论文部分内容阅读
摘 要:冗余,指一个具有相同设备功能的备用设备系统。当主设备出现故障时,冗余设备是可以立刻使用的替代设备,也就是通过多重备份来增加系统的可靠性。结合大型轧钢中的实际情况,不断改进,将冗余技术应用到实际的轧钢过程中,取得了良好效果。
关键词:TCS;PCS7;冗余
1.引言
莱钢大H型钢项目是莱钢集团为打造全国H型钢生产基地,把企业由数量型到质量型转变的一个重要项目。整条轧线采用德国西马克公司的设备,是目前国内最先进的H型钢生产线。在控制系统方面,程序采用了以西门子PCS7为核心的编程软件,且在轧机辊缝自动控制方面采用西马克TCS系统,并引入工业以太网和Pmfihus-DP现场总线组成二级计算机控制系统。TCS系统为大H型生产线核心系统,是一套高精度力学控制系统。该系统控制功能复杂,故障率居高不下。
2.TCS系统功能概述
TCS系统是一个高精度力学控制系统。首先由获得的轧辊数据(如辊径、辊宽、垫片厚度等)进行校准;得出整个机架(包括轧辊形变、垫片等)的拉伸曲线;再次由自动厚度控制系统根据轧制表中的辊缝值和轧制力,结合拉伸曲线,自动计算出新的辊缝值;最后由液压辊缝控制系统根据得出的新辊缝数值,通过液压缸行程来完成新辊缝设置。轧钢过程中,TCS系统根据现场采集的压力和辊缝数据,经过PID调节控制,完成轧制表尺寸的调整轧制。在实际生产过程中,由于粉尘、水汽以及检测元件自身的寿命等条件的限制,导致检测元件故障的发生,影响轧钢节奏,针对以上情况,决定将检测元件实行硬件及软件冗余。
3.TCS冗余系统的实现
3.1硬件开发
在满足系统硬件限制的基础上,添加冗余元器件的信号模板以及配套的电源供应及硬件连锁。并满足硬件系统的初始标准:德国工业标准(DIN)及德国电工组织规范(VDE)。控制系统的的硬件平台使用Commel FS-978作为CPU中央处理模板,使用iEi PX-20S3-R2 V2.0综合模板作为硬件背板。分别使用由ADDI-DATA公司生产的 APCI-1710、SST 5136-PFB-PCI及APCI 3120-16-8模板进行SSI磁尺脉冲信号、远程200站数字量信号、压力传感器及伺服控制器模拟量信号的接收和发送。并使用IBA FOBi/oS模板来完成与PDA系统的信息实时通讯。控制系统的硬件组态是在LogiCAD软件(下面称:开发软件)中进行的。
首先在开发软件中进行硬件组态修改。增加APCI-1710模板一块,共12个通道,用于处理冗余磁尺的脉冲信号;增加APCI 3120-16-8模板一块,用于处理压力传感器的模拟量信号。同时,为了数据记录的需要,新增PDA记录模板IBA FOBi/oS一块。
然后在冗余模板上添加相应的冗余元件信号。现场新增磁尺(安装在副缸内)20个,压力传感器20个。
3.2软件开发
软件的开发主要从在线诊断、信号修正和无扰动切换三个方面进行。磁尺作为反馈液压缸实时行程的元件,在整个控制系统的闭环控制回路中起到至关重要的作用。该冗余系统以1:1的形式来冗余,两个磁尺一主一从,参与控制的为主。下面围绕着冗余磁尺对上述功能进行详细介绍:
3.2.1 冗余元件的在线诊断
控制系统对磁尺的在线诊断包括磁尺的状态监控及故障报警。为了保证轧钢精度,要求控制系统的控制周期非常短,目前的控制周期是3ms。磁尺在300mm之内的测量精度是3.7kHz。控制系统通过统计单位时间内磁尺反馈信号高峰值的数量来监控磁尺工作状态。具体方法是:在两次扫描周期(3ms)之间磁尺的信号峰值超过3mm后,系统会维持当前信号5个扫描周期。控制系统发出报警,但不会中止运行。如果峰值出现次数在3秒中内持续出现或者3秒内出现20次以上,系统就会发出故障报警,并中止运行。此时磁尺的运行状态已经不能满足系统控制要求。同时当磁尺的信号消失或者≤0时,系统显示磁尺出现故障报警。
冗余系统延伸了原控制系统的在线诊断功能,不仅添加了冗余元件的在线监控,而且增加了元件在线诊断主从处理机制。如下:在线诊断功能是始终运行的情况下,为了减少冗余元件的报警及故障报警对系统的影响,控制系统只显示主磁尺的故障报警,而对从磁尺只显示状态监控的报警信息。
3.2.2信号修正功能
冗余磁尺安装到位后,其运行的精度会比原磁尺的运行精度稍差一些,会出现一些低频率的信号波动和线性度偏差。这是由冗余磁尺的配套安装设备决定的。为了提高冗余磁尺信号的稳定性,以减少对控制精度的影响,在冗余系统中增加了死区控制及线性补偿的功能。
3.2.2.1通过死区控制来改善冗余信号的低频波动
在冗余系统调试前期,对主从磁尺的信号进行细致的对比分析,我们发现冗余磁尺信号的低频波动范围在2mm之内,这样大的低频波动会使控制系统的输出进入无序的低频振荡中,从而降低系统的控制精度。因此需要在信号进入控制系统之前对信号进行死区控制,死区的控制范围控制在0.5mm到2mm之间。当然,死区范围太大会影响在线监控功能对磁尺的监控精度。这需要通过提高现场设备的安装精度来解决。
3.2.2.2 通过比例控制来改善冗余信号的线性偏差
线性偏差也是由于设备安装精度不高引起的。当冗余磁尺安装好后,在主从磁尺所构成的平面上,我们会发现冗余磁尺比原磁尺稍微倾斜一些,这就是我们说的线性偏差。当液压行程越来越长的时候,这些偏差就会越大,但是这些偏差值会遵循一定比例,也就是主从磁尺线性行程方向上所构成的斜率。我们在冗余系统中针对冗余信号增加了比例控制器。通过对比例系数的调整来进行线性偏差的补偿。
3.2.3 无扰动切换功能
无扰动切换的基础是主从磁尺信号同步。该冗余系统采用强制同步的策略。所谓强制同步就是在磁尺安装到位后,将主从磁尺信号的直接差值记录下来,并作为一个基准偏差作用在冗余磁尺的信号上。从而保证了控制器输入信息的同步。这种强制同步的方法,既简单又实用。在信号同步完成之后,系统根据在线诊断的主从磁尺的监控状态,来判断磁尺是否需要切换,以及从磁尺是否具备同步切换的能力。
3.3 WHMI画面的冗余
WHMI软件被提供用于控制系统参数站,修订设备常数,修正控制参数和显示过程数据,可在Alarm和Trace界面中清晰的发现在实际生产控制中出现的故障。如图1所示是在WHMI操作画面服务模式中,增加了现场液压缸行程和压力传感器的数据采集的冗余选择,当现场检测元件出现故障时,需要停机更换备件,少则半小时左右,比如位置传感器需要拆卸液压缸,动则往往几个小时,延误生产,此时,我们可以从WHMI软件画面中选择Service,在服务模式水平轧辊辊缝控制栏目的En-Sim中选择相应的冗余,只需要将0设置为1,便可以实现硬件的切换工作,再通过轧机标定、校准即可,如果冗余的备件和原液压缸采集量及现场实际状况存在差异,亦可在offset栏目中对数值进行矫正。
4.结论
冗余系统的实现大大优化了TCS系统,该生产线的故障率也明显下降。由于冗余系统的优化提升了设备控制精度,从而保证了大型H型钢产品质量的稳步上升,提升了莱钢大型H型钢的品牌形象,产生了非常好的社会效益。
参考文献:
[1]彭剑.非对称交叉轧制研究〔D〕.北京:清華大学,1990.
[2]方润生.企业的冗余资源与技术创新.北京:经济管理出版社,2004.
[3]赵元国.轧钢生产机械设备操作与自动化控制技术实用手册[M].北京:中国科技文化出版社,2005.
关键词:TCS;PCS7;冗余
1.引言
莱钢大H型钢项目是莱钢集团为打造全国H型钢生产基地,把企业由数量型到质量型转变的一个重要项目。整条轧线采用德国西马克公司的设备,是目前国内最先进的H型钢生产线。在控制系统方面,程序采用了以西门子PCS7为核心的编程软件,且在轧机辊缝自动控制方面采用西马克TCS系统,并引入工业以太网和Pmfihus-DP现场总线组成二级计算机控制系统。TCS系统为大H型生产线核心系统,是一套高精度力学控制系统。该系统控制功能复杂,故障率居高不下。
2.TCS系统功能概述
TCS系统是一个高精度力学控制系统。首先由获得的轧辊数据(如辊径、辊宽、垫片厚度等)进行校准;得出整个机架(包括轧辊形变、垫片等)的拉伸曲线;再次由自动厚度控制系统根据轧制表中的辊缝值和轧制力,结合拉伸曲线,自动计算出新的辊缝值;最后由液压辊缝控制系统根据得出的新辊缝数值,通过液压缸行程来完成新辊缝设置。轧钢过程中,TCS系统根据现场采集的压力和辊缝数据,经过PID调节控制,完成轧制表尺寸的调整轧制。在实际生产过程中,由于粉尘、水汽以及检测元件自身的寿命等条件的限制,导致检测元件故障的发生,影响轧钢节奏,针对以上情况,决定将检测元件实行硬件及软件冗余。
3.TCS冗余系统的实现
3.1硬件开发
在满足系统硬件限制的基础上,添加冗余元器件的信号模板以及配套的电源供应及硬件连锁。并满足硬件系统的初始标准:德国工业标准(DIN)及德国电工组织规范(VDE)。控制系统的的硬件平台使用Commel FS-978作为CPU中央处理模板,使用iEi PX-20S3-R2 V2.0综合模板作为硬件背板。分别使用由ADDI-DATA公司生产的 APCI-1710、SST 5136-PFB-PCI及APCI 3120-16-8模板进行SSI磁尺脉冲信号、远程200站数字量信号、压力传感器及伺服控制器模拟量信号的接收和发送。并使用IBA FOBi/oS模板来完成与PDA系统的信息实时通讯。控制系统的硬件组态是在LogiCAD软件(下面称:开发软件)中进行的。
首先在开发软件中进行硬件组态修改。增加APCI-1710模板一块,共12个通道,用于处理冗余磁尺的脉冲信号;增加APCI 3120-16-8模板一块,用于处理压力传感器的模拟量信号。同时,为了数据记录的需要,新增PDA记录模板IBA FOBi/oS一块。
然后在冗余模板上添加相应的冗余元件信号。现场新增磁尺(安装在副缸内)20个,压力传感器20个。
3.2软件开发
软件的开发主要从在线诊断、信号修正和无扰动切换三个方面进行。磁尺作为反馈液压缸实时行程的元件,在整个控制系统的闭环控制回路中起到至关重要的作用。该冗余系统以1:1的形式来冗余,两个磁尺一主一从,参与控制的为主。下面围绕着冗余磁尺对上述功能进行详细介绍:
3.2.1 冗余元件的在线诊断
控制系统对磁尺的在线诊断包括磁尺的状态监控及故障报警。为了保证轧钢精度,要求控制系统的控制周期非常短,目前的控制周期是3ms。磁尺在300mm之内的测量精度是3.7kHz。控制系统通过统计单位时间内磁尺反馈信号高峰值的数量来监控磁尺工作状态。具体方法是:在两次扫描周期(3ms)之间磁尺的信号峰值超过3mm后,系统会维持当前信号5个扫描周期。控制系统发出报警,但不会中止运行。如果峰值出现次数在3秒中内持续出现或者3秒内出现20次以上,系统就会发出故障报警,并中止运行。此时磁尺的运行状态已经不能满足系统控制要求。同时当磁尺的信号消失或者≤0时,系统显示磁尺出现故障报警。
冗余系统延伸了原控制系统的在线诊断功能,不仅添加了冗余元件的在线监控,而且增加了元件在线诊断主从处理机制。如下:在线诊断功能是始终运行的情况下,为了减少冗余元件的报警及故障报警对系统的影响,控制系统只显示主磁尺的故障报警,而对从磁尺只显示状态监控的报警信息。
3.2.2信号修正功能
冗余磁尺安装到位后,其运行的精度会比原磁尺的运行精度稍差一些,会出现一些低频率的信号波动和线性度偏差。这是由冗余磁尺的配套安装设备决定的。为了提高冗余磁尺信号的稳定性,以减少对控制精度的影响,在冗余系统中增加了死区控制及线性补偿的功能。
3.2.2.1通过死区控制来改善冗余信号的低频波动
在冗余系统调试前期,对主从磁尺的信号进行细致的对比分析,我们发现冗余磁尺信号的低频波动范围在2mm之内,这样大的低频波动会使控制系统的输出进入无序的低频振荡中,从而降低系统的控制精度。因此需要在信号进入控制系统之前对信号进行死区控制,死区的控制范围控制在0.5mm到2mm之间。当然,死区范围太大会影响在线监控功能对磁尺的监控精度。这需要通过提高现场设备的安装精度来解决。
3.2.2.2 通过比例控制来改善冗余信号的线性偏差
线性偏差也是由于设备安装精度不高引起的。当冗余磁尺安装好后,在主从磁尺所构成的平面上,我们会发现冗余磁尺比原磁尺稍微倾斜一些,这就是我们说的线性偏差。当液压行程越来越长的时候,这些偏差就会越大,但是这些偏差值会遵循一定比例,也就是主从磁尺线性行程方向上所构成的斜率。我们在冗余系统中针对冗余信号增加了比例控制器。通过对比例系数的调整来进行线性偏差的补偿。
3.2.3 无扰动切换功能
无扰动切换的基础是主从磁尺信号同步。该冗余系统采用强制同步的策略。所谓强制同步就是在磁尺安装到位后,将主从磁尺信号的直接差值记录下来,并作为一个基准偏差作用在冗余磁尺的信号上。从而保证了控制器输入信息的同步。这种强制同步的方法,既简单又实用。在信号同步完成之后,系统根据在线诊断的主从磁尺的监控状态,来判断磁尺是否需要切换,以及从磁尺是否具备同步切换的能力。
3.3 WHMI画面的冗余
WHMI软件被提供用于控制系统参数站,修订设备常数,修正控制参数和显示过程数据,可在Alarm和Trace界面中清晰的发现在实际生产控制中出现的故障。如图1所示是在WHMI操作画面服务模式中,增加了现场液压缸行程和压力传感器的数据采集的冗余选择,当现场检测元件出现故障时,需要停机更换备件,少则半小时左右,比如位置传感器需要拆卸液压缸,动则往往几个小时,延误生产,此时,我们可以从WHMI软件画面中选择Service,在服务模式水平轧辊辊缝控制栏目的En-Sim中选择相应的冗余,只需要将0设置为1,便可以实现硬件的切换工作,再通过轧机标定、校准即可,如果冗余的备件和原液压缸采集量及现场实际状况存在差异,亦可在offset栏目中对数值进行矫正。
4.结论
冗余系统的实现大大优化了TCS系统,该生产线的故障率也明显下降。由于冗余系统的优化提升了设备控制精度,从而保证了大型H型钢产品质量的稳步上升,提升了莱钢大型H型钢的品牌形象,产生了非常好的社会效益。
参考文献:
[1]彭剑.非对称交叉轧制研究〔D〕.北京:清華大学,1990.
[2]方润生.企业的冗余资源与技术创新.北京:经济管理出版社,2004.
[3]赵元国.轧钢生产机械设备操作与自动化控制技术实用手册[M].北京:中国科技文化出版社,2005.