性的數字化，因此在大多數工業應用中完全可以省略傳感器，僅用開環控制方式即可滿足大多數精度需求，加上傳感器，就可以構成異構冗余雙閉環控制系統，進一步提高系統安全穩定性能，優勢是其它系統難以匹敵的。正是由于液壓作動器具有了精準的數字化特性，不僅改變了液壓傳動控制的方式，提升了液壓控制系統的性能，簡化了液壓系統構成，提升了環境適應能力等，它與計算機和網絡接口更加便捷，從而有利于信息化的大數據和云計算及人工智能技術落地在大功率傳動控制領域。近些年，億美博在數字液壓基礎之上，進一步將其網絡化與智能化（見圖2）。如：增加壓力、溫度、姿態、振動等不同形式的傳感器；增加多種形式的現場總線網絡接口；嵌入高性能計算芯片，增加大數據預處理和故障預測等能力，使得數字液壓更接近于信息技術爆炸式發展及工業4.0智能化發展的需要。圖2網絡智能化數字液壓缸上面談了億美博數字液壓的特點和近些年的發展，那么億美博的數字液壓到底能夠做些什么，它能夠體現什么樣的技術特征呢？我用一段視頻展示典型的工程機械液壓油缸，通過億美博數字化升級后，推一個百分表，進行往復運動，精度優于±5微米，體現出億美博數字液壓的特性。大家知道工程機械油缸的綜合性能并不高，但數字化后將它的特性提升，主要表現在下面幾個方面：◆高頻響和高精度。我們通過數字液壓把頻響和精度大幅度提升，最近提的比較多的一個問題是數字液壓的頻響到底高還是不高？有一個確定的答案就是只有高頻響才能實現高精度，而通過上述視頻和大量應用案例可以看到，數字液壓可以在往復運動時實現±5微米的精度，這個精度相信絕大多數工業應用場合已經足夠高了，所以數字液壓的頻響夠不夠高先不用爭論，重點看實現的精度是否能夠滿足絕大多數的工業需求才更重要。◆高一致性。大家都知道，數字電子技術相對于以前的模擬技術，最大的不同就是它的高一致性。不論誰家生產的數字元器件，其特性都是相同的，不會說這一批的產品與下一批的不一樣，在不同工況下使用也具有一致性。數字液壓也同樣具有這樣的一致性，即：電信號的頻率和數量對應的就是數字液壓元器件的速度和位移，它的一致性非常好，因而降低了高精度液壓控制的難度。◆高環境耐受能力。數字液壓能夠耐受-40℃~200℃的環境溫度，NAS9~11級清潔度就可以滿足±3微米的控制精度要求。尤其是在工程機械領域的應用，高環境耐受能力是必不可少的，數字液壓在此具有更好的優勢。◆提高了可靠性、降低了綜合成本、降低維護難度，降低應用難度。數字液壓系統由于系統構成簡單，因而可靠性更容易獲得保障，同時也降低了設計和制造及系統成套的成本，更讓使用和維護簡單化。數字液壓缸早在2002年就被國家科技部列入十五科技攻關計劃，2003年通過了驗收。2019年數字液壓系列技術進一步得到了國家產業化發展的支持。億美博與國內油缸/馬達企業合作，將現有產品通過數字化升級，使其具備精密可控的性能和極強的環境耐受能力，大大提升了油缸和馬達企業產品的競爭力和盈利率，得到越來越多企業的支持并展開合作。液壓的數字化可以是多種多樣的，每一種技術和方法都有自身的優勢和特點。在滿足液壓技術性能和水平的提升、降低液壓應用門檻、推動裝備信息化、自動化、智能化發展基礎上，哪種技術路徑讓產品和系統實施更廉價、可靠和易于批量制造及推廣應用，哪種技術就更容易獲得市場接受和認可。在此我們感謝一直以來支持數字液壓發展的行業協會、領導和專家及各行業的用戶們。下面我們列舉一些典型的數字化和智能化應用案例，進一步讓大家了解億美博數字液壓的特點。數字液壓成功應用和智能化案例大型水電站數字液壓應用這個數字液壓應用比較有代表性（見圖3），應用是在世界第三大水電站——溪洛渡電站。圖片下面左邊是德國某著名液壓傳動控制企業的伺服液壓系統圖，可見系統構成非常復雜，不僅采用了液壓同步馬達提供初級同步性能，為進一步提高特殊工況下的同步精度，又在后面串聯了伺服閥控系統，進一步保證六臺液壓缸的同步運動精度。由于系統構成復雜，調試和維護工作量都非常大。采用億美博數字液壓技術進行升級替代，首先帶來的是技術性能大幅提升，第二安裝調試時間從2個月縮短到4小時，第三成本大幅度降低，第四免維護下已經連續運行超過了7年，第五備品備件率從20%降了一個數量級。這些都是采用數字液壓帶來的突出改變。該應用2017年通過了鑒定，鑒定結論是：國際先進水平。通過這個典型案例我們可以看到，數字液壓大幅簡化了液壓系統構成，提升了系統技術性能和可靠性，減少了維護和備品備件，綜合成本大幅降低。圖3世界第三大水電站國際先進水平數字液壓應用硅鋼極薄帶數字液壓軋機厚度自動控制將不銹鋼軋制到20-30微米被稱為“手撕鋼”，引起高度關注。而將硬度更高更脆的硅鋼軋制到30微米，這樣的技術和產品國家長期依賴進口，因而限制了我國高端裝備的發展。2016年我們利用數字液壓在硅鋼軋制厚度控制方面做了非常有益的探索，在后續全國產化軋機基礎上，不僅實現了30微米硅鋼極薄帶的批量穩定生產，8000米的帶長厚度誤差只有±2微米，這個指標已經遠遠超過了世界上最頂級的日本日金指標（日金的指標是50微米厚度，誤差+8/-10微米（見圖4））。圖4硅鋼極薄帶數字液壓軋機厚度自動控制對于硅鋼極薄帶的軋制，我們看一下采用數字液壓與傳統伺服液壓系統在控制方面帶來了什么樣的改變？我簡單地畫了一個框圖（見圖5），上面是傳統的伺服液壓系統，有很多的前饋算法和技術參數及多級閉環反饋控制等。采用數字液壓后，大量的前饋模型及技術參數不再需要，僅需檢測帶鋼的厚度進行閉環控制，大幅度簡化了傳動和控制系統構成。由于對算力的降低，所用的PLC從原來的S7-400降為S7-200，成本降低了數十倍。構成的系統則從幾千萬降到了幾十萬，這是一個明顯的改變，而且它的使用難度、使用和維護成本大幅度下降。數字液壓升級替代傳統伺服閥控液壓系統，不僅提升了精度、簡化了系統、增強了可靠性和環境耐受能力，還使控制系統軟硬件大幅簡化，大大降低了綜合成本，實現了全國產設備自主可控生產高端基礎材料。圖5硅鋼極薄帶伺服/數字液壓厚度自動控制系統對比旋挖鉆回轉數字液壓馬達及智能控制探索再看我們在工程機械領域做的一些數字化和智能化探索。圖6是三一旋挖鉆，我們將原來的回轉液壓馬達進行了數字化升級并進行了智能化控制的探索，帶來如下改變：圖6旋挖鉆回轉馬達數字化及智能控制探索◆提升回轉一次停位精度◆變工況智能優化啟停特性◆改善回轉平穩性◆縮短液壓系統響應時間◆提升作業效率/降低能耗◆一鍵智能快速回位/降低勞動強度旋挖鉆機回轉馬達通過數字液壓升級，在超大轉動扭矩工作狀態下，實現了高速一次停位精度優于+/-0.2度，大幅提升了旋挖鉆成孔精度，提升了作業效率，降低能耗等的同時，控制系統可通過智能化算法，在不同回轉扭矩下，智能優化回轉加減速曲線，降低慣性導致的結構受力引起的沖擊晃動等。起重機回轉數字液壓智能穩鉤控制系統起重機起吊重物回轉時會因動勢能變化導致被吊物體晃動。而晃動帶來安全系數和作業效率的降低。行業內一直謀求通過智能控制進行晃動補償控制，但由于被控回轉液壓系統難以在精準的時刻實現精準的角速度、角加速度和角位移等諸多調控要求，因而成為行業一直未能攻克的難題。數字液壓馬達升級回轉液壓傳動系統后，在提升液壓系統響應速度，提升角位移、角速度和角加速度精度的前提下，通過對力學、運動學、結構和材料學等的深入研究，總結出一套先進有效的多維感知智能控制算法，在不同吊臂長度和不同變幅角度以及不同負載情況下，均實現了被吊物體在最高速回轉及停止時的穩定控制（例如：吊纜長22米時，額定載荷最大擺動距離僅有±10cm），讓起重機具有了全新的競爭力，也充分體現了數字液壓為人工智能技術落地裝備制造業帶來的巨大優勢（見圖7）。圖7起重機回轉數字液壓智能穩鉤控制系統攤鋪機行走馬達數字化及智能控制探索圖8左邊是數字化改造的攤鋪機。原行走液壓系統采用進口閉式液壓系統并在高壓下工作，才能提供足夠的液壓剛度，滿足大多數回轉角度的運行穩定性需求。即便是這樣，在一些小半徑回轉時，由于兩側馬達速度差較大，低速運轉的馬達會受到很強的反拖力而出現抖動。數字液壓系統不僅可以用開式單國產液壓泵滿足雙數字液壓馬達精確的角速度和角位移運轉需要，低速穩定范圍大幅拓展，還可以實現任意角度的穩定回轉。不僅如此，我們還將先進的機器人控制技術及機器視覺技術應用在攤鋪機控制上，僅僅500元人民幣、一個月的時間、一個人的工作量，就實現了攤鋪機自動巡線無人駕駛。視頻中的攤鋪機用一個工業攝像頭來識別地上的一條白線（模擬道路的邊界），就能讓攤鋪機更貼近路邊攤鋪而不發生碰撞，減少人工補攤的作業量。圖8下圖展示的是價格僅不足500元人民幣的控制系統及開源機器人控制系統（ROS，意思是機器人操作系統）。我們現在正在用機器人控制系統來實現對工程機械的控制。大家此時可能會有一個疑問——機器人控制系統能不能控制工程機械，或者說工程機械能不能用機器人控制系統控制？我們換個角度想象一下，一臺挖掘機、起重機，不就是一個單