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

關鍵詞:伺服系統;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,包鋼無縫廠將原有液壓缸控制系統升級為HGC（液壓缸輥縫控制） 伺服系統。該系統是通過伺服閥控制五機架連軋機的軋輥液壓缸位置來控制軋機的輥縫和壓力,進而在線控制鋼管的壁厚。無縫廠伺服系統屬于位置隨動系統,是控制系統的一種。在這種系統中,輸出量（機械位移） 能夠快速而準確地反映輸入量（位置給定） 的變化規律,因此,它是帶有負反饋的閉環控制系統。因為傳遞的力矩和功率很大,具有信號的功率放大作用,所以它也是一個功率放大裝置。該軋機所用的美國MOOG 公司的D791 伺服閥本身又是自帶閉環控制的控制閥。HGC 系統把從位置傳感器測得的電氣信號實際值與液壓缸位置的設定值進行比較,其偏差值作為液壓缸位置調節量輸出到位置調節器,達到準確控制液壓缸位置的目的。由于HGC 系統的動力源為液壓拖動裝置（液壓泵） ,因此,HGC 本質上是一個閥控電液伺服系統[1 ] 。伺服閥是該系統的核心控制元件,而實現閉環控制的計算機系統則是HGC 的主要控制機構。升級后的HGC 具有響應速度快,硬件通用性強,軟件功能強大,維護效率高等特點。因此,了解伺服閥及其控制系統的特性才能更好地使用并且維護該伺服系統。

1 D791 伺服閥在HGC 系統中的使用

1. 1 D791 伺服閥的工作原理

伺服閥是伺服系統中最重要,最基本的組成部分。伺服閥的閥芯性能、額定流量、頻率特性等參數是選用的重要標準。HGC 系統中使用了電反饋式、帶噴嘴擋板系統的D791 伺服閥。其主閥芯的換向不是靠電磁鐵來推動,而是靠前置級先導閥輸出的液壓力來推動,它的前置先導閥是動態特性比較好的噴嘴擋板閥。當不進行輥縫設定時,主閥芯應在中間位置,當設定輥縫時,電氣信號（ ±10 mA 之間的給定值） 施加到伺服閥內的集成控制放大器上,由放大器驅動前置先導閥動作,噴嘴擋板偏離中間位置,造成主滑閥兩端的壓力發生變化,驅動主滑閥運動,伺服閥內的位移傳感器檢測到主閥芯的位置后,將此實際值由解調器整流后反饋給控制放大器并與指令值比較,控制放大器驅動力矩馬達,直到指令電壓與反饋電壓相等。而主閥芯的位移實現了對流量的調節進而控制了液壓缸的移動。根據液壓系統的控制原理可知,力矩馬達產生的電磁力矩為: T = K × [i]I [/i] 式中: T ———電磁力矩,N·m; K ———力矩馬達的力矩系數,N·m/ A; I ———輸入電流,A。

當閥芯處于動態平衡位置時, 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生的力矩相平衡,如果忽略擋板組件的阻尼力矩,則馬達電磁力矩與閥芯兩端不平衡壓力產生的力矩相平衡。由上面公式可知,力矩馬達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,這樣便滿足了對電液伺服閥的功能要求[2 ] 。 需要說明的是,液壓缸的實際位置是由缸體上的位置傳感器傳給HGC 系統,并作為位置調節器的反饋環節與給定值進行比較,這一點維護人員需要注意。 以上也可以看出D791 伺服閥屬于多級伺服控制元件。主滑閥、前置級先導閥和閥內位移檢測器構成了D791 伺服閥的三級層次結構。

1. 2 伺服閥的常見故障

（1） 伺服閥的入口壓力不足。因為伺服閥是以電控方式實現對流量的節流控制,必然有能量損失,因此它需要一定的流量來維持前置級控制油路的工作,而前置先導閥的壓力則來自于伺服閥的入口P ,假如P 口的壓力不足,前置先導閥就不能輸出足夠的壓力來推動主閥芯動作。維護人員通過HGC 系統中的人機接口winHMI 的終端可看到閥芯的位置反饋值（以百分數表示） ,它反映了閥芯的偏離程度。此時,閥芯的位置可能沒有變化或波動較大。這種故障一般是由于控制油路中的鎖緊閥沒有打開或溢流閥芯沒正常回位所致。

（2） 伺服閥的±15 V 電源故障。此時,控制放大器不能工作,無法調整閥芯位置,其反饋值將迅速增大（以百分數表示,可達±100 %） ,當沒有負載時,閥芯已嚴重偏離中間位置,處于漂移狀態。

（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,力矩馬達導磁體與銜鐵縫隙中有污染物時,相當于減小了銜鐵在中位時的每個氣隙長度g 。根據液壓控制系統的分析結論:當| x/ g | > 1/ 3時（ x 為銜鐵端部偏離中位的位移） , 銜鐵總是不穩定的。破壞了力矩馬達原有的靜態特性,這種情況容易給維護人員造成判斷上的困難。

2 控制系統的應用特點

升級后的HGC 系統沿用了基于VME 背板總線的多處理器架構。該系統硬件兼容性好,易于升級,避免了原系統因為控制板壞而無法采購的不足。主控室中的目標應用系統采用VxWorks 嵌入式實時操作系統。它具有如下特點:

（1）系統程序占用空間小,最小為8 kbyte 。而它提供的多任務控制機制（如:優先級搶占和輪轉調度策略） 為整個系統保證了可靠的實時性,適合工廠環境下過程控制、數據采集等應用。

（2）在眾多場合的應用實踐證明它具有較強的穩定性。這對于復雜應用環境下的系統穩定工作至關重要。

（3）較強的網絡支持。可以對其他VxWorks 系統和TCP/ IP 網絡系統進行快捷的訪問。無論是串行線路、標準的以太網連接還是緊耦合的利用共享內存的背板總線,所有的VxWorks 網絡機制都遵循標準的Internet 協議。有利于進行柜前調試和遠程監控。

2. 1 PDA 數據采集系統在生產中的應用

HGC 系統的客戶端使用了德國iba 公司的PDA（pensoninal data acquist） ,它是基于PC 的高性能數據采集系統,可運行在WINDOWS NT4. 0 及WINDOWSXP 上。信號輸入由專用接口模塊SM128 完成,該模塊提供128 個模擬通道和128 個數字通道,現場采集上來的測量值通過SM128 模塊的雙口存儲器傳到PDA 的桌面系統上。通過PDA ,HGC 系統實現了生產過程數據的高速（ 1ms ） 數據采集和記錄分析。

與舊系統相比,HGC 的數據采集系統有如下特點:

（1）存儲量大。PDA 可以存儲故障狀態100 支鋼管的軋制數據及正常狀態可保存10 000 支鋼管的軋制數據,還可進行硬盤備份。

（2）采集的信號多,而且可根據需要從近千個信號中進行選擇組態。

2. 2 在線診斷工具

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

（1）可遠程訪問所有的測量值及控制參數。通過診斷工具可以實時監控壓力變送器和位置傳感器的信號變化情況,發現異常及時進行處理,避免發生設備事故。

（2）測試控制系統的線路以及液壓系統元件的某些功能。通過winHMI 對伺服閥加一給定值的信號量,在現場可以測得閥頭處的電流信號值,以此可判斷線路的某些故障。此外,利用它的離線測試功能,可以測試每個伺服閥的頻率響應和階躍響應,對性能較差的伺服閥及早更換。

（3）在線觀察和記錄事故信息。當輥縫處于故障狀態時,winHMI 可顯示出有報警的機架、液壓缸號及報警類型,維護人員可及時地作出判斷。

（4）硬件診斷功能。winHMI 測試I/ O 模塊時,提供了三種模式,分別為:正常模式、在線測試模式和診斷模式,通過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行。正常模式只能顯示數值;在線測試模式可單獨強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試,這種模式下,winHMI 將所有I/ O 模塊的通道斷開,只能接受強制輸入值。比如:離線測試伺服閥的響應能力即為此種方式。

2. 3 故障分析軟件（iba Analyzer） 的應用

在HGC 系統的客戶端,和PDA 數據采集系統配合使用的是iba Analyzer 分析軟件,該軟件可以分析和編輯由PDA 記錄的多種數據,PDA 采集的實時性決定了采集來的數據是未經處理的“扁平化”的海量數據,PDA 經過特定算法壓縮后存儲于3 . dat 文件中。iba Analyzer 的解壓功能可以讓維護人員方便地離線訪問PDA 記錄。

iba Aanalyzer 一些主要功能如下:

（1）信號分析的模板會話功能。系統自定義了一些常用的分析模板,維護人員如果經常分析一些有參考意義的信號,就可以自己建立一個信號分析模板,以3 . pdo 的文件格式存于系統中,這樣就可更有針對性地分析故障時的數據了。

（2）圖形過濾功能。利用它,我們可以對伺服閥的頻率曲線進行分析,通過低頻段過濾曲線,可分析它的穩態性能,而通過高頻段過濾曲線,可判斷它的抗干擾能力。

3 結束語

無縫廠HGC 系統運行一年以來,工作狀態穩定,利用HGC 強大的信號采集和故障分析功能,能夠很快找到故障點,明顯縮短了事故處理時間。需要指出,HGC 系統的穩定運行有賴于伺服閥等現場控制元件的可靠運行。伺服閥是精密制造的機電一體化產品,精度極高,對信號變化、油液污染十分敏感,它對維護、清潔及對維護工作重要性的認識等方面都有較高的要求。

參考文獻

[1 ]王春行. 液壓伺服控制系統[M] . 蘭州:甘肅工業大學出版社,1989.

[2 ]張利平. 液壓氣動技術速查手冊[M] . 北京:化學工業出版社,2007.