摘要：本文针对轧机液压伺服系统改造时可靠性提高的迫切需要，对液压伺服系统的可靠性优化与冗余技术进行研究。通过分析设备、控制和维护这三个方面的影响因素，提出了包括系统配置优化、抗干扰提升以及预测性维护在内的可靠性最优化路径，并就硬件、控制、系统级冗余技术的应用展开讨论。研究创建出涵盖关键部件到系统架构全方位的可靠性保障体系，得出一套可以明显改善系统连续运行稳定度，减少非计划停机的综合技术方案，以供参考。

关键词：液压伺服系统、可靠性优化、冗余技术、预测性维护

在当前“双碳”目标以及中华人民共和国节约能源法等政策法规的推动下，钢铁行业正在大力推行极致能效和绿色转型。2022 年厂区率先对 2 号加热炉液压系统实施了伺服改造，节能效果明显，形成了系统的改造流程和技术规范，为大规模推广奠定了基础。但是随着改造范围的扩大以及生产线对设备连续性运行要求越来越高，如何在保证显著节能效益的同时，进一步提高伺服系统运行可靠性、减少非计划停机，已经成了制约技术全面落地和效益最大化的主要瓶颈。尤其是对板二线热矫直机等关键主机设备来说，传统机械压下方式已经不能满足产品升级的要求，伺服改造势在必行，但是改造过程中在线施工难度、系统抗干扰能力、长期运行稳定性等问题尤为突出。因此，开展轧机液压伺服系统可靠性最优化和冗余技术的研究，既是对前期节能改造成果巩固与深化的一种内在要求，也是保证公司核心产线稳定运行、支撑高端产品战略的必然要求，有重要的现实意义和推广价值。

1 液压伺服系统可靠性影响因素分析

1.1 设备层面

液压伺服系统可靠性的保证，首先要保证核心硬件的选取、匹配以及长期工作下的耐久性。湘钢五米宽厚板厂改造实践系统使用的是 A4VSO 系列柱塞泵及配套伺服电机，泵和电机的参数不匹配，易造成响应迟滞、效率降低甚至过载损坏。伺服驱动器内要包含与泵特性相匹配的控制算法，如果算法不匹配会造成压力波动和系统振荡。另外，传感器精度、稳定性也会影响闭环控制的准确性，设备长期连续运行、高负荷以及轧钢的振动环境，会使机械磨损、密封老化、电气元件性能衰退等现象逐渐显现出来，成为系统故障的主要因素[1]。

1.2 控制层面

控制系统稳定性是液压伺服系统可靠运行的中枢，改造项目采取“恒压变量 + 电机变转速”的复合控制方式，关键之处在于伺服驱动算法同泵变量机构的精确配合，两者动态匹配不好会产生控制干涉，使输出压力产生异常波动，影响轧制精度和设备安全。同时轧机现场环境复杂，大功率设备启停、变频器工作等会产生很强的电磁干扰，对远距离铺设的伺服控制电缆信号传输造成严重威胁，容易造成控制指令误码或者丢失。另外，系统同上层 PLC 或者生产执行系统（MES）的集成深度以及通信稳定性也很重要。任何通信中断或者数据不同步都会造成设备误动作或者连锁停机，所以优化控制算法、实施强抗干扰设计、保证系统集成的鲁棒性，就是控制层面可靠性的关键。

1.3 维护与管理层面

系统长期可靠性的保证很大程度上依靠科学有效的维护与管理，湘钢改造是在不停产的前提下进行的，因此，在线运维能力就显得十分重要。日常点检、状态监测不到位的话，小隐患就会变成大故障，传统的定期维修或者事后维修模式，不能满足伺服系统精密、连续运行的特点。必须要建立以预测性维护为核心的体系，依靠振动分析、油液检测、温度监测等手段提前发现设备劣化趋势。维修人员的技术能力也起着重要的作用，伺服系统是液压、电气、自动化等多学科知识的集合，如果人员对原理理解不深、对调试维修规程不熟，那么在处理故障的时候可能会引入新的问题。

2 可靠性最优化技术路径

2.1 系统设计与配置优化

液压伺服系统可靠性的好坏取决于科学的设计以及合理的配置，硬件上要从系统整体架构出发进行集成设计，不能简单地堆叠设备。根据湘钢五米宽厚板厂改造经验，关键措施有，采用模块化设计思想，将泵组、阀组、控制柜等核心单元设计成可以独立维护、快速更换的模块，既可以缩短故障修复时间，也可以方便以后的技术升级。对伺服电机、驱动器、液压泵进行深度匹配，通过建模仿真验证动态响应特性，在全工况范围内保证系统平稳运行，针对轧机振动环境，加强设备安装基座、管路支撑、电气连接的抗震设计，选用高防护等级的电气元件，从物理上提高系统可靠性 [2]。

图1 液压伺服系统示意

从控制策略上讲，可靠性优化就是算法的协同性、自适应性、鲁棒性，应开发出具有自学习能力的智能控制算法，可以对系统特性变化进行实时的学习并作出相应的调整，从而补偿由于元件老化、油温变化等引起的性能漂移。算法需要把恒压变量和电机变转速两种控制方式融合在一起，做到无干扰协同工作，保证系统压力的精准与稳定。同时建立以多传感器数据融合为基础的在线故障诊断模块，当某个传感器出现异常的时候，可以自动识别并执行容错控制策略，利用其他可用的信息来维持系统的正常运行，大大提高了系统的容错能力以及连续性保障水平。

2.2 抗干扰与信号稳定性提升

轧机区域的电磁环境十分复杂，大功率变频设备、高次谐波等干扰源很多，对伺服系统的信号稳定性造成严重威胁。信号干扰问题在前期改造实践当中已经明确，远距离控制时比较明显。因此需要在传输通道上建立多层次的防护体系，使用屏蔽等级更高的特种电缆，模拟量和数字量信号分开布线，在关键信号接口处加装专用滤波器和高性能隔离模块，抑制共模和差模干扰，优化接地系统设计，实施信号地、电源地、保护地的科学分离和等电位连接，从源头上减少干扰耦合。

从系统层面来讲，应该使用硬件冗余、协议优化来提高通信的可靠性。对关键控制信号通道进行双路冗余传输，使用交叉校验的方法保证指令的准确性，采用抗干扰能力较强的工业现场总线协议，改善通信报文结构以及校验机制。控制器层面采用数字滤波算法以及自适应阈值策略，对采集信号实施智能处理，从而可以识别并消除异常跳变，并且建立实时的信道质量监测与诊断机制，当检测到通信质量下降时可以自动切换备用通道或进入安全运行状态，防止由于瞬时干扰所造成的误动作，保证系统在恶劣电磁环境下的正常运行[3]。

2.3 预测性维护与健康管理

从事后维修转变为预测性维护，才可以说是系统长期可靠性的根本途径，这就需要创建一个集数据采集、状态评价、寿命预估于一身的智能健康管理系统。系统在关键节点上布置振动传感器、油液质量在线监测仪、红外热像仪等各类传感器，不断采集设备运行的全部状态信息，给健康评价赋予优良的数据支撑。用工业物联网平台对数据进行实时汇聚和边缘计算，通过特征提取以及机器学习算法创建起设备健康状态的评判模型，达到早期故障精准识别以及劣化趋势智能预测的目的。

根据预测结果系统可以自动生成优化的维护策略以及工单，当检测到某台伺服电机轴承振动频谱中出现特征频率分量时，系统结合历史运行数据可以精准地预测出它的剩余使用寿命，在合适的生产间隙里进行预防性更换，避免因为突发故障造成的生产中断。系统会把累积的故障案例、维护记录组成一个知识库，利用数据挖掘不断对维护标准和故障诊断规则进行完善，从而实现维护经验的数字化传承。最终形成“监测、诊断、预测、决策”的闭环管理，提高维护工作的精准性、前瞻性，减少非计划停机时间及维护成本。

3 冗余技术在液压伺服系统中的应用

3.1 硬件冗余设计

液压伺服系统可靠性很大程度上依靠关键硬件的持续稳定运行，按照五米宽厚板厂改造中“在线改造、不停机生产”的要求，硬件冗余成了保证系统连续性的一种重要方式。在液压动力单元上，对板二线热矫直机等重要设备来说，应设计 N+1 冗余泵组配置，即运行泵组外再设一台同等性能的备用泵组。控制系统对运行泵组的状态进行实时监测，一旦发现压力异常、效率降低或者机械故障的预兆，可以自动或者手动无扰切换到备用泵组，整个过程不会影响轧制生产 [4]。

在控制执行方面，关键的压力传感器、流量传感器应成对配置，用主辅或三取二表决机制，防止单个传感器故障造成系统误判或者失控。项目实际运行中已经显现出了效果，当某一个压力传感器出现漂移时，系统可以自动识别并剔除异常值，继续使用冗余传感器的正常读数来维持控制精度，从而有效地防止了非计划停机。伺服驱动器的功率模块、控制电源也可以采用冗余设计，在电气故障发生的时候仍可以维持基本控制功能，给故障处理和修复争取到时间，如图2 ：

1. 油箱；2. 液压泵；3、8. 单向阀；4、6. 过滤器；5、7. 溢流阀；9. 电液伺服阀；10. 球阀；11. 液压缸

图2 轧机液压伺服系统的控制示意

3.2 控制冗余策略

控制系统是液压伺服系统的神经中枢，控制系统冗余设计不只是硬件备份，而且是控制策略的容错，根据项目实践过程中出现的远距离伺服控制存在干扰的问题，可以建立双控制器并行运行的结构。主控制器实时控制任务，备用控制器以热备份方式接收相同输入信号并计算控制输出，但是不向设备发指令。主备控制器之间通过高速通信进行状态比对，当检测到主控制器异常或者与上位机通信中断时，备用控制器可以在毫秒级的时间内接管控制权，这种切换对生产过程几乎没有任何影响。更重要的是，系统可以集成多种控制模式冗余，除了常规的伺服控制模式之外，还设置了安全模式和降级模式。当伺服系统发生严重故障时，可以自动切换到基于比例阀的传统液压控制模式，虽然节能效果会降低，但是可以保证设备继续运行，完成当前的生产任务。

3.3 系统级冗余架构

对于五米宽厚板厂这样拥有数十套液压系统的大型生产单元来说，系统级冗余设计可以实现从单机到产线全面提升可靠性的目的，根据各个液压系统独立又协同工作的特点，可以建立区域性的系统互助冗余机制。当某台矫直机的液压系统出现故障时，相邻的备用系统可以利用预设好的快速连接管路临时接管部分功能，也可以通过调整生产节奏、工艺参数等方式，将负荷转移到其它正常的系统上[5]。

该种架构级冗余要创建智能化的能源管理系统，随时掌握所有液压系统的工作状况和负荷情况，当出现故障的时候立刻形成最恰当的负荷分配方案。同时在工厂电网上给重要的伺服系统配备双路供电和 UPS 不间断电源，保证电网波动或者短时断电时系统可以继续运行。项目背景中要求加快高效节能电机推广，该系统的级冗余设计不但可以提高系统可靠性，还可以通过对系统的负荷进行智能分配来提高系统的能效。

4 结语：

综上所述，本文系统分析了轧机液压伺服系统的可靠性关键因素，提出了包括系统设计优化、抗干扰增强、智能预测性维护在内的综合技术路径。主要研究硬件、控制和系统级的冗余策略。结论指出，在系统进行多维度的可靠性优化和架构冗余的基础上加上状态监测、预测性维护等措施可以明显提高系统的复杂工业环境下的运行稳定性、连续性从而保证关键产线生产顺行、能效目标的实现。

参考文献：

[1] 王贺 . 锂电池辊压机 AGC 液压伺服系统仿真研究 [J]. 装备制造技术 ,2025,(07):34-38.

[2] 胡晓宜 . 轧机液压 AGC 系统及伺服阀故障分析与预防措施 [J]. 山西冶金 ,2024,47(08):255-

256+259.

[3] 李 鹏 来 , 贾 占 涛 , 张 章 , 等 . 液 压 伺 服 系 统 在 粗 轧 机 上 的 应 用 [J]. 冶 金 设

备 ,2023,(05):117-120.

[4] 张力 . 棒线材短应力线轧机液压带载压下 HAGC 液压伺服系统的设计 [J]. 山西冶

金 ,2022,45(07):158-161.

[5] 赵景泉 . 轧机伺服控制系统稳定性研究 [J]. 冶金设备 ,2022,(01):34-37+27.

作者简介：费昌寿（1980.10-），男，汉族，本科，人，高级工程师，研究方向：流体机械