无缝厂伺服系统的控制特性分析.docx
无缝厂伺服系统的控制特性分析zhangting导语：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AnalysisontheControlCharacteristicofServoSystemofMPMZHANGYang-jun,ZHANGZhi-guo,HOUZheng-yuAbstract:HGCisanelectro-hydraulicservosystemcontrolledbyservovalves,theservovalveisthemaincontrolcomponent.Thepaperintroducestheworkingprincipleoftheservovalve,analysesthecontrolcharacteristicsandfailureanalysisfunctionoftheHGCsystem,inordertoconvenientlyuseandmaintainit.Keywords:servosystem;HGC;servovalve;analysisoncontrolcharacteristic2007年度,包钢无缝厂将原有液压缸控制系统晋级为HGC液压缸辊缝控制。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,输出量机械位移可以快速而准确地反映输入量位置给定的变化规律,因此,它是带有负反应的闭环控制系统。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系统把从位置测得的电气信号实际值与液压缸位置的设定值进展比拟,其偏向值作为液压缸位置调节量输出到位置调节器,到达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那么是HGC的主要控制机构。晋级后的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,解析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。1D791伺服阀在HGC系统中的使用1.1D791伺服阀的工作原理伺服阀是伺服系统中最重要,最根本的组成局部。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系统中使用了电反应式、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拟好的喷嘴挡板阀。当不进展辊缝设定时,主阀芯应在中间位置,当设定辊缝时,电气信号10mA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应给控制放大器并与指令值比拟,控制放大器驱动力矩马达,直到指令电压与反应电压相等。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挪动。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=KiI/i式中:T电磁力矩,Nm;K力矩马达的力矩系数,Nm/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,假如忽略挡板组件的阻尼力矩,那么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,这样便知足了对电液伺服阀的功能要求2。需要讲明的是,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应环节与给定值进展比拟,这一点维护人员需要注意。以上可以以看出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伺服阀的三级层次构造。1.2伺服阀的常见故障1伺服阀的入口压力缺乏。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那么来自于伺服阀的入口P,假设P口的压力缺乏,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应值以百分数表示,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者波动较大。这种故障一般是由于控制油路中的锁紧阀没有翻开或者溢流阀芯没正常回位所致。2伺服阀的15V电源故障。此时,控制放大器不能工作,无法调整阀芯位置,其反应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、喷嘴等被磨损或者污染造成控制灵敏度下降或者失控。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晋级后的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,易于晋级,防止了原系统因为控制板坏而无法采购的缺乏。主控室中的目的应用系统采用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8kbyte。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,合适工厂环境下经过控制、数据收集等应用。2在诸多场合的应用理论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网络系统进展快捷的访问。无论是串行线路、标准的以太网连接还是紧耦合的利用分享内存的背板总线,所有的VxWorks网络机制都遵循标准的Internet协议。有利于进展柜前调试和远程监控。2.1PDA数据收集系统在消费中的应用HGC系统的客户端使用了德国iba公司的PDApensoninaldataacquist,它是基于PC的高性能数据收集系统,可运行在WINDOWSNT4.0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,现场收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系统实现了消费经过数据的高速1ms数据收集和记录分析。与旧系统相比,HGC的数据收集系统有如下特点: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10000支钢管的轧制数据,还可进展硬盘备份。2收集的信号多,而且可根据需要从近千个信号中进展选择组态。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,发现异常及时进展处理,防止发生设备事故。2测试控制系统的线路和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,提供了三种形式,分别为:正常形式、在线测试形式和诊断形式,通过用户界面可方便地选择。形式的切换只能在正常形式和其他两种形式之间进展。正常形式只能显示数值;在线测试形式可单独强迫某一通道的值而不影响其他通道;而诊断形式属于离线测试,这种形式下,winHMI将所有I/O模块的通道断开,只能承受强迫输入值。比方:离线测试伺服阀的响应才能即为此种方式。2.3故障分析软件ibaAnalyzer的应用在HGC系统的客户端,和PDA数据收集系统配合使用的是ibaAnalyzer分析软件,该软件可以分析和编辑由PDA记录的多种数据,PDA收集的实时性决定了收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。ibaAnalyzer的解压功能可以让维护人员方便地离线访问PDA记录。ibaAanalyzer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,维护人员假如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展分析,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,可判断它的抗干扰才能。3完毕语无缝厂HGC系统运行一年度以来,工作状态稳定,利用HGC强大的信号收集和故障分析功能,可以很快找到故障点,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。伺服阀是精细制造的机电一体化产品,精度极高,对信号变化、油液污染特别敏感,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.
