无缝厂伺服系统的控制特性分析

无缝厂伺服系统的控制特性分析

2009-5-17 11:06:00　张仰军张治国侯征宇　供稿

摘　要:HGC（液压缸辊缝控制）本质上是一个阀控电液伺服系统,伺服阀是该系统的核心控制元件,介绍了MOOGD791 伺服阀的工作原理,分析了HGC 系统的控制特性及故障分析功能,便于更好地使用和维护该系统。

关键词:伺服系统;HGC;伺服阀;控制特性分析

Analysis on the Control Characteristic of Servo System of MPM
ZHANG Yang - jun , ZHANG Zhi - guo , HOU Zheng - yu

Abstract :HGC is an electro - hydraulic servo system controlled by servo valves ,the servo valve is the main control component. The paper introduces the working principle of the servo valve ,analyses the control characteristics and failure analysis functionof the HGC system ,in order to conveniently use and maintain it.

Key words :servo system;HGC;servo valve ;analysis on control characteristic

2007 年,包钢无缝厂将原有液压缸控制系统升级为HGC（液压缸辊缝控制）伺服系统。该系统是通过伺服阀控制五机架连轧机的轧辊液压缸位置来控制轧机的辊缝和压力,进而在线控制钢管的壁厚。无缝厂伺服系统属于位置随动系统,是控制系统的一种。在这种系统中,输出量（机械位移）能够快速而准确地反映输入量（位置给定）的变化规律,因此,它是带有负反馈的闭环控制系统。因为传递的力矩和功率很大,具有信号的功率放大作用,所以它也是一个功率放大装置。该轧机所用的美国MOOG 公司的D791 伺服阀本身又是自带闭环控制的控制阀。HGC 系统把从位置传感器测得的电气信号实际值与液压缸位置的设定值进行比较,其偏差值作为液压缸位置调节量输出到位置调节器,达到准确控制液压缸位置的目的。由于HGC 系统的动力源为液压拖动装置（液压泵） ,因此,HGC 本质上是一个阀控电液伺服系统[1 ] 。伺服阀是该系统的核心控制元件,而实现闭环控制的计算机系统则是HGC 的主要控制机构。升级后的HGC 具有响应速度快,硬件通用性强,软件功能强大,维护效率高等特点。因此,了解伺服阀及其控制系统的特性才能更好地使用并且维护该伺服系统。

1 　D791 伺服阀在HGC 系统中的使用

1. 1 　D791 伺服阀的工作原理

      伺服阀是伺服系统中最重要,最基本的组成部分。伺服阀的阀芯性能、额定流量、频率特性等参数是选用的重要标准。HGC 系统中使用了电反馈式、带喷嘴挡板系统的D791 伺服阀。其主阀芯的换向不是靠电磁铁来推动,而是靠前置级先导阀输出的液压力来推动,它的前置先导阀是动态特性比较好的喷嘴挡板阀。当不进行辊缝设定时,主阀芯应在中间位置,当设定辊缝时,电气信号（ ±10 mA 之间的给定值）施加到伺服阀内的集成控制放大器上,由放大器驱动前置先导阀动作,喷嘴挡板偏离中间位置,造成主滑阀两端的压力发生变化,驱动主滑阀运动,伺服阀内的位移传感器检测到主阀芯的位置后,将此实际值由解调器整流后反馈给控制放大器并与指令值比较,控制放大器驱动力矩马达,直到指令电压与反馈电压相等。而主阀芯的位移实现了对流量的调节进而控制了液压缸的移动。根据液压系统的控制原理可知,力矩马达产生的电磁力矩为:
           T = K × I
      式中: T ———电磁力矩,N·m;
            K ———力矩马达的力矩系数,N·m/ A;
            I ———输入电流,A。

      当阀芯处于动态平衡位置时, 其电磁力矩与挡板组件的阻尼力矩、阀芯两端不平衡压力所产生的力矩相平衡,如果忽略挡板组件的阻尼力矩,则马达电磁力矩与阀芯两端不平衡压力产生的力矩相平衡。由上面公式可知,力矩马达的电磁力矩和输入电流成正比,所以阀芯的位移与输入的电流成正比,也就是通过滑阀的流量与输入电流成正比,并且电流的极性决定液流的方向,这样便满足了对电液伺服阀的功能要求[2 ] 。
      需要说明的是,液压缸的实际位置是由缸体上的位置传感器传给HGC 系统,并作为位置调节器的反馈环节与给定值进行比较,这一点维护人员需要注意。
      以上也可以看出D791 伺服阀属于多级伺服控制元件。主滑阀、前置级先导阀和阀内位移检测器构成了D791 伺服阀的三级层次结构。

1. 2 　伺服阀的常见故障

      （1）伺服阀的入口压力不足。因为伺服阀是以电控方式实现对流量的节流控制,必然有能量损失,因此它需要一定的流量来维持前置级控制油路的工作,而前置先导阀的压力则来自于伺服阀的入口P ,假如P 口的压力不足,前置先导阀就不能输出足够的压力来推动主阀芯动作。维护人员通过HGC 系统中的人机接口winHMI 的终端可看到阀芯的位置反馈值（以百分数表示） ,它反映了阀芯的偏离程度。此时,阀芯的位置可能没有变化或波动较大。这种故障一般是由于控制油路中的锁紧阀没有打开或溢流阀芯没正常回位所致。
      （2）伺服阀的±15 V 电源故障。此时,控制放大器不能工作,无法调整阀芯位置,其反馈值将迅速增大（以百分数表示,可达±100 %） ,当没有负载时,阀芯已严重偏离中间位置,处于漂移状态。
      （3）伺服阀的零部件磨损及油液污染。这包括阀芯、喷嘴等被磨损或污染造成控制灵敏度下降或失控。此外,力矩马达导磁体与衔铁缝隙中有污染物时,相当于减小了衔铁在中位时的每个气隙长度g 。根据液压控制系统的分析结论:当| x/ g | > 1/ 3时（ x 为衔铁端部偏离中位的位移） , 衔铁总是不稳定的。破坏了力矩马达原有的静态特性,这种情况容易给维护人员造成判断上的困难。

2 　控制系统的应用特点

      升级后的HGC 系统沿用了基于VME 背板总线的多处理器架构。该系统硬件兼容性好,易于升级,避免了原系统因为控制板坏而无法采购的不足。主控室中的目标应用系统采用VxWorks 嵌入式实时操作系统。它具有如下特点:
      （1）系统程序占用空间小,最小为8 kbyte 。而它提供的多任务控制机制（如:优先级抢占和轮转调度策略）为整个系统保证了可靠的实时性,适合工厂环境下过程控制、数据采集等应用。
      （2）在众多场合的应用实践证明它具有较强的稳定性。这对于复杂应用环境下的系统稳定工作至关重要。
      （3）较强的网络支持。可以对其他VxWorks 系统和TCP/ IP 网络系统进行快捷的访问。无论是串行线路、标准的以太网连接还是紧耦合的利用共享内存的背板总线,所有的VxWorks 网络机制都遵循标准的Internet 协议。有利于进行柜前调试和远程监控。

2. 1 　PDA 数据采集系统在生产中的应用

      HGC 系统的客户端使用了德国iba 公司的PDA（pensoninal data acquist） ,它是基于PC 的高性能数据采集系统,可运行在WINDOWS NT4. 0 及WINDOWSXP 上。信号输入由专用接口模块SM128 完成,该模块提供128 个模拟通道和128 个数字通道,现场采集上来的测量值通过SM128 模块的双口存储器传到PDA 的桌面系统上。通过PDA ,HGC 系统实现了生产过程数据的高速（ 1ms ）数据采集和记录分析。
      与旧系统相比,HGC 的数据采集系统有如下特点:
      （1）存储量大。PDA 可以存储故障状态100 支钢管的轧制数据及正常状态可保存10 000 支钢管的轧制数据,还可进行硬盘备份。
      （2）采集的信号多,而且可根据需要从近千个信号中进行选择组态。

2. 2 　在线诊断工具

      软件winHMIHGC 系统提供了在线诊断工具winHMI ,它具有如下功能:
      （1）可远程访问所有的测量值及控制参数。通过诊断工具可以实时监控压力变送器和位置传感器的信号变化情况,发现异常及时进行处理,避免发生设备事故。
      （2）测试控制系统的线路以及液压系统元件的某些功能。通过winHMI 对伺服阀加一给定值的信号量,在现场可以测得阀头处的电流信号值,以此可判断线路的某些故障。此外,利用它的离线测试功能,可以测试每个伺服阀的频率响应和阶跃响应,对性能较差的伺服阀及早更换。
      （3）在线观察和记录事故信息。当辊缝处于故障状态时,winHMI 可显示出有报警的机架、液压缸号及报警类型,维护人员可及时地作出判断。
      （4）硬件诊断功能。winHMI 测试I/ O 模块时,提供了三种模式,分别为:正常模式、在线测试模式和诊断模式,通过用户界面可方便地选择。模式的切换只能在正常模式和其他两种模式之间进行。正常模式只能显示数值;在线测试模式可单独强制某一通道的值而不影响其他通道;而诊断模式属于离线测试,这种模式下,winHMI 将所有I/ O 模块的通道断开,只能接受强制输入值。比如:离线测试伺服阀的响应能力即为此种方式。

2. 3 　故障分析软件（iba Analyzer）的应用

      在HGC 系统的客户端,和PDA 数据采集系统配合使用的是iba Analyzer 分析软件,该软件可以分析和编辑由PDA 记录的多种数据,PDA 采集的实时性决定了采集来的数据是未经处理的“扁平化”的海量数据,PDA 经过特定算法压缩后存储于3 . dat 文件中。iba Analyzer 的解压功能可以让维护人员方便地离线访问PDA 记录。
      iba Aanalyzer 一些主要功能如下:
      （1）信号分析的模板会话功能。系统自定义了一些常用的分析模板,维护人员如果经常分析一些有参考意义的信号,就可以自己建立一个信号分析模板,以3 . pdo 的文件格式存于系统中,这样就可更有针对性地分析故障时的数据了。
      （2）图形过滤功能。利用它,我们可以对伺服阀的频率曲线进行分析,通过低频段过滤曲线,可分析它的稳态性能,而通过高频段过滤曲线,可判断它的抗干扰能力。

3 　结束语

无缝厂HGC 系统运行一年以来,工作状态稳定,利用HGC 强大的信号采集和故障分析功能,能够很快找到故障点,明显缩短了事故处理时间。需要指出,HGC 系统的稳定运行有赖于伺服阀等现场控制元件的可靠运行。伺服阀是精密制造的机电一体化产品,精度极高,对信号变化、油液污染十分敏感,它对维护、清洁及对维护工作重要性的认识等方面都有较高的要求。

参考文献

[1 ]王春行. 液压伺服控制系统[M] . 兰州:甘肃工业大学出版社,1989.
[2 ]张利平. 液压气动技术速查手册[M] . 北京:化学工业出版社,2007.

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