徐 杰，李 彤

電液位置伺服控制在TRT控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐 杰，李 彤

(馬鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司，安徽馬鞍山243011)

介紹了電液位置伺服控制系統(tǒng)的組成與工作原理，對(duì)TRT靜葉位置伺服控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行了詳細(xì)闡述，在Ovation系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種分段折線算法取代傳統(tǒng)伺服放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜葉位置的控制。

電液位置伺服控制；Ovation控制系統(tǒng)；高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置

1 引言

電液伺服控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁,已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要構(gòu)成。電液位置伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、動(dòng)態(tài)位置剛度和穩(wěn)態(tài)剛度大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制領(lǐng)域。

TRT是利用高爐爐頂?shù)拿簹鈮毫δ芎蜌怏w余熱，通過透平膨脹做功而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的裝置，回收在高爐減壓閥組因強(qiáng)制節(jié)流和形成噪音而消耗掉的能量，同時(shí)又提高了高爐的生產(chǎn)特性和煤氣的使用效率。

在馬鋼二鐵總廠2#TRT靜葉位置伺服控制系統(tǒng)中，利用Ovation系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種分段折線控制算法取代傳統(tǒng)伺服放大器，不僅優(yōu)化了伺服控制系統(tǒng)功能，確保TRT發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，而且降低鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本、減少了設(shè)備維護(hù)[1]。

2 機(jī)組控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

馬鋼二鐵總廠2500 m3高爐的2#TRT透平膨脹機(jī)選用陜西鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)引進(jìn)日本川崎技術(shù)生產(chǎn)的TP3142/2.36-1.146型二級(jí)濕式軸流反動(dòng)式透平膨脹機(jī)，與南汽生產(chǎn)的QF-10-2型容量1250 kVA的發(fā)電機(jī)配套，采用瑞士蘇爾壽柔性聯(lián)軸器直聯(lián)，機(jī)組轉(zhuǎn)速3000 r/min。

控制系統(tǒng)采用了美國(guó)西屋公司的Ovation系統(tǒng)，Ovation是西屋公司的第三代集散系統(tǒng)（DCS），是在WDPF-II系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，該產(chǎn)品提供了全面過程控制管理，它把設(shè)備監(jiān)控、連續(xù)控制、順序邏輯和批處理控制系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2#高爐Ovation系統(tǒng)在使用了9個(gè)控制站和1個(gè)遠(yuǎn)程站，分別用于槽下、爐頂、煤氣清洗、本體、TRT、熱風(fēng)爐、噴煤和制粉，其中5#控制站是不參與檢測(cè)、控制的試驗(yàn)柜?？刂普静捎萌哂嗯渲?，有一個(gè)主處理器和備用處理器，每個(gè)處理器都有自己的NIC網(wǎng)卡。為了保證冗余通訊，一對(duì)冗余的處理器上的NIC分別連接到不同的交換機(jī)。控制站有2條I/ O總線，1條I/O總線可以帶8個(gè)I/O分支，每個(gè)I/O分支上又可以連接8個(gè)I/O模件，因此1個(gè)控制站最多可以帶128個(gè)I/O模件。

Ovation系統(tǒng)操作站使用的硬件平臺(tái)是SUN公司的Ultra 5和Ultra 10計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)使用的是SUN公司的Solaris系統(tǒng)，應(yīng)用軟件是西屋公司的Ovation控制系統(tǒng)。

3 電液位置伺服控制系統(tǒng)

3.1 電液伺服控制簡(jiǎn)介

凡是輸出能以一定的精度自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入變化規(guī)律的自動(dòng)控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為伺服控制系統(tǒng)，而采用液壓控制元件和液壓執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)統(tǒng)稱為液壓伺服系統(tǒng)。電液伺服技術(shù)是將電信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換為液壓功率輸出的電液控制技術(shù)。根據(jù)被控對(duì)象的不同，可以將電液伺服控制系統(tǒng)分為位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)、加速度伺服系統(tǒng)、壓力伺服系統(tǒng)等，圖1是一個(gè)典型的電液位置伺服系統(tǒng)框圖。

圖1 電液位置伺服系統(tǒng)框圖

3.2 電液位置伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成

電液伺服控制系統(tǒng)通過控制調(diào)速閥或透平靜葉的開度來(lái)控制透平機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服控制系統(tǒng)的精度、誤差直接影響著TRT的升速、并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制、爐頂壓力以及過程檢測(cè)等系統(tǒng)控制各階段過程。

傳統(tǒng)的TRT靜葉電液位置伺服控制系統(tǒng)主要控制設(shè)備包括伺服放大器、伺服閥、位移變送器、伺服油缸、電磁閥等，如圖2。

1)伺服放大器：對(duì)控制指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過PID運(yùn)算及功率放大后，送出相應(yīng)的電流信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)伺服閥，并向PLC提供指令信號(hào)丟失和反饋信號(hào)丟失兩項(xiàng)報(bào)警功能及4~20 mA位置指示信號(hào)。

2)伺服閥：將伺服放大器輸出的4~20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓油流量，推動(dòng)伺服油缸運(yùn)動(dòng)，由位移變送器發(fā)出的反饋信號(hào)比較，直至與調(diào)節(jié)信號(hào)相等時(shí)，伺服閥輸出的液壓油流量為0，伺服油缸不再運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)靜葉達(dá)到預(yù)期位置，實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)的目的。

3)液壓鎖：是一種液控方向閥，提供系統(tǒng)在斷電、掉壓時(shí)的保護(hù)。

4)位移變送器：用來(lái)測(cè)量實(shí)際位置信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)4~20 mA送至伺服放大器作為反饋信號(hào)。

圖2 閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)圖

4 2#TRT靜葉伺服控制方案

4.1 電液位置伺服系統(tǒng)閥控曲線分析

控制電氣伺服系統(tǒng)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)（通常為伺服電機(jī)）能夠根據(jù)速度給定改變運(yùn)行速度，響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)特性好，給定與輸出之間呈線性比例關(guān)系；而液壓伺服系統(tǒng)由其液壓油的物理特性決定了其響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)特性都較低，而且在液壓伺服系統(tǒng)啟動(dòng)、停止以及換向時(shí)都會(huì)出現(xiàn)大滯后性，這樣就導(dǎo)致輸出給定與執(zhí)行速度之間的關(guān)系并不是線形的，如圖3，還以控制線性電氣軸的模型來(lái)控制非線性液壓軸時(shí)，速度會(huì)非常不穩(wěn)定，而且位置閉環(huán)會(huì)不停的修正由速度不穩(wěn)定所帶來(lái)的位置偏差，這時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)來(lái)回跳動(dòng)或者抖動(dòng)，造成定位誤差大甚至損壞機(jī)械設(shè)備。所以在控制液壓伺服系統(tǒng)時(shí)就應(yīng)該先了解該系統(tǒng)的給定與輸出之間的關(guān)系，確定補(bǔ)償曲線來(lái)保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖3 電液位置伺服控制系統(tǒng)給定與實(shí)際速度的關(guān)系

4.2分段折線法取代伺服放大器

2#TRT靜葉伺服控制系統(tǒng)由美國(guó)MOOG公司的D634型直動(dòng)式伺服閥、阜新傳感器廠的FX-331A型直流位移傳感器等設(shè)備構(gòu)成。

伺服放大器實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器功能，以馬鋼二鐵總廠1#TRT靜葉伺服控制系統(tǒng)所采用的武漢三熱公司ZPEY-05型伺服放大器為例，ZPEY-05型伺服放大器掃描周期為5 ms以下，執(zhí)行速率非?？?，而一般的DCS系統(tǒng)掃描速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上，如Ovation系統(tǒng)每個(gè)控制器分為5個(gè)任務(wù)區(qū)，其掃描周期分別是任務(wù)區(qū)1為100 ms，任務(wù)區(qū)2為1 s，任務(wù)區(qū)3~5由用戶自定義為100ms~5s。如果在DCS里直接采用PID算法取代伺服放大器來(lái)控制伺服閥，其執(zhí)行速率太慢，無(wú)法滿足TRT靜葉調(diào)節(jié)快速響應(yīng)要求。為了克服這一困難，在Ovation系統(tǒng)里采用分段折線法來(lái)取代伺服放大器，如圖4[2,3]。分段折線程序在任務(wù)區(qū)1，掃描周期100 ms，只需要一個(gè)掃描周期即可輸出靜葉角度控制量，滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)要求。

Ovation系統(tǒng)軟件提供了一個(gè)Power Tools軟件包，利用其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制站和操作站編程。采用Control Builder工具編制控制站用戶程序，編程采用的是SAMA圖，SAMA圖使用的編程工具是AutoCAD。

圖42 #TRT靜葉閥控曲線畫面

分段折線法采用三個(gè)算法塊，先將靜葉角度設(shè)定值、反饋值進(jìn)行歸一化（0~100），兩者經(jīng)過“SUM”算法產(chǎn)生（-100~+100）的偏差；偏差值經(jīng)過“GAINBIAS”比例增益算法轉(zhuǎn)換為（0~100）；比例增益輸出再經(jīng)過“FUNCTION”分段折線算法，將偏差分為9段，分別取不同的分段折線數(shù)值，見表1，最后輸出靜葉角度控制信號(hào)，如圖5。例如“SUM”算法結(jié)果為0，經(jīng)過“GAINBIAS”算法結(jié)果為50，對(duì)應(yīng)的輸出電流值為12 mA，伺服閥輸出液壓油流量為0，油缸不動(dòng)作。

圖52 #TRT靜葉角度控制SAMA圖

表1 分段折線法數(shù)據(jù)表

控制信號(hào)輸出4~20 mA驅(qū)動(dòng)MOOG D634型伺服閥，20 mA時(shí)閥開的速度最快，4 mA時(shí)閥關(guān)的速度最快，12 mA時(shí)保持閥位置不動(dòng)。伺服閥按一定的比例將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成液壓油流量推動(dòng)油缸，帶動(dòng)靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)，完成靜葉角度控制。

5 結(jié)論

通過對(duì)電液位置伺服控制系統(tǒng)的詳細(xì)研究，在DCS系統(tǒng)中采用分段折線算法替代傳統(tǒng)伺服放大器，自2005年2#TRT機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，機(jī)組運(yùn)行安全可靠。而這種控制方式不僅用于2#TRT靜葉控制中，在1#~3#高爐中5個(gè)調(diào)節(jié)閥組中也采用了，而一臺(tái)伺服放大器價(jià)值上萬(wàn)元，直接節(jié)約設(shè)備成本10余萬(wàn)，減少了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]楊逢瑜,電液伺服與電液比例控制技術(shù)[M],北京:清華大學(xué)出版社, 2009.

[2]李權(quán),梁東芳,李秀英,伺服控制技術(shù)在TRT控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J],包鋼科技,2013,39(5):56~59.

[3]張雪敏,Ovation系統(tǒng)在2500m3高爐自動(dòng)控制中得應(yīng)用[J],冶金動(dòng)力,2005,109(3):62~65.

Application of Electro-hydraulic Position Servo System in TRT Control System

Xu Jie,Li Tong
(The Automation Engineering Co.of Maanshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243011,China)

The composition and principle of the electro-hydraulic position servo control system are introduced.The functions of the position servo control system for the fixed blade of TRT are described in detail.A segmented fold line algorithm was designed to replace the traditional servo amplifier in Ovation system to realize position control of fixed blade.

electro-hydraulic position servo control;Ovation control system;TRT

TP27

B

1006-6764（2014）10-0077-04

2014-05-16

徐杰(1980-)男,碩士研究生,2014年畢業(yè)于北京科技大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事電氣傳動(dòng)、自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)的維護(hù)和設(shè)計(jì)工作。