電液位置伺服控制在TRT控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、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 )【摘 要】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。【關(guān)鍵詞】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(guò)程控制

2、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(guò)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

3、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(guò)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?？刂普静捎萌哂嗯渲茫幸粋€(gè)主處理器和備用

4、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

5、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。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(guò)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(guò)程檢測(cè)等系統(tǒng)控制各階段過(guò)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

6、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(guò) 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 420 mA 位置指示信號(hào)。2)伺服閥：將伺服放大器輸出的 420 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)

7、應(yīng)的電流信號(hào) 420 mA 送至伺服放大器作為反饋信號(hào)。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

8、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。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)行速率非常快，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

9、 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) 35 由用戶自定義為 100ms5s。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 42,3。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

10、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。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（0100），兩者經(jīng)過(guò)“SUM”算法產(chǎn)生 （-100+100） 的偏差；偏差值經(jīng)過(guò)“GAINBIAS”比例增益算法轉(zhuǎn)換為（0100）；比例增益輸出再經(jīng)過(guò)“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(guò)“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?？刂菩盘?hào)輸出 420 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(guò)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