實(shí)現(xiàn)TCS冗余系統(tǒng)的數(shù)字化控制策略

申 敏

(山鋼股份萊蕪分公司自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104)

0 引言

生產(chǎn)過程自動(dòng)化、連續(xù)化、高精度化是鋼鐵企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證生產(chǎn)過程優(yōu)化控制的重要環(huán)節(jié)。鋼鐵企業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)—般由過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。影響系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性的因素有很多，其中，檢測(cè)元件故障率高和維修效率低成為制約生產(chǎn)順行的瓶頸因素。因此，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性、降低廢鋼率，是軋鋼企業(yè)首要考慮的問題。

在現(xiàn)代軋鋼自動(dòng)化控制領(lǐng)域，采用循跡控制系統(tǒng)(traction control system，TCS)控制技術(shù)、靜態(tài)自動(dòng)增益控制(automatic gain control，AGC)、動(dòng)態(tài) AGC、液壓輥縫控制(hydraulic roll gap control，HGC)相結(jié)合的方式，計(jì)算輥縫位置和靜態(tài)補(bǔ)償量，并根據(jù)輥縫校準(zhǔn)時(shí)采樣軋制力點(diǎn)與軋輥、機(jī)架形變量構(gòu)造的彈性曲線，計(jì)算實(shí)時(shí)形變補(bǔ)償量，可迅速實(shí)現(xiàn)精軋機(jī)過程控制。TCS系統(tǒng)在響應(yīng)速度、精度等方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，滿足現(xiàn)代軋鋼企業(yè)自動(dòng)化控制的要求。

本文在充分研究現(xiàn)有TCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將帶前饋的回路調(diào)節(jié)控制、熱備冗余技術(shù)、編碼器預(yù)警診斷技術(shù)應(yīng)用到該系統(tǒng)中，并通過現(xiàn)場的應(yīng)用驗(yàn)證了該策略的可行性。

1 基本功能描述

大H型鋼TCS控制系統(tǒng)是由德國Eckelmann公司開發(fā)的液壓高速控制系統(tǒng)，控制周期為3 ms。主控系統(tǒng)是以Windows XP RTX 5.5高速實(shí)時(shí)系統(tǒng)以及E.Pro BAS-MP V2.04軟件作為系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)。采用基于IEC 61131標(biāo)準(zhǔn)的LogiCAD/32圖像編輯軟件、基于電參數(shù)分析系統(tǒng)(electric data analysis system，EDAS)的就地診斷和參數(shù)化工具DIPAS，以及ProDB數(shù)據(jù)庫處理軟件程序進(jìn)行程序開發(fā)，以快速獲得和記錄過程數(shù)據(jù)和重要參數(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤錯(cuò)誤狀態(tài)，動(dòng)態(tài)診斷報(bào)警和故障信息。

TCS系統(tǒng)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由現(xiàn)場伺服閥、先導(dǎo)閥來執(zhí)行輸出，線性磁尺、壓力傳感器用來實(shí)現(xiàn)反饋。它們與TCS程序運(yùn)算控制單元共同組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)［1-3］。

2 通信及硬件配置

TCS冗余系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是在滿足硬件系統(tǒng)的初始標(biāo)準(zhǔn)——德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)和德國電工組織規(guī)范(VDE)的基礎(chǔ)上，對(duì)冗余檢測(cè)元件的信號(hào)模板配置、電源供應(yīng)及硬件連鎖進(jìn)行完善和改進(jìn)。

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)

TCS的通信方式主要包括TCP/IP協(xié)議和Profibus-DP開放式現(xiàn)場總線協(xié)議這兩種協(xié)議，用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸。采用TCP/IP協(xié)議，TCS工控機(jī)通過TCS交換機(jī)和一級(jí)交換機(jī)與一級(jí)PLC交換數(shù)據(jù)。一方面，TCS工控機(jī)與PDA工控機(jī)通過光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸和歷史趨勢(shì)查看等功能;另一方面，由于在TCS工控機(jī)中設(shè)有專門的DP通信模板，且采用Profibus-DP協(xié)議，因此通過DP-DP中繼器與一級(jí)系統(tǒng)通信。TCS的通信網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)配置圖Fig.1 Configuration of communication network

以太網(wǎng)通信方式主要用于傳輸模式數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要是一級(jí)PLC控制軋制狀態(tài)以及設(shè)定軋機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)和軋鋼時(shí)設(shè)定的各種參考值，如軋機(jī)平輥液壓缸面積、軋機(jī)平輥間無軋輥時(shí)的最大距離、各道次參考輥縫、各道次參考軋制力等。Profibus-DP通信方式主要傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如軋機(jī)軋制實(shí)時(shí)軋制力和實(shí)時(shí)輥縫等［4-6］。

2.2 硬件配置

控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)使用Commel FS-978作為CPU中央處理模板，使用PX-20S3-R2 V2.0綜合模板作為硬件背板。系統(tǒng)分別采用由ADDI-DATA公司生產(chǎn)的 APCI-1710、SST 5136-PFB-PCI及 APCI 3120-16-8模板進(jìn)行SSI磁尺脈沖信號(hào)、遠(yuǎn)程200站數(shù)字量信號(hào)、壓力傳感器和伺服控制器模擬量信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)采用IBA FOB I/OS模板來完成與PDA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息通信?？刂葡到y(tǒng)的硬件組態(tài)是在LogiCAD 32軟件中進(jìn)行的。

在該冗余系統(tǒng)中，由于需要增加現(xiàn)場檢測(cè)元件，因此需要增加模板數(shù)量，重新對(duì)硬件進(jìn)行配置。在串列軋機(jī)上共有24個(gè)主通道壓力傳感器、24個(gè)副通道壓力傳感器、22個(gè)主通道線性磁尺、20個(gè)副通道磁尺、86個(gè)先導(dǎo)閥以及42個(gè)伺服閥。針對(duì)增加的20個(gè)副缸磁尺和24個(gè)壓力傳感器，需增加APCI-1710模板一塊，共12個(gè)通道，用于處理冗余磁尺的脈沖信號(hào);增加APCI 3120-16-8模板一塊，用于處理壓力傳感器的模擬量信號(hào)。同時(shí)，為了數(shù)據(jù)記錄的需要，新增PDA記錄模板IBA FOB I/OS一塊。

在互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)下，在整個(gè)白酒行業(yè)爆冷的時(shí)局下，江小白通過品類創(chuàng)新、品牌創(chuàng)新、營銷創(chuàng)新改變了年輕群體對(duì)白酒業(yè)的消費(fèi)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了從零到億的飛躍，它的營銷創(chuàng)新方式值得整個(gè)白酒行業(yè)學(xué)習(xí)與借鑒。

冗余模板添加完成后，需在硬件中添加相應(yīng)的冗余元件型號(hào)。之后，需要對(duì)所有的冗余元件進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換、電源供應(yīng)等現(xiàn)場處理。

在LogiCAD 32中打開RT-page，修改現(xiàn)有的硬件配置。修改后需要與目標(biāo)系統(tǒng)的初始化文件進(jìn)行匹配并且重新啟動(dòng)配置生效。Profibus模板的初始化文件可以自動(dòng)生成并且下裝到目標(biāo)系統(tǒng)中。利用鼠標(biāo)右鍵打開Profibus模板右鍵菜單并且選擇生成初始化文件Generate ini file，完成冗余系統(tǒng)的硬件配置。

3 數(shù)字化控制策略

3.1 反饋校正

TCS閉環(huán)控制回路校正原理圖如圖2所示。

圖2 TCS閉環(huán)控制回路校正原理圖Fig.2 The control system with correction device

用反饋校正裝置包圍待校正系統(tǒng)，從而使對(duì)動(dòng)態(tài)性能改善有重大妨礙作用的環(huán)節(jié)形成一個(gè)局部反饋回路。在局部反饋回路的開環(huán)幅值遠(yuǎn)大于1的條件下，局部反饋回路的特性主要取決于反饋校正裝置，而與被包圍部分無關(guān)。適當(dāng)選擇反饋校正裝置的形式和參數(shù)，可以使已校正系統(tǒng)的性能滿足給定指標(biāo)的要求。這是反饋校正的基本原理，TCS冗余系統(tǒng)正是利用了這一原理，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制回路中的校正。

冗余系統(tǒng)以1∶1的形式進(jìn)行冗余，兩個(gè)磁尺一主一從，參與控制的磁尺為主。系統(tǒng)有主回路和副回路之分，一般主回路只有一個(gè)，而副回路可以是一個(gè)或多個(gè)。主回路的輸出作為副回路設(shè)定值修正的依據(jù)，副回路的輸出作為真正的控制量作用于被控對(duì)象。

系統(tǒng)的主反饋回路接通以后，被局部反饋包圍部分的傳遞函數(shù)為:

校正后系統(tǒng)特性基本與被反饋校正裝置包圍的環(huán)節(jié)無關(guān)。當(dāng)|G2(s)GC(s)|＜＜1時(shí)，有:

校正后系統(tǒng)特性與待校正系統(tǒng)特性一致。因此，可以選擇反饋校正裝置的參數(shù)，使已校正系統(tǒng)的特性發(fā)生期望的變化。

反饋校正具有如下特點(diǎn):①削弱非線性特性的影響，有助于削弱被包圍環(huán)節(jié)非線性影響的功能;②減小系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，降低系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的敏感性。

TCS系統(tǒng)采用位置控制閉環(huán)回路和壓力控制閉環(huán)回路相互耦合的串級(jí)控制，壓力控制回路作為被局部反饋包圍部分回路，位置控制作為串級(jí)控制的主控制回路。在串列軋機(jī)每道次軋制完成之后，在TCS內(nèi)部通過對(duì)現(xiàn)場測(cè)量傳回的參數(shù)進(jìn)行一系列復(fù)雜的計(jì)算，得到下一道次的輥縫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)本道次輥縫控制。由現(xiàn)場壓力傳感器、線性磁尺測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)傳感變送給TCS內(nèi)部，經(jīng)程序比較后將控制偏差傳給調(diào)節(jié)器，從而控制調(diào)節(jié)閥的開口度，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸行程量的控制。

3.2 死區(qū)補(bǔ)償

在冗余系統(tǒng)調(diào)試前期，對(duì)主從磁尺的信號(hào)進(jìn)行細(xì)致的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)冗余磁尺信號(hào)的低頻波動(dòng)范圍在2 mm之內(nèi)，這樣大的低頻波動(dòng)會(huì)使控制系統(tǒng)的輸出進(jìn)入無序的低頻振蕩中，從而降低系統(tǒng)的控制精度。這是由冗余磁尺的配套安裝設(shè)備決定的。為了提高冗余磁尺信號(hào)的穩(wěn)定性和控制精度，在冗余系統(tǒng)中針對(duì)冗余信號(hào)增加了比例控制器。采用比例控制器是一種比較理想的選擇。

由于“死區(qū)”的影響，系統(tǒng)會(huì)存在靜差，且靜差的大小會(huì)隨“死區(qū)”環(huán)節(jié)參數(shù)的變化而變化。為了消除死區(qū)的影響，通常用“死區(qū)逆模型”來補(bǔ)償控制器的輸出，即建立補(bǔ)償器輸出與偏差信號(hào)的函數(shù)關(guān)系。對(duì)象的傳遞函數(shù)為:

當(dāng)控制器采用P控制時(shí)，死區(qū)參數(shù)為bl=-0.5、br=0.2、m=1，其中 bl、br為死區(qū)參數(shù)的真實(shí)值，m 表示傳遞函數(shù)的階數(shù)。輸入單位階躍信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的輸出仿真結(jié)果如圖5所示(仿真中ε=0.005)。

圖3 仿真輸出結(jié)果Fig.3 the result of simulation output

圖3中，曲線1為系統(tǒng)不出現(xiàn)死區(qū)時(shí)的正常輸出，曲線2為有死區(qū)環(huán)節(jié)且加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的響應(yīng)輸出，曲線3為有死區(qū)環(huán)節(jié)但是無補(bǔ)償下系統(tǒng)的輸出。

由圖3可知，在沒有加入補(bǔ)償時(shí)，死區(qū)的出現(xiàn)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生了很大的變化，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變慢，且穩(wěn)態(tài)輸出完全偏離理想值，靜態(tài)偏差相當(dāng)大。當(dāng)加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)之后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度明顯變快，超調(diào)量變小，調(diào)節(jié)時(shí)間變短，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)最終趨近于無死區(qū)時(shí)系統(tǒng)的輸出。這說明當(dāng)死區(qū)和控制器的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，加入補(bǔ)償器后系統(tǒng)的輸出仍能滿足要求。試驗(yàn)結(jié)果說明該補(bǔ)償效果顯著。

3.3 編碼器預(yù)警診斷技術(shù)

系統(tǒng)的控制程序由LogiCAD軟件進(jìn)行編寫和編譯。使用LogiCAD編寫的控制程序，被編譯轉(zhuǎn)化成C代碼程序并上傳到工控計(jì)算機(jī)，C代碼程序可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯控制，并且使得處理數(shù)據(jù)量大大增加。因此利用編碼器自帶預(yù)警功能，將信號(hào)引入TCS，通過C代碼程序進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換和分析，可使系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)問題立即發(fā)出報(bào)警，提醒維護(hù)人員哪臺(tái)編碼器故障。

系統(tǒng)產(chǎn)生三種報(bào)警:靜態(tài)錯(cuò)誤、事件錯(cuò)誤和警報(bào)。報(bào)警等級(jí)分一般故障和緊急故障。一般故障發(fā)出后系統(tǒng)跳過本警告且軋鋼繼續(xù);緊急故障發(fā)出后系統(tǒng)自動(dòng)將此編碼器從網(wǎng)絡(luò)中刪除，轉(zhuǎn)入冗余備用系統(tǒng)，軋鋼繼續(xù)。系統(tǒng)以警告的形式提供故障信息，事件和靜態(tài)信息在維護(hù)系統(tǒng)上顯示。信息分析將存檔，用戶通過存檔文件可以查看歷史記錄［7-9］。

為了保證軋鋼精度，要求控制系統(tǒng)的控制周期非常短，目前的控制周期是3 ms。SSI磁尺在300 mm之內(nèi)的測(cè)量精度是3.7 kHz?？刂葡到y(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)磁尺反饋信號(hào)高峰值的數(shù)量來監(jiān)控磁尺工作狀態(tài)。具體方法是:在兩次掃描周期(3 ms)之間磁尺的信號(hào)峰值超過3 mm后，系統(tǒng)會(huì)維持當(dāng)前信號(hào)5個(gè)掃描周期，控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，但不會(huì)中止運(yùn)行;如果信號(hào)峰值在3 s內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)或者3 s內(nèi)出現(xiàn)20次以上，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出故障報(bào)警并中止運(yùn)行。此時(shí)磁尺的運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)控制要求。當(dāng)磁尺的信號(hào)小于等于0時(shí)，系統(tǒng)顯示磁尺出現(xiàn)故障并報(bào)警。

診斷工具可以在WINHmi畫面用＜F12＞鍵打開，或者通過執(zhí)行iosdiag.exe文件在C:ProLcExtin C:ProLcExtin路徑下啟動(dòng)。輸入信號(hào)在任何時(shí)候都可以讀取，但輸出信號(hào)的寫入只能在運(yùn)行診斷操作的時(shí)候進(jìn)行。

冗余系統(tǒng)延伸了原控制系統(tǒng)的在線診斷功能，不僅添加了冗余元件的在線監(jiān)控，而且增加了元件在線診斷主從處理機(jī)制。如當(dāng)在線診斷功能始終運(yùn)行時(shí)，為了減少冗余元件的報(bào)警及故障報(bào)警對(duì)系統(tǒng)的影響，控制系統(tǒng)只顯示主磁尺的故障報(bào)警，而對(duì)從磁尺只顯示狀態(tài)監(jiān)控的報(bào)警信息。

4 結(jié)束語

TCS冗余系統(tǒng)的數(shù)字化控制策略的實(shí)現(xiàn)，克服了進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)，增強(qiáng)了負(fù)荷變化的適應(yīng)性，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量、控制精度和工作效率，同時(shí)為日常的維護(hù)工作提供了便利條件。冗余檢測(cè)元件被安裝在液壓缸外，首先做到了與介質(zhì)分離，一旦磁尺發(fā)生故障，程序作出判斷，將自動(dòng)切換到冗余磁尺，節(jié)省了大量的故障處理時(shí)間。檢測(cè)元件的熱備冗余，既改善了檢測(cè)元件的工作環(huán)境，又做到了拆裝方便，實(shí)現(xiàn)了元件快速更換及故障的快速處理。

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