液压AGC电液伺服系统在线状态监测与故障诊断系统的研究.pdf

2 0 0 8 年第8期 液压 与 气动 2 7 液压 A GC电液伺服 系统在线状态监测与故障 诊断系统的研究 陈家焱 ’ ， 庄文玮 ， 陈章位 ’ Re s e a r c h o n t h e On l i n e S t a t e Mo n i t o r i n g a n d Fa i l u r e Di a g n o s i s S y s t e m o f t h e Hy d r a u l i c AGC El e c t r o h y d r a u l i c S e r v o S y s t e m C HEN J i a - y a n ，Z HUANG We n we i ，CHE N Z h a n g w e i 1 ． 浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室 ， 浙江 杭州3 1 0 0 2 7 ； 2 ． 东华 理工大学 长江学院机电系 ， 江西 南昌3 3 0 0 1 3 摘要 在对 液压 A G C电液伺服 系统状态监测特征量进行研 究的基础 上， 建立基于虚拟仪 器的在线监测系 统， 并将该监测系统应用于液压 A G C电液伺服系统故障诊断中， 为监测系统状态， 寻找故障原因， 快速恢复生产 提供 了技术支持。 关键词 A G C电液伺服 系统； 在线监测系统； 虚拟仪 器； 故障诊断 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 B文章编号 1 0 0 0 4 8 5 8 2 0 0 8 0 8 ． 0 0 2 7 ． 0 3 AG C系统是指为使带钢厚度 达到设定 的 目标偏 差范围而对轧机 在线调节 的一种控制 系统。液压 A G 即 H A G C AI J t 0 ma t i c G a u g e C o n t r o l S y s t e m Wi t h H y d r a u l i c A c t u a t o r s 是采用液压执行元件 压下缸 的 A G C， 国内称液压压下系统。H A G C是现代板带轧机的关键 系统 ， 其功能是不管引起板厚偏差的各种扰动因素如 何变化 ， 都 能 自动调节压下缸的位 置 ， 即轧机的工作 辊缝 ， 从 而使 出 口板厚恒定 ， 保证产 品的 目标厚度达 到性能指标要求。而 A G C系统是一个结构复杂且精 度高的机 、 电 、 液综合系统 ， 其结构 和工作原理均 比较 复杂 ，其可能的故障源既有结构性的又有参数性 的 ， 系统具有机电液耦合 、 时变性和非线性等特性。该液 压伺服系统除了饱和 、 死 区、 滞环 、 变增益 、 摩擦 、 游隙 等典型非线性外 ， 还有控制 阀的流量压力特性这种高 度非线性因素的影响。同时液压系统受温度与负载等 因素的影响， 工作点会发生漂移I1 l。 这些状况对建立状 态监测与故障诊断系统增加了很多困难。从正面影响 来看 ， 对液压 A G C系统进行状态检测与故障诊断 ， 可 以提高设备的可靠性和安全 ， 保证正常良好 的生产 秩序和产品质量， 延长设备的使用寿命 ， 降低维修成 本 ， 推进设备维修体制与方式的现代化。从反面影响 来看，如果不对液压 A G C系统进行状态检测与故障 诊断 ， 由于它在生产线上 的地位异常重要 ， 一旦发生 故障 ， 造成停机或影 响产 品质量 ， 将带来 巨大 的经济 损失和严重 的社会影响I 2 1 。因此 ， 建立一套液压 A G C 的状态检测与故障诊断系统是非常必要的， 其作用和 意义是显而易见的。 本文 以宝钢某热轧精轧机组 A G C 电液伺服系统为研究对象， 研制了面向对象的基于虚 拟仪器技术的在线监测系统 ， 实现设备 的在线状态监 测与故障诊断。 1 液压 A GC电液伺服 系统状态监测特征量 某热轧精轧机组 A G C压下控制系统共有 7台机 架 ，轧钢过程 中 7台机架组成一完整的控制系统 ， 但 每台机架控制原理及工作方式一致， 即采用电液伺服 阀直接控制辊缝。 因此， 通过研究单机架的工作模式， 即可掌握 A G C整套控制体系。以其中一台机架为例， 其工作原理 在轧机操作侧和传动侧的牌坊上， 各有 一 个压下缸， 两侧各有一既有联系、 又能独立工作的 控制系统。在系统中有测位信号、 测力信号和测厚信 号等组成 3 个反馈回路与主回路组成闭环控制系统。 A G C系统单台机架原有的控制及监测信号有上百种 之多 ， 其中有众多的中问过程控制信号， 对系统的状 态监测与分析没有实际意义， 另有部分信号可以覆盖 其他信息I 。通过研究 A G C系统的组成及控制原理 ， 分析并设计出系统特征 的最小状态信息集合。如表 1 所示为液压 A G C状态特征量 。 收稿 日期 2 0 0 8 0 2 1 9 作者简介 陈家焱 1 9 7 9 -- ， 男， 江苏宿迁人， 讲师， 博士， 主要从 事机械电子工程相关研究工作 。 维普资讯 2 8 液压 与 气动 2 0 0 8年第 8 期 表 1 A GC状态特征量信息表 序号 名称 说 明 由原系统过 滤器压 差继 电器发 信 ， 判 1 过滤器堵 塞信号 断过滤器 及工作介质 的状态 2 循环泵 压力 正常工作时 ， 此 压力是相对稳定 的， 当 循环泵发生异常时， 压力信号有变化 液位异常可反映系统的工作介质或冷 3 油箱液位 却水的泄漏情况 压 力的稳定 是 液压 A G C系统 正 常lT 系统压力 作的保证，其幅值和频率是判断系统是 4 否失压 、 管路谐振 、 电气操作失误 等故 障 的重要依据 系统压力报警 当系统压力出现异常时， 由D D C系统 5 信号 报警 通过监 测阀前 压力 ，不仅可 以监测 液 压缸和 电液伺 服阀的运 行状态 与 阀后 6 伺服阀前压力 压力及控制信号结合 ， 同时 ， 与系统压 力相结合 ，还可迅 速判断阀前管道是 否 破裂而产生失压等故障 轧制过程中轧制力的大小及变化。与 7 液压缸压力 液压缸位移 、阀前压力及控制信号结合， 可判断电液伺 服阀的运行状态 此压力的主要作用是为抬辊或换辊时提 8 液压缸 背压 供动力， 在轧制过程中需保持压力恒定 9 A G C给定 D D C给出的厚度控制指令 D D C设定的液压缸位置，与液压控制 1 0 油柱给定 器反馈的液压 缸位置信号构成 液压缸位 置闭环控制 液压缸实际位置反馈信号， 与 D D C设定 1 1 油柱反馈 的液压缸位置构成液压缸位置闭环控制 1 2 故障检测 A G C设备 自诊断信息 监测系统温度，还提供判断系统冷却 1 3 油液温度 器和加热器是否正常工作的信息 伺服阀主阀芯位置反馈信号 ，可直接 1 4 主阀反馈 观测阀芯位置 1 5 先导阀反馈 先导阀位置反馈信号 辊系测得的轧制力信号，补偿压下液 1 6 轧制力反馈 压缸 的位置控制 液压控制器给伺服阀放大器发出的指 1 7 伺服 阀给定 令信号 ， 用于控制 流量大小 伺服阀控制器设定的伺服阀主阀芯位 1 8 主阀给定 置，与主阀位置反馈共同作用构成主阀 位置控制 1 9 先导阀给定 伺服阀放大器给先导阀的控制指令 伺服阀给出的反馈信号，直接参与伺 2 0 阀输出 服阀控制 2 在线监测系统的设计 在对液压 A G C电液伺服系统的T作原理进一步 分析 和对反 映系统特征的最小状态信息集合研究 的 基础上 ， 再对现场信号类别 、 用途和使用要求进行研 究 ， 将液压 A G C系统状态信息分成数字量 如继电器 报警等 、 动态模拟量 如轧制力 、 压力 和位移量等 和 稳态模拟量 如温度 、 液位等 信号， 根据不同的信号 量采用不同的处理方案以提高监测效率和降低在线 监测系统的开发成本。 状态信息数据集中存贮在一台 服务器， 并与信号采集站 上位机 、 客户端 下位机 通过 T C P ／ I P协议构成 了 C S架构的在线监测局域 网， 通过路 由接口与主干网联接 ， 可实现远程访 问， 如图 1 所示为液压 A G C在线检测系统框架。 本地分析站 图 1 液压 A GC在线检测 系统框架 2 ． 1 硬件 系统设 计 信号采集系统的硬件采用 N a ti o n a l I n s t r u m e n t s 公 司的基于 L a b V I E W 开发平台的虚拟仪器技术产品。 动态模拟量信号采集选用 P X I ／ S C X I 总线 的硬件平 台， 如图 2所示动态模拟量信号调理过程， 稳态模拟 量 、 数字量信号采用 c F P的工业化控制模块采集。为 避免监测系统对原A G C控制系统信号的干扰，所有 参与控制的信号采样前加装信号隔离的调理模块。 动态模 拟信号 模拟信号调理 图 2 动态模拟量信号调理过程 2 ． 2 在线监测 系统软件设计 在基于虚拟仪器技术的 A G C监测分析系统开发 过程中， 所有的信号采集控制、 数据处理都由软件控 制 ， 实时性和准确性要求较高 。同时 ， 数据库应有良 维普资讯 2 0 0 8年第8 期 液压 与气动 2 9 好的兼容性。 在线监测系统客户端的监测分析软件 下 位机软件开发采用 Wi n d o w s X P和 Vi s u a l B a s i c的应 用程序开发平 台 ，数据库 系统开发采 用 S Q L S e r v e r 2 0 0 5 ， P X I ／ S C X I 和 c F P控制器的信号采集控制和数据 处理及分析等功能 上位机软件 采用 N I L a b V I E W 的 平 台开发。 在线状态监测 系统软件 由系统设置 、实时监测 、 数据分析及故障诊断等模块构成， 如图 3 所示为系统 软件总体流程功能图。 系统参数设定模块主要包括工 况参数设定和采集参数设定两大部分。 工况参数设定 包括带钢基本信息 、 工艺参数 、 报警值设定等 ； 采集参 数设定包括各测 点采样频率 、 采样时序 、 触发逻辑组 态 、 滤波参数等。实时监测模块提供状态信息的显示 及异常状态的报警功能。 数据分析模块可查阅历史信 息并对信号进行频谱、 功率谱等处理和分析。故障分 采 集 站医 兰 数 据 库 服 务 器 数据 时传 本地及远程分析 ．I l 篮逢鱼 l 一 ⋯ 一 一 一 一 一 一 _ 匦 I l 匦圈 区圆 匝 ； 实时检测 参数设定 数据分析 故障分析 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一I 图 3 系统软件 总体流程功能 图 析模块是根据总结典型故障案例， 提取故障判别方法 和维修对策， 以人机对话方式提示故障原因及处置方 法 。数据库管理包括用户设置 ， 取值字典维护及常用 的备份 、 导入等功能。 3 在线监测系统在故障诊断中的应用 基于虚拟仪器技术 的在线监测 系统 实现了液压 A G C电液伺服 系统状态 的实时状态监测及液压缸 、 伺 服阀、 液压泵等机械部件和控制系统的故障的快速诊 断。以某次故障为例， 液压 A G C电液伺服系统 自动启 动紧急停机保护， 在线监测系统实时监测到紧停信号 后， 对所有设备状态信息进行了保存和报警。在对故 障信息进行分析时， 发现工作侧的伺服阀阀芯位移信 号有异常， 阀芯无法在一侧执行到位， 初步判定工作 侧的伺服阀有单边卡堵故障，两侧 A G C液压缸无法 同步， 造成位置差而产生控制系统报警和停机。在更 换伺服阀备件后快速恢 复了生产 ， 下线后 的伺服阀经 离线解体检修确认了阀芯卡死的故障。 4 结束语 通过对热轧精轧机组液压 A G C系统控制模型的 分析 ， 设备状态特征量最小 信息集合 的研究 ， 为实现 在线监测系统快速 、 有效地反映设备的状态和提高故 障诊断效率提供了保证。虚拟仪器技术在 A G C设备 状 态在线监测系统开发 中显示 了良好的通 用性 和灵 潘l生。L a b V I E W软件开发平台与 V B 、 S Q L S E R V E R等 开发工具能完全兼容。 另对不同信号采用相应的数据 采集硬件平 台， 并 且方便地集成在监测系统 中， 大大 减少了总的数据量。 采用不同的平台根据信号特征可 选择不 同的采样率 ，对于稳态信号降低采样频率 ， 进 而减少处理 的数据总量 ， 减轻计算 机处理负担 。同时 在保证监测 系统性能 的基础上 ， 减少 了装置开发的成 本。利用液压 A G C电液伺服系统在线状态监测 ， 可以 实时和远程分析 A G C电液伺服系统各项控制参数 ， 保存、 记录和分析故障数据， 评定设备状态和性能。 这 对保证系统正常运行 ，提高设备的可靠性和安全性 、 延长设备的使用寿命， 降低维修成本具有非常重要的 意 义 参考文献 【 1 】 J o h n s ，R o b e r t L ． B e t h l e h e m S t e e l C 0 r p ，R e i n e r ， V a n R ． Hy d r a u l i c AGC a t b e t h l e h e m‘ S b u rns h a r b o r 1 6 0 - i n ． p l a t mi l l 『 J 】 ． I r o n and S t e e l E n g i n e e r ， 1 9 9 4 ， 7 1 8 5 2 - 5 7 ． 【 2】 刘延俊， 谢玉东 ， 等． 液压系统故障诊断技术的现状及发 展趋势『 J 1 ． 液压与气动， 2 0 0 6 2 8 0 8 2 ． 【 3 】 陈章位， 路 甬祥 ， 傅周东． 液压设备状态监测及故障诊断 技术『 J 1 ． 液压与气动， 1 9 9 5 2 3 7 ． 【 4】 邵银萍． 基于 E t h e r n e t 分布式虚拟仪器的铁路信号设备 监测系统『 J 1 ．传感器世界， 2 0 0 7 6 3 4 3 6 ． 欢迎“i T 阅 液压与气动 杂志 ＼ 选 析 画囡 画 维普资讯