轧机AGC液压缸智能检测系统平台研发
时间：2023-06-20 21:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郭媛，李青锋，邓江洪，李世超
( 1.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉 430081；
2.武汉科技大学精密制造研究院，湖北武汉 430081;3.武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430081)
在轧机板厚控制系统中，轧机AGC液压缸是冶金轧机的关键设备之一，其性能决定了产品质量[1]，因此，冶金行业对轧机AGC液压缸的性能指标要求严格。目前，针对轧机AGC缸静动态特性性能指标的测试，只能依靠AGC液压缸生产厂家自行进行专项测试[2]，但是缺少实时远程控制与测试、模块化操作平台、更加准确的测试方法及第三方测试数据的检定、校准工作进行验证。基于此，本文作者开展了轧机AGC液压缸的第三方检测系统平台研发。
连续铸钢机与连轧机组成连铸连轧机，液态高温钢水进入连铸机的结晶器后，经过连铸连轧机，产出的成品就是热轧钢卷，该设备生产率高，收得率高[3]。连轧机液压AGC系统对提高钢带产品质量十分重要，根据弹跳方程轧制理论，结合实测辊缝、板厚、轧制力和期望板厚，轧机AGC液压缸通过闭环轧制模型分析进而控制伺服阀实现下压位移，实现轧机输出端板型及板厚精确输出[4-6]。图1所示为连铸连轧工作过程简图。
图1 连铸连轧工作过程Fig.1 Work process of continuous casting and rolling
AGC缸作为液压系统重要执行机构之一，通常装配于轧机牌坊上部(或下部)，包含活塞、柱塞等结构形式[7-8]。图2所示为AGC缸结构简图，包含缸体、活塞、缸盖、密封件、防尘配件、导向套及内置(或外置)传感器等结构部分[9]。
图2 AGC缸结构Fig.2 Structural of AGC cylinder
为模拟实际工况测试，此试验利用机架弹性变形进行比例/伺服控制液压缸的试验项目测试[10]。根据国家在2015年发布《液压传动 比例/伺服控制液压缸的试验方法》，开发检定的试验项目包括：频率特性测试、阶跃响应测试、带载动摩擦力测试、启动压力测试、偏摆测试等[11]。
图3所示为AGC缸性能检定系统原理。该试验系统的控制原理是创建一套与液压试验台相互连接、具备数据采集功能、计算机控制功能的性能测试检定系统，上位机主动对伺服阀发送控制信号，从而实现AGC缸运行。待测试缸的模拟加载通过机架的弹性变形实现，待测试缸的活塞位置变化由增减调节块的方式来实现，待测试缸的位移变化由控制系统来实现。此外，AGC缸性能检定系统实时功能可在线分析试验过程参数变化并显示在上位机上，最后将测试检定结果以报告的形式打印输出，供检测人员分析使用[12]。
图3 AGC缸性能测试检定系统液压原理Fig.3 Hydraulic schematic of AGC cylinder performance test and verification system
图4所示为AGC缸检测系统平台架构。
图4 AGC缸检测系统平台架构Fig.4 Platform architecture of AGC cylinder testing system
图4中，采用计算机作为上位机，将AGC伺服液压缸测试装备融入到厂级ERP企业管理系统，进行实时控制与测试。上位机采用以太网与控制器实现数字通信，减小因模拟信号在传输过程中的衰减及消除外界干扰产生的信号失真；
根据厂方提供的ERP企业管理系统网络接口标准，将关键测试数据与ERP企业管理系统连通，实现AGC测试系统在厂级范围内，按授权级别进行远程监测、存储。控制部分采用西门子PLC 1500作为主控制器，配套智能工艺模块及进口SONY信号转换模块，接入AGC缸高精度SONY和MTS位移传感器，配套16位模拟量输入模块接入模拟量位移传感器及压力等传感器，实时采集传感器信号，配套模拟量输出模块向伺服阀与比例阀施加指令信号；
采用现有PLC 300作为控制器子站，对原有油源液压元件、电机启动元件进行控制；
触摸屏和计算机作为上位机，触摸屏和计算机均可实现控制指令输出与测试曲线绘制；
测试部分采用USB 6003多功能数据采集卡作为计算机与信号监测元件之间的硬件接口，通信及控制软件采用基于Visual Basic开发设计。计算机系统采用OPC Severs平台与PLC进行数据交换，通过NI采集卡驱动软件NI MAX对USB 6003数据采集卡进行上位机驱动环境配置[13]。
为解决上位机与PLC之间数据传输速度问题，开发专用测试检定模块，在PLC中开辟高速数据存储空间，实现动态测试指令信号及实时测试数据在PLC内部高速生成、采集、存储，当单个频段测试完毕后，计算机主动获取存储数据包进行该频段的幅频值计算，然后发出下一频段测试指令。对于测试数据传输速度要求低的静态测试项目，传感器信号直接在计算机测试界面进行实时绘制。
采用智能闭环控制算法替代原物理开闭环放大器，以软件方法实现动态测试项目的位置闭环控制与静态测试项目的开环控制，控制参数在测试界面进行设置，消除物理开闭环放大器性能对测试精度的影响，提高测试系统闭环参数设置的灵活性和速度。
测试系统平台开发根据测试检定项目编制控制程序，将各项目测试检定全流程的操作步骤进行程序化，包括通过方向阀实现的油路切换、开闭环控制模式切换、电机启停、伺服缸位置找0。
检测系统采用Windows平台， 开发工具为基于Visual Basic[14-15]。
4.1 检测系统平台需求分析
根据轧机AGC液压缸静动态特性性能指标测试技术特点，检测系统平台研发采用模块化编程。在Visual Basic平台完成人机交互界面的开发，主要包括板卡、频率特性、阶跃响应、动摩擦力、启动压力、偏摆等测试项目，参数设置、保存、读取和打印等功能。检测系统平台操作流程如图5所示。
图5 检测系统平台操作流程Fig.5 Operation process of testing system platform
4.2 检测系统平台界面开发
根据轧机AGC液压缸静动态特性检测需求可知，检测项目包括频率特性、阶跃响应、动摩擦力、启动压力、偏摆等测试。
检测系统平台界面的设计基于这5个测试项目，每种项目对应唯一界面，这种模块化设计使使用者目标明确、操作简单方便。检测系统主界面如图6所示。
图6 检测系统主界面Fig.6 Main interface of testing system
4.3 检测系统功能模块设计
检测系统设置有板卡、频率特性、阶跃响应、动摩擦力、启动压力、偏摆等测试界面。在项目界面(除板卡测试界面)均设置有“状态显示区”，来实时显示相关参数；
“标尺控制区”，可控制绘图区域显示范围；
“进度控制和数据处理区”，由“送检输入”、“开始测试”、“停止测试”、“保存数据”、“读取数据”、“打印预览”及“参数设置”等七大部分组成，可对进行中的项目的进度以及产生的数据进行控制[16]。图7所示为检测系统功能模块结构。
图7 检测系统功能模块结构Fig.7 Functional module structure of testing system
具体描述如下：
(1)板卡测试
在进行对应项目前，应检查试验所用的数据采集卡中各个通道的功能是不是满足试验要求，因此打开软件后默认显示“板卡测试”界面。板卡测试可输出项目所需信号、记录信号以及对其所有模/数(或数/模)通道的输出波形进行正确性检测。
(2)频率特性测试
软件在正弦输入信号下，输出待测试缸的输入和响应信号振幅比(或相位差)随信号频率关系。“标尺控制区”用于设置扫描起点和扫描终点；
“参数设置”用于设定输出正弦波的频率规模、扫描点数、给定幅值、偏置、压力状态；
“送检输入”用于设置“幅频宽标定值”和“相频宽标定值”；
“保存数据”用于当前项目执行结果的保存，保存地址为软件在计算机中安装目录下的一个与当前项目同名的文件夹(首次执行时自动生成该文件夹)；
“读取数据”用于选择“保存数据”时的文件夹下需读取测试结果文件(文件后缀为“.csv”)并读取历史测试数据；
“打印预览”用于查看项目数据曲线的输出结果；
“打印”用于设置保存文件格式、存储位置以及输出纸质曲线报告。
(3)阶跃响应测试
在阶跃输入信号下，输出待测试缸的位移随时间关系。“标尺控制区”用于设置测试时间和位移；
“参数设置”可给定液压缸阶跃增量，给定伺服阀初始位移量以及当前压力状态；
“送检输入”用于设置阶跃响应时间标定值。
(4)动摩擦力测试
在给定输入信号下，输出待测试缸的带载荷摩擦力与位移关系。“标尺控制区”用于设置推力和位移；
“参数设置”可给定伺服阀的初始位移及其最大增幅、比例阀(背压)的初始电压量和最大电压量以及油缸的活塞直径和活塞杆直径。“送检输入”用于设置动摩擦力标定值、活塞直径以及活塞杆直径。
(5)启动压力测试
在给定输入信号下，输出待测试缸的空载启动压力随时间的关系，从而分析出启动摩擦力的精确值。“标尺控制区”用于设置压力、位移和时间；
“参数设置”用于设置伺服阀的步进增幅和最大给定量、油缸的活塞直径和活塞杆直径、活塞的运动阈值和最大位移量以及当前压力状态；
“送检输入”用于设置压力标定值、摩擦力标定值、活塞直径以及活塞运动阈值。
(6)偏摆测试
在给定负载输入下，输出待测试缸活塞杆偏摆量的检测。“标尺控制区”用于设置位移和时间；
“参数设置”可给定输出最大位移值以及当前压力状态；
“送检输入”用于设置偏摆标定值和测试最大行程。
使用该检测系统，针对企业关于Ф 700/600-205型AGC缸的送检数据进行处理分析，图8—图12所示为检测运行结果曲线。
图8所示为频率响应特性检测，此标定系统测试幅频宽为3.57 Hz，相频宽为7.32 Hz；
送检系统测试幅频宽为3.57 Hz，相频宽为7.32 Hz，幅频宽误差率为0.0 %，相频宽误差率为0.0 %。
图8 频率响应特性检测Fig.8 Frequency response characteristic testing
图9所示为阶跃响应特性检测，此标定系统测试阶跃响应时间为34 ms，送检系统测试阶跃响应时间为34 ms，阶跃响应时间误差率为0.0 %。
图9 阶跃响应特性检测Fig.9 Step response characteristic testing
图10所示为动摩擦力特性检测，此标定系统测试动摩擦力为130 kN，送检系统测试动摩擦力为130.988 kN，动摩擦力误差率为0.8 %。
图10 动摩擦力特性检测Fig.10 Dynamic friction characteristic testing
图11所示为起动压力特性检测，此标定系统压力值为0.387 MPa，启动摩擦力为326.5 kN；
送检系统压力值为0.344 MPa，启动摩擦力为326.525 kN，压力误差率为-11.1 %，启动摩擦力误差率为0.0%。
图11 起动压力特性检测Fig.11 Starting pressure characteristic testing
图12所示为偏摆特性检测，此标定系统偏摆值为0.109 mm，送检系统偏摆值为0.107 mm，偏摆误差率为-1.6 %。
图12 偏摆特性检测Fig.12 Yaw characteristics testing
通过对轧机AGC液压缸智能检测系统平台的研究，得到了如下结论：
(1)为模拟现场实际工况测试，此试验利用机架弹性变形进行测试，得到了更加准确的测试数据。
(2)设计开发伺服液压缸测试装置(AGC缸试验台)检测系统，有效提高轧机AGC液压缸性能指标测试数据准确性，实现检定数据的采集、处理、调用和自动控制，同时，实现检校记录和检校证书电子化、信息化管理，便于计量数据的追溯，提升检定数据精确性，以满足AGC缸生产企业和使用单位等第三方测试数据的检定、校准工作需求，现已投入使用。
(3)此研究所开发检测系统具有拓展性，为推动检定、校准工作向自动化、智能化发展积累经验。第三方的检定机构可根据实际情况对系统实行通道扩充，有效地提升检定效率。
(4)伺服液压缸生产企业在建设AGC缸试验台时，可以直接采购该装置作为测试部分，只需另外搭建液压和机械部分即可，减少资本，缩短试验设备前期准备周期，提升设备可靠性。
(5)将AGC伺服液压缸检测系统融入到厂级ERP企业管理系统，进行实时远程控制与测试。
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