工業4.0 針對不同的領域應該有不同的實踐標準，但有一個共性的底層——大數據技術。而到應用層實現智能化的定義，則是百花齊放，各自為戰。例如在大型制造裝備領域，工藝數據、設備數據這些數據的采集為下一步的數據挖掘打下基礎。這些數據應該能夠自動被存儲、被關聯、被調用，通過數據分析和數據挖掘反饋到生產應用層面就是設備的能耗、生產能力、開機率、產量、訂單等，反饋到設備維護應用方面就是可以實現預維護、條件維護、定期維護等，從而避免發生設備的突然停機影響生產。另外，大量全面的數據為工藝的優化、產品的優化、節能等多個方面提供數據支持，經過應用層面的轉化，變為表象的設備智能化。

在工業4.0 的旗幟下，大型液壓機的發展主要體現在液壓系統和電控系統圍繞人機互動而進行的研發。德國辛北爾康普公司作為一家從事壓力機研發和生產超過百年的企業，以“Leadership in Technology — 技術領航者”的身份持續在金屬成形領域深度耕耘。并提出了如下基于工業4.0 的大型液壓機技術發展內容，如圖1 所示。

圖1 新一代數字化技術

辛北爾康普將大型液壓機的數字化技術劃分為兩代系統：當代系統和新一代系統。當代系統的各種技術目前已經在大型液壓機上成熟應用并已經逐漸成為標準配置。新一代系統則是基于工業4.0 的標準，圍繞著如何讓機器滿足使用者的愿望及市場需求而不斷開發和演化。

當代系統

隨著航空等工業的發展，對于產品質量的可追溯性需求越來越高。對生產零件的設備也提出了相應的要求。一切以數據說話，已經成為高端金屬成形設備的標志，代表著壓力機電控系統的先進性。

壓力機數據的管理

聽起來就是數據庫軟件的功能，但是這些功能是建立在大型液壓機復雜現場的基礎上，需要對設備數據、工藝數據的各個方面進行數據采集，需要在設備上安裝眾多的傳感器及裝置才能實現最全范圍、最有效的數據提取。

多年來，辛北爾康普的大型液壓機聚焦航天航空領域。因此，在數據管理方面，辛北爾康普一直處于行業領先水平。辛北爾康普的DAHMOS?數據管理系統可以實現每秒最高達4800 個數據的存儲和管理。數據記錄模式多種多樣，有可以連續/循環記錄的“Trending”模式，也有條件觸發式記錄的“Event”模式，還有單獨運行特定事例的“Analysis”模式。在“Analysis”模式下，每10 毫秒可以對48 個數據進行記錄，可以設置提前觸發或延后觸發的緩沖。

DAHMOS?數據管理系統的先進性還體現在數據的視覺顯示上，可以根據用戶的要求最多一次性生成10 個圖表，每個圖表都可以單獨窗口顯示，每個圖表上又可以根據用戶要求顯示最多10 個圖形或曲線，如圖2 所示。

圖2 DAHMOS?數據管理系統

DAHMOS?數據管理系統為用戶提供了強大的數據基礎，用戶方的專家可以根據自己的需求任意調用數據，實現產品工藝分析、設備故障診斷等各種應用。

數據的挖掘

用戶高層管理者需要的是結果化的數據，他們更關心的是與生產有關的各種數據及數據背后的結果，這通常需要一套專家支持系統來滿足這些需求。辛北爾康普的PROD-IQ?智能生產管理系統就是這樣一套生產方面的專家支持系統。用戶通過該系統可以對所監控的工藝和生產數據（最多200 個）進行編輯選擇，PROD-IQ?系統可以以至少每分鐘兩次的頻次進行循環數據采集、存貯，并根據內置評估準則進行進一步評估，評估數據及結果可以導出、上傳到高一層的管理系統，也可以形成報告打印出來，這些數據及結果可以被保存兩年。

該系統分為基礎版和升級版。基礎版中包含停機時間管理模塊、班次作業管理模塊和日常評估模塊，可以對停機時間、班次能耗等數據進行統計、分析和管理，并可將管理范圍擴大至整個車間。升級版中則添加了智能維護模塊和訂單管理模塊，可以實現智能性維護和生產訂單管理，為設備管理者和工廠管理者提供數據支持及直觀的分析結果。

遠程在線診斷

遠程在線診斷是一套通過互聯網解決售后服務問題的系統，可以有效、及時的對設備故障進行診斷，避免了遠在異地的技術專家花費大量時間和成本到現場處理設備故障。這套系統的表象是技術專家通過互聯網對設備進行檢查，其所依靠的基礎仍然是上面提到的DAHMOS?系統，遠在異地的技術專家通過互聯網經過用戶授權獲取設備的DAHMOS?數據信息，進行故障診斷，判定故障原因并給出解決方案。雖然這套系統仍然需要設備所在國家的本地工程師配合，但極大地提高了工作效率。

同上一級信息管理系統的互聯互通

工業物聯網是工業4.0 的實現途徑，物聯網的基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理。因此物聯網上的每一個數據節點都需要具備實現這些功能的設備。壓力機只是整個工廠的一個數據節點，這個數據節點的數據應該能夠被用戶編輯并選擇性的傳送到整個工廠的信息管理系統中，同用戶的信息管理系統相融合。

因此，壓力機的智能化基本功能之一就是能夠同公司的企業管理系統對接，進行數據交換；更進一步的功能是能夠對壓力機本身采集的數據進行數據分析和數據挖掘，為公司的管理層提供數據支持。

計算機模擬輔助工藝系統

有限元模擬技術經過數十年的不斷研發，其模擬時間、模擬準確度和模擬精度不斷提高，已經成為優化鍛造工藝、實現鍛造自動化的有力工具。2012 年，辛北爾康普公司就提供給法國奧伯杜瓦公司一臺高速快鍛機，該壓力機通過自帶的計算機輔助鍛造軟件，實現了全自動化鍛造。用戶的工藝人員通過計算機輔助鍛造軟件建立道次表，壓力機根據傳送到PLC 中的道次表進行全自動鍛造，實現了產品精度、質量的高度一致性。

無論是模鍛還是自由鍛，隨著計算機技術的飛速發展，有限元網格化的時間已經從原來的幾十小時縮短到如今的幾小時或幾十分鐘。經過多年的實踐及經驗總結，促進了軟件研發人員對工藝的理解，軟件開始分化，針對不同的工藝產生了不同的處理計算方案。但“百川異源，而皆歸于海”，各種模擬軟件的最終目標就是達到盡量高的現實模擬度。實際上，現在很多計算機模擬軟件的模擬結果已經同現實非常接近，如圖3 所示。客戶現場的應用反而成了“短板”，缺少能夠熟練使用這些軟件的技術人員。

圖3 管道模擬結果和現場施工結果非常接近

新一代系統

經過幾十年的發展，金屬成形液壓機在眾多方面已經發展到了很高的水平：大型5 萬噸模鍛液壓機的工藝平行精度媲美頭發絲的細度，壓制速度的控制精度達到制表工匠的精確度，成形過程中實現材料的應變速率控制。大型自由鍛設備鍛造精度±1mm，鍛造頻次達到每分鐘110 次以上。發展到如此性能，進一步提高已經變得比較困難。隨著性能提升越來越難，客戶對壓機的健康即運行的穩定性和維護需求也越來越重視，從壓機本身進行“挖潛增效”勢在必行。辛北爾康普的新一代系統就是圍繞著這些需求和目標在逐步研發。

模擬軟件同壓力機的兼容接口

上面提到，計算機輔助鍛造已經普遍為鍛造企業所使用。現在市場上有眾多知名輔助鍛造軟件，這些軟件的最終模擬結果都需要轉化為壓力機上的成形工藝。因此，壓力機的PLC 系統應能夠使用這些眾多知名軟件的模擬結果和方案，這就對壓力機為軟件提供的接口的兼容性提出要求：無論是哪種軟件的模擬結果，都可以通過該接口傳送到壓力機的PLC 系統，直接用于生產。

重要液壓元件的工況監測系統

液壓系統是大型液壓機的心臟，為大型液壓機提供動力。重要的液壓系統元件例如主泵或者控制閥如果出現故障，對整個壓機的性能影響非常大，并且不好診斷故障點。辛北爾康普針對重要液壓元件的維護開發了液壓工況監測系統。該系統一方面采用了額外的傳感器技術，能夠實現對主液壓元件工況的動態監測及強制檢測，另一方面在控制器內內置了智能評估準則和相應的可視化系統。因此，設備維護和操作人員能夠從系統中得到部件的通用功能監測以及元件磨損的詳細數據。

例如，對于主泵系統，除了會監控運轉中當前磨損狀況和泵的效率之外，該工況監測系統還可定期的在設備待機期間分別的自動測試每一臺主泵以便在早期檢測出主泵的任何微小故障和變化，通過早期錯誤檢測來避免計劃外的停機時間。

節能——按需供能

近年來，在鍛造領域，特別是在大型熱鍛液壓機領域，由于加熱爐和熱處理爐是整條生產線的耗能大戶，所以用戶一直盯著這個領域的節能技術，而忽視了壓力機本身的能源消耗。辛北爾康普經過多年的研究，發現自由鍛壓力機運行期間，有25%到30%的時間處于停機空載運行（上下料等），而模鍛壓力機時間更長，有的時候高達50%的時間處于停機空載運行。這部分空載運行時間的電能消耗白白浪費掉了，數據分析如圖4 所示。

圖4 壓力機空載能源消耗

針對這一現象，辛北爾康普開發了iPS?智能驅動系統（Intelligent Power System）。該系統通過硬件輔助加上軟件控制，當壓力機運行時，如果停歇時間超過設定時間時（可以設定很短，秒數級），主泵等設備的電機會自動關閉；當壓力機需要開始鍛造時，在幾秒至幾十秒的短時間內，主泵等設備的電機會達到正常轉速，壓力機開始正常鍛造工作。關閉的電機重新開啟時也不會產生大起動電流。這樣就完美地解決了壓力機空載運行的能源浪費問題。簡而言之，壓力機運行期間停歇時間越長，這套系統的節能效果越顯著。

同時，針對加熱冷卻循環HCF 單元，這套系統也有相應的節能技術。系統會自動對液壓油的清潔度進行監控，如果液壓油的清潔度達到要求，則HCF單元自動關閉。如果清潔度達不到要求，HCF 單元自動開啟進行循環過濾，而不會像傳統液壓機的HCF單元，一直保持持續運轉。

圖5 是通過DAHMOS?數據管理系統采集壓力機數據生成的節能效果比較圖，可以看到，除了控制系統的電機沒有變化外，主泵、供油泵、HCF 單元都會根據壓力機的停歇時間關閉和打開，實現節能的目的。

圖5 節能效果比較圖

結束語

無論是當代系統還是新一代系統，都是辛北爾康普根據工業革命的理念和市場的需求不斷研發的結果。這些系統已經在全世界范圍內落地開花，效果也已經“初露端倪”。工業4.0 下，設備智能化的研發仍在如火如荼的開展，為客戶打造更為強大的核心競爭力，實現更高的利潤率是設備提供商一直追求的終極目標。液壓機作為重要的金屬成形設備，期待有更多、更深層次的智能化應用技術不斷出現。

——來源：《鍛造與沖壓》2020年第23期