摘　要:HGC（液壓缸輥縫控制） 本質(zhì)上是一個(gè)閥控電液伺服系統(tǒng),伺服閥是該系統(tǒng)的核心控制元件,介紹了MOOGD791 伺服閥的工作原理,分析了HGC 系統(tǒng)的控制特性及故障分析功能,便于更好地使用和維護(hù)該系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng);HGC;伺服閥;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,包鋼無(wú)縫廠將原有液壓缸控制系統(tǒng)升級(jí)為HGC（液壓缸輥縫控制） 伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過(guò)伺服閥控制五機(jī)架連軋機(jī)的軋輥液壓缸位置來(lái)控制軋機(jī)的輥縫和壓力,進(jìn)而在線控制鋼管的壁厚。無(wú)縫廠伺服系統(tǒng)屬于位置隨動(dòng)系統(tǒng),是控制系統(tǒng)的一種。在這種系統(tǒng)中,輸出量（機(jī)械位移） 能夠快速而準(zhǔn)確地反映輸入量（位置給定） 的變化規(guī)律,因此,它是帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。因?yàn)閭鬟f的力矩和功率很大,具有信號(hào)的功率放大作用,所以它也是一個(gè)功率放大裝置。該軋機(jī)所用的美國(guó)MOOG 公司的D791 伺服閥本身又是自帶閉環(huán)控制的控制閥。HGC 系統(tǒng)把從位置傳感器測(cè)得的電氣信號(hào)實(shí)際值與液壓缸位置的設(shè)定值進(jìn)行比較,其偏差值作為液壓缸位置調(diào)節(jié)量輸出到位置調(diào)節(jié)器,達(dá)到準(zhǔn)確控制液壓缸位置的目的。由于HGC 系統(tǒng)的動(dòng)力源為液壓拖動(dòng)裝置（液壓泵） ,因此,HGC 本質(zhì)上是一個(gè)閥控電液伺服系統(tǒng)[1 ] 。伺服閥是該系統(tǒng)的核心控制元件,而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則是HGC 的主要控制機(jī)構(gòu)。升級(jí)后的HGC 具有響應(yīng)速度快,硬件通用性強(qiáng),軟件功能強(qiáng)大,維護(hù)效率高等特點(diǎn)。因此,了解伺服閥及其控制系統(tǒng)的特性才能更好地使用并且維護(hù)該伺服系統(tǒng)。

1 D791 伺服閥在HGC 系統(tǒng)中的使用

1. 1 D791 伺服閥的工作原理

伺服閥是伺服系統(tǒng)中最重要,最基本的組成部分。伺服閥的閥芯性能、額定流量、頻率特性等參數(shù)是選用的重要標(biāo)準(zhǔn)。HGC 系統(tǒng)中使用了電反饋式、帶噴嘴擋板系統(tǒng)的D791 伺服閥。其主閥芯的換向不是靠電磁鐵來(lái)推動(dòng),而是靠前置級(jí)先導(dǎo)閥輸出的液壓力來(lái)推動(dòng),它的前置先導(dǎo)閥是動(dòng)態(tài)特性比較好的噴嘴擋板閥。當(dāng)不進(jìn)行輥縫設(shè)定時(shí),主閥芯應(yīng)在中間位置,當(dāng)設(shè)定輥縫時(shí),電氣信號(hào)（ ±10 mA 之間的給定值） 施加到伺服閥內(nèi)的集成控制放大器上,由放大器驅(qū)動(dòng)前置先導(dǎo)閥動(dòng)作,噴嘴擋板偏離中間位置,造成主滑閥兩端的壓力發(fā)生變化,驅(qū)動(dòng)主滑閥運(yùn)動(dòng),伺服閥內(nèi)的位移傳感器檢測(cè)到主閥芯的位置后,將此實(shí)際值由解調(diào)器整流后反饋給控制放大器并與指令值比較,控制放大器驅(qū)動(dòng)力矩馬達(dá),直到指令電壓與反饋電壓相等。而主閥芯的位移實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量的調(diào)節(jié)進(jìn)而控制了液壓缸的移動(dòng)。根據(jù)液壓系統(tǒng)的控制原理可知,力矩馬達(dá)產(chǎn)生的電磁力矩為: T = K × [i]I [/i] 式中: T ———電磁力矩,N·m; K ———力矩馬達(dá)的力矩系數(shù),N·m/ A; I ———輸入電流,A。

當(dāng)閥芯處于動(dòng)態(tài)平衡位置時(shí), 其電磁力矩與擋板組件的阻尼力矩、閥芯兩端不平衡壓力所產(chǎn)生的力矩相平衡,如果忽略擋板組件的阻尼力矩,則馬達(dá)電磁力矩與閥芯兩端不平衡壓力產(chǎn)生的力矩相平衡。由上面公式可知,力矩馬達(dá)的電磁力矩和輸入電流成正比,所以閥芯的位移與輸入的電流成正比,也就是通過(guò)滑閥的流量與輸入電流成正比,并且電流的極性決定液流的方向,這樣便滿足了對(duì)電液伺服閥的功能要求[2 ] 。 需要說(shuō)明的是,液壓缸的實(shí)際位置是由缸體上的位置傳感器傳給HGC 系統(tǒng),并作為位置調(diào)節(jié)器的反饋環(huán)節(jié)與給定值進(jìn)行比較,這一點(diǎn)維護(hù)人員需要注意。 以上也可以看出D791 伺服閥屬于多級(jí)伺服控制元件。主滑閥、前置級(jí)先導(dǎo)閥和閥內(nèi)位移檢測(cè)器構(gòu)成了D791 伺服閥的三級(jí)層次結(jié)構(gòu)。

1. 2 伺服閥的常見(jiàn)故障

（1） 伺服閥的入口壓力不足。因?yàn)樗欧y是以電控方式實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的節(jié)流控制,必然有能量損失,因此它需要一定的流量來(lái)維持前置級(jí)控制油路的工作,而前置先導(dǎo)閥的壓力則來(lái)自于伺服閥的入口P ,假如P 口的壓力不足,前置先導(dǎo)閥就不能輸出足夠的壓力來(lái)推動(dòng)主閥芯動(dòng)作。維護(hù)人員通過(guò)HGC 系統(tǒng)中的人機(jī)接口winHMI 的終端可看到閥芯的位置反饋值（以百分?jǐn)?shù)表示） ,它反映了閥芯的偏離程度。此時(shí),閥芯的位置可能沒(méi)有變化或波動(dòng)較大。這種故障一般是由于控制油路中的鎖緊閥沒(méi)有打開(kāi)或溢流閥芯沒(méi)正?；匚凰隆?/p>

（2） 伺服閥的±15 V 電源故障。此時(shí),控制放大器不能工作,無(wú)法調(diào)整閥芯位置,其反饋值將迅速增大（以百分?jǐn)?shù)表示,可達(dá)±100 %） ,當(dāng)沒(méi)有負(fù)載時(shí),閥芯已嚴(yán)重偏離中間位置,處于漂移狀態(tài)。

（3） 伺服閥的零部件磨損及油液污染。這包括閥芯、噴嘴等被磨損或污染造成控制靈敏度下降或失控。此外,力矩馬達(dá)導(dǎo)磁體與銜鐵縫隙中有污染物時(shí),相當(dāng)于減小了銜鐵在中位時(shí)的每個(gè)氣隙長(zhǎng)度g 。根據(jù)液壓控制系統(tǒng)的分析結(jié)論:當(dāng)| x/ g | > 1/ 3時(shí)（ x 為銜鐵端部偏離中位的位移） , 銜鐵總是不穩(wěn)定的。破壞了力矩馬達(dá)原有的靜態(tài)特性,這種情況容易給維護(hù)人員造成判斷上的困難。

2 控制系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

升級(jí)后的HGC 系統(tǒng)沿用了基于VME 背板總線的多處理器架構(gòu)。該系統(tǒng)硬件兼容性好,易于升級(jí),避免了原系統(tǒng)因?yàn)榭刂瓢鍓亩鵁o(wú)法采購(gòu)的不足。主控室中的目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)采用VxWorks 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它具有如下特點(diǎn):

（1）系統(tǒng)程序占用空間小,最小為8 kbyte 。而它提供的多任務(wù)控制機(jī)制（如:優(yōu)先級(jí)搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略） 為整個(gè)系統(tǒng)保證了可靠的實(shí)時(shí)性,適合工廠環(huán)境下過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用。

（2）在眾多場(chǎng)合的應(yīng)用實(shí)踐證明它具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。這對(duì)于復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下的系統(tǒng)穩(wěn)定工作至關(guān)重要。

（3）較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)支持?？梢詫?duì)其他VxWorks 系統(tǒng)和TCP/ IP 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行快捷的訪問(wèn)。無(wú)論是串行線路、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接還是緊耦合的利用共享內(nèi)存的背板總線,所有的VxWorks 網(wǎng)絡(luò)機(jī)制都遵循標(biāo)準(zhǔn)的Internet 協(xié)議。有利于進(jìn)行柜前調(diào)試和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2. 1 PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用

HGC 系統(tǒng)的客戶端使用了德國(guó)iba 公司的PDA（pensoninal data acquist） ,它是基于PC 的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可運(yùn)行在WINDOWS NT4. 0 及WINDOWSXP 上。信號(hào)輸入由專(zhuān)用接口模塊SM128 完成,該模塊提供128 個(gè)模擬通道和128 個(gè)數(shù)字通道,現(xiàn)場(chǎng)采集上來(lái)的測(cè)量值通過(guò)SM128 模塊的雙口存儲(chǔ)器傳到PDA 的桌面系統(tǒng)上。通過(guò)PDA ,HGC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的高速（ 1ms ） 數(shù)據(jù)采集和記錄分析。

與舊系統(tǒng)相比,HGC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有如下特點(diǎn):

（1）存儲(chǔ)量大。PDA 可以存儲(chǔ)故障狀態(tài)100 支鋼管的軋制數(shù)據(jù)及正常狀態(tài)可保存10 000 支鋼管的軋制數(shù)據(jù),還可進(jìn)行硬盤(pán)備份。

（2）采集的信號(hào)多,而且可根據(jù)需要從近千個(gè)信號(hào)中進(jìn)行選擇組態(tài)。

2. 2 在線診斷工具

軟件winHMIHGC 系統(tǒng)提供了在線診斷工具winHMI ,它具有如下功能:

（1）可遠(yuǎn)程訪問(wèn)所有的測(cè)量值及控制參數(shù)。通過(guò)診斷工具可以實(shí)時(shí)監(jiān)控壓力變送器和位置傳感器的信號(hào)變化情況,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行處理,避免發(fā)生設(shè)備事故。

（2）測(cè)試控制系統(tǒng)的線路以及液壓系統(tǒng)元件的某些功能。通過(guò)winHMI 對(duì)伺服閥加一給定值的信號(hào)量,在現(xiàn)場(chǎng)可以測(cè)得閥頭處的電流信號(hào)值,以此可判斷線路的某些故障。此外,利用它的離線測(cè)試功能,可以測(cè)試每個(gè)伺服閥的頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng),對(duì)性能較差的伺服閥及早更換。

（3）在線觀察和記錄事故信息。當(dāng)輥縫處于故障狀態(tài)時(shí),winHMI 可顯示出有報(bào)警的機(jī)架、液壓缸號(hào)及報(bào)警類(lèi)型,維護(hù)人員可及時(shí)地作出判斷。

（4）硬件診斷功能。winHMI 測(cè)試I/ O 模塊時(shí),提供了三種模式,分別為:正常模式、在線測(cè)試模式和診斷模式,通過(guò)用戶界面可方便地選擇。模式的切換只能在正常模式和其他兩種模式之間進(jìn)行。正常模式只能顯示數(shù)值;在線測(cè)試模式可單獨(dú)強(qiáng)制某一通道的值而不影響其他通道;而診斷模式屬于離線測(cè)試,這種模式下,winHMI 將所有I/ O 模塊的通道斷開(kāi),只能接受強(qiáng)制輸入值。比如:離線測(cè)試伺服閥的響應(yīng)能力即為此種方式。

2. 3 故障分析軟件（iba Analyzer） 的應(yīng)用

在HGC 系統(tǒng)的客戶端,和PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合使用的是iba Analyzer 分析軟件,該軟件可以分析和編輯由PDA 記錄的多種數(shù)據(jù),PDA 采集的實(shí)時(shí)性決定了采集來(lái)的數(shù)據(jù)是未經(jīng)處理的“扁平化”的海量數(shù)據(jù),PDA 經(jīng)過(guò)特定算法壓縮后存儲(chǔ)于3 . dat 文件中。iba Analyzer 的解壓功能可以讓維護(hù)人員方便地離線訪問(wèn)PDA 記錄。

iba Aanalyzer 一些主要功能如下:

（1）信號(hào)分析的模板會(huì)話功能。系統(tǒng)自定義了一些常用的分析模板,維護(hù)人員如果經(jīng)常分析一些有參考意義的信號(hào),就可以自己建立一個(gè)信號(hào)分析模板,以3 . pdo 的文件格式存于系統(tǒng)中,這樣就可更有針對(duì)性地分析故障時(shí)的數(shù)據(jù)了。

（2）圖形過(guò)濾功能。利用它,我們可以對(duì)伺服閥的頻率曲線進(jìn)行分析,通過(guò)低頻段過(guò)濾曲線,可分析它的穩(wěn)態(tài)性能,而通過(guò)高頻段過(guò)濾曲線,可判斷它的抗干擾能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)縫廠HGC 系統(tǒng)運(yùn)行一年以來(lái),工作狀態(tài)穩(wěn)定,利用HGC 強(qiáng)大的信號(hào)采集和故障分析功能,能夠很快找到故障點(diǎn),明顯縮短了事故處理時(shí)間。需要指出,HGC 系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有賴(lài)于伺服閥等現(xiàn)場(chǎng)控制元件的可靠運(yùn)行。伺服閥是精密制造的機(jī)電一體化產(chǎn)品,精度極高,對(duì)信號(hào)變化、油液污染十分敏感,它對(duì)維護(hù)、清潔及對(duì)維護(hù)工作重要性的認(rèn)識(shí)等方面都有較高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1 ]王春行. 液壓伺服控制系統(tǒng)[M] . 蘭州:甘肅工業(yè)大學(xué)出版社,1989.

[2 ]張利平. 液壓氣動(dòng)技術(shù)速查手冊(cè)[M] . 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.