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浅析铝箔轧机伺服系统

浅析铝箔轧机伺服系统

2006/3/22 10:46:00
[摘要] 简述铝箔粗轧机液压伺服电气控制系统的组成和工作原理,分析伺服控制系统改造后存在的缺陷并提出改进建议。   为满足生产高质量产品的需要,铝箔1#粗轧机2001年进行了部分设备更新改造,使用美国A-B公司的ControlLogix5000可编程序控制器替换了老式日本三菱公司的MEPLAC-50工业计算机;使用瑞典ABB公司的板形仪系统替换了原来报废的日本神户制钢板形仪;新增加了LECHLER公司的喷淋控制系统;改造了废弃多年的液压压上和弯辊自动伺服系统。 1. 伺服控制系统组成 1#铝箔粗轧机的伺服系统分液压压上伺服系统和液压弯辊伺服系统,主要是由电液伺服阀、压力传感器、可编程序控制器、伺服阀放大器组成。 1.1 电液伺服阀   伺服阀采用中国航空工业609所的电液伺服阀,压上伺服系统在工作侧压上缸和驱动侧压上缸附近各设有一个伺服阀阀站,每个阀站上装有一个型号为3F-15L的电液伺服阀和一个两位四通泄荷电磁阀,在伺服阀前后装有精密油过滤器,操作台的手动调压阀或板形仪的倾斜修正信号与伺服阀阀站上的四个截止阀的不同状态位置,组成了调压阀的手动倾斜控制和板形仪的自动倾斜控制。弯辊伺服系统的正弯和负弯各使用一个型号为FF102-5的电液伺服阀,伺服阀阀站组成与压上伺服系统一样。   系统中使用的四个电液伺服阀都是双喷嘴挡板式滑阀力反馈伺服阀,它采用力矩马达作为电-机械转换装置,双喷嘴挡板阀为液压放大元件,力反馈杆与弹簧管构成机械反馈。力矩马达固有频率高、结构紧凑,但为了限制非线性,力矩马达衔铁的输出位移会很小,且力反馈杆与弹簧管构成的机械反馈使得力矩马达的抗污染性很差。 伺服阀参数: 线圈电阻:50±5欧姆 额定电流:40mA 非线性度:≤±7.5%    不对称度:≤±10% 迟滞:≤4%     零偏:≤±3% 绝缘电阻:≥50兆欧 1.2 压力传感器   德国产型号HDA3745-B-400-000压力传感器是HDA3700系列压力传感器,采用不锈钢膜片上的薄层DMS技术,结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长。总误差0.5%;压力范围6至600巴;信号输出4~20mA或0~20mA或 0~10V;受温度变化影响极小。(外形图如右图)压力和电信号的转化由传感器的核心部件检测体和放大电路完成,压力信号输出采用0~10V信号,以便PLC模拟量输入用于反馈控制使用。
1.3 可编程序控制器   ControlLogix5000可编程序控制器是A-B公司的产品,其丰富的处理器指令集、高级编程工具RSLogix 5000TM以及可扩展功能,可以为系统提供强大功能、高级诊断能力、可靠的通讯以及方便易用的界面。分布式控制外观见下图。
  轧机伺服系统的压上倾斜和弯辊的给定值由电位器送入可编程序控制器的1756-IF16模拟量输入模块,经过处理后送到操作台的Panelview进行设定值显示,同时将此信号与7%的偏置信号(弯辊伺服独有)、板型仪修正信号和来自压力传感器的反馈信号叠加经限幅处理后由PLC的模拟量输出模块送到伺服放大器的电压输入口(11号端子)。PLC起到CPU的作用。 1.4 伺服放大器   伺服系统采用的是中国航空工业609所生产的伺服阀配套伺服阀放大器MKZ801.14,该放大器控制精度高、可靠性好。伺服阀放大器通过接收外部指令信号和压力反馈信号,产生伺服阀驱动电流,与电液伺服阀和压力油缸共同完成高精度的压力调节。该放大器还具有零偏及增益设定、传感器激励电源和阀励振功能。并且通过两列LED排灯可以直观的进行电流状态的监测,其中一列显示输出电流为正时的电流大小,另一列为显示输出电流为负时的电流大小,两列均无显示时伺服阀已达到平衡状态。 1.4.1 放大器技术指标 五种输入信号:(a)4-20mA 电流输入;(b) ±10V 电压输入;(c)±5V 电压输入;(d)反馈信号输入;(e)差动信号输入;目前使用的是±10V 电压输入信号。 三种输出电流:(a)±10mA;(b) ±15mA ;(c) ±40mA;目前使用的是±40mA电流输出信号。 励振信号:300HZ 方波信号,幅值可调,出厂设置为零,目前幅值为零。 非线性度:≤±1 % 放大器增益:电压级K=1-5,出厂设置为2。 i/v级: i/v=10mA/V 供电电源:外部两路供电:±15V,200mA,噪音≤1mV; +5V,200mA,噪音≤10mV。 1.4.2 放大器原理框图
  放大器接收外部±10V(或 4—20mA)信号指令,经过幅值调节后与压力传感器传来的反馈信号进行比较,比较偏差经过放大后与励振信号综合,再经过功率放大后输出。输出的功率信号直接驱动电液伺服阀。 2. 伺服系统控制原理
  上图是弯辊伺服系统原理框图,电位器手动给定正弯或负弯量送至PLC模拟量输入口,与自动控制投入时来自板形仪的伺服修正信号进行叠加,叠加后的值由程序判断正负后再送入相应的比例调节器。同时对正负弯辊都施加7%的偏置信号,目的是提高正负弯切换时液压缸的响应速度。另一路经模拟量输入口进入比例调节器的信号是来自伺服阀至液压缸管线上的压力传感器给出的反馈信号。电位器给定信号加上板形仪修正信号加上7%偏置信号减去反馈信号,其结果由PLC限幅后由模拟量输出口送入伺服放大器,再由伺服放大器经过功率放大后输出驱动伺服阀。伺服阀动作产生正、负弯辊控制,也就是通过调整正负弯辊力,改变轧辊的弯曲方向和弯曲度,来解决带材中部和双边波浪问题。同理压上伺服阀动作产生倾斜控制,通过分别调整工作侧和驱动侧压上缸压力,使轧辊辊缝倾斜,来解决带材单边波浪问题。 3. 系统存在的缺陷分析 3.1 自动控制范围小   手动压力设定电位器在自动状态可优先干预的设计形式,造成了板形仪伺服修正信号的修正范围缩小。因为手动设定电位器不是增量型电位器,设定值设定后不能自动归零,同时给定量与修正量幅值范围相同,这就会产生不正确的给定量加上最大的修正量后还不能达到自动控制的要求。举个例子来说:假定弯辊手动给定是正弯50%,可是板形仪根据板型计算出的弯辊量需求是负弯60%,这时修正信号会输出到最大:负弯100%,但最后叠加的结果却是:负弯100%减去正弯50%等于负弯50%,与要求的60%差10%还是不能满足板形控制的需要。 3.2 响应速度慢   PLC使用的是16位处理器单元,比例调节器控制,板形仪的修正信号经过PLC又多了模拟输入和模拟输出过程,从而降低了响应速度。而板形仪使用的是32位处理器单元,比例积分控制器,速度快于PLC且无静差。所以在响应速度和静差控制方面PLC输出至伺服阀放大器板的控制方式不如板形仪直接输出至伺服阀放大器板的控制方式。 3.3 系统分辨率低   放大器的阀励振功能所使用的300HZ方波幅值为零。放大器设置励振信号的作用是为伺服阀提供高频动态激励,目的是消除伺服阀阀芯与阀套的静摩擦力,从而提高伺服阀对微弱信号的解析度并且减小阀芯动态响应时间。幅值为零就意味着并没有使用阀励振功能,这就降低了伺服系统的分辨率,为整个系统响应滞后埋下了伏笔。 3.4 稳定性差   压力传感器检测到的压力信号作为反馈直接送入PLC的模拟输入模块,经过限幅处理后(下图0、1、2行)与给定信号加上修正信号加上偏置信号(弯辊独有)之和进行比较,见PLC梯形图(下图13行),并没有把反馈信号接入伺服阀放大器的反馈端子(10号端子), 这样MKZ801.14 处于开环控制状态,此时 MKZ801.14仅相当于一个驱动伺服阀的功率放大器。由于反馈信号要受PLC的输入扫描时间和扫描周期的影响,这就增加了系统动态响应时间,且MKZ801.14的开环使用还造成了系统稳定性差。
4. 改进建议   针对以上系统响应速度慢和稳定性差的问题,可以采取如下措施: 4.1 改善控制范围   用增量型电位器替代目前使用的手动给定电位器,从控制方式上恢复板形仪自动修正信号原有的修正范围。 4.2 提高响应速度   板形仪的修正信号跳过PLC控制,直接送入伺服放大器板,可以提高系统响应速度。 4.3 提高分辨率   将伺服放大器板的阀励振信号使用上,可以提高伺服阀的解析度,但幅值不可调整过高,不适当的振抖会增加阀的内泄,也会减短阀体的寿命。 4.4 提高稳定性   将压力反馈信号接入伺服阀放大器板的反馈输入口,改MKZ801.14开环控制为闭环控制,既减少PLC输入、程序扫描、输出时间提高响应速度,又可大大提高系统稳定性。 5. 结束语   系统的局部改造会破坏原设计的整体性能,并且新旧系统在衔接上容易出现瓶颈。我公司1#轧机的技术改造部分在目前使用上还是基本能够满足要求的,如果解决现存的问题将会大大提高产品质量。
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