軋機AGC液壓缸智能檢測系統平臺研發

郭媛，李青鋒，鄧江洪，李世超

( 1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學精密制造研究院，湖北武漢 430081;3.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430081)

0 前言

在軋機板厚控制系統中，軋機AGC液壓缸是冶金軋機的關鍵設備之一，其性能決定了產品質量[1]，因此，冶金行業對軋機AGC液壓缸的性能指標要求嚴格。目前，針對軋機AGC缸靜動態特性性能指標的測試，只能依靠AGC液壓缸生產廠家自行進行專項測試[2]，但是缺少實時遠程控制與測試、模塊化操作平臺、更加準確的測試方法及第三方測試數據的檢定、校準工作進行驗證。基于此，本文作者開展了軋機AGC液壓缸的第三方檢測系統平臺研發。

1 軋機AGC液壓缸

連續鑄鋼機與連軋機組成連鑄連軋機，液態高溫鋼水進入連鑄機的結晶器后，經過連鑄連軋機，產出的成品就是熱軋鋼卷，該設備生產率高，收得率高[3]。連軋機液壓AGC系統對提高鋼帶產品質量十分重要，根據彈跳方程軋制理論，結合實測輥縫、板厚、軋制力和期望板厚，軋機AGC液壓缸通過閉環軋制模型分析進而控制伺服閥實現下壓位移，實現軋機輸出端板型及板厚精確輸出[4-6]。圖1所示為連鑄連軋工作過程簡圖。

圖1 連鑄連軋工作過程Fig.1 Work process of continuous casting and rolling

AGC缸作為液壓系統重要執行機構之一，通常裝配于軋機牌坊上部(或下部)，包含活塞、柱塞等結構形式[7-8]。圖2所示為AGC缸結構簡圖，包含缸體、活塞、缸蓋、密封件、防塵配件、導向套及內置(或外置)傳感器等結構部分[9]。

圖2 AGC缸結構Fig.2 Structural of AGC cylinder

為模擬實際工況測試，此試驗利用機架彈性變形進行比例/伺服控制液壓缸的試驗項目測試[10]。根據國家在2015年發布《液壓傳動 比例/伺服控制液壓缸的試驗方法》，開發檢定的試驗項目包括：頻率特性測試、階躍響應測試、帶載動摩擦力測試、啟動壓力測試、偏擺測試等[11]。

2 試驗臺液壓系統

圖3所示為AGC缸性能檢定系統原理。該試驗系統的控制原理是創建一套與液壓試驗臺相互連接、具備數據采集功能、計算機控制功能的性能測試檢定系統，上位機主動對伺服閥發送控制信號，從而實現AGC缸運行。待測試缸的模擬加載通過機架的彈性變形實現，待測試缸的活塞位置變化由增減調節塊的方式來實現，待測試缸的位移變化由控制系統來實現。此外，AGC缸性能檢定系統實時功能可在線分析試驗過程參數變化并顯示在上位機上，最后將測試檢定結果以報告的形式打印輸出，供檢測人員分析使用[12]。

圖3 AGC缸性能測試檢定系統液壓原理Fig.3 Hydraulic schematic of AGC cylinder performance test and verification system

3 檢測系統平臺架構

圖4所示為AGC缸檢測系統平臺架構。

圖4 AGC缸檢測系統平臺架構Fig.4 Platform architecture of AGC cylinder testing system

圖4中，采用計算機作為上位機，將AGC伺服液壓缸測試裝備融入到廠級ERP企業管理系統，進行實時控制與測試。上位機采用以太網與控制器實現數字通信，減小因模擬信號在傳輸過程中的衰減及消除外界干擾產生的信號失真；根據廠方提供的ERP企業管理系統網絡接口標準，將關鍵測試數據與ERP企業管理系統連通，實現AGC測試系統在廠級范圍內，按授權級別進行遠程監測、存儲。控制部分采用西門子PLC 1500作為主控制器，配套智能工藝模塊及進口SONY信號轉換模塊，接入AGC缸高精度SONY和MTS位移傳感器，配套16位模擬量輸入模塊接入模擬量位移傳感器及壓力等傳感器，實時采集傳感器信號，配套模擬量輸出模塊向伺服閥與比例閥施加指令信號；采用現有PLC 300作為控制器子站，對原有油源液壓元件、電機啟動元件進行控制；觸摸屏和計算機作為上位機，觸摸屏和計算機均可實現控制指令輸出與測試曲線繪制；測試部分采用USB 6003多功能數據采集卡作為計算機與信號監測元件之間的硬件接口，通信及控制軟件采用基于Visual Basic開發設計。計算機系統采用OPC Severs平臺與PLC進行數據交換，通過NI采集卡驅動軟件NI MAX對USB 6003數據采集卡進行上位機驅動環境配置[13]。

為解決上位機與PLC之間數據傳輸速度問題，開發專用測試檢定模塊，在PLC中開辟高速數據存儲空間，實現動態測試指令信號及實時測試數據在PLC內部高速生成、采集、存儲，當單個頻段測試完畢后，計算機主動獲取存儲數據包進行該頻段的幅頻值計算，然后發出下一頻段測試指令。對于測試數據傳輸速度要求低的靜態測試項目，傳感器信號直接在計算機測試界面進行實時繪制。

采用智能閉環控制算法替代原物理開閉環放大器，以軟件方法實現動態測試項目的位置閉環控制與靜態測試項目的開環控制，控制參數在測試界面進行設置，消除物理開閉環放大器性能對測試精度的影響，提高測試系統閉環參數設置的靈活性和速度。

測試系統平臺開發根據測試檢定項目編制控制程序，將各項目測試檢定全流程的操作步驟進行程序化，包括通過方向閥實現的油路切換、開閉環控制模式切換、電機啟停、伺服缸位置找0。

4 檢測系統平臺研發

檢測系統采用Windows平臺， 開發工具為基于Visual Basic[14-15]。

4.1 檢測系統平臺需求分析

根據軋機AGC液壓缸靜動態特性性能指標測試技術特點，檢測系統平臺研發采用模塊化編程。在Visual Basic平臺完成人機交互界面的開發，主要包括板卡、頻率特性、階躍響應、動摩擦力、啟動壓力、偏擺等測試項目，參數設置、保存、讀取和打印等功能。檢測系統平臺操作流程如圖5所示。

圖5 檢測系統平臺操作流程Fig.5 Operation process of testing system platform

4.2 檢測系統平臺界面開發

根據軋機AGC液壓缸靜動態特性檢測需求可知，檢測項目包括頻率特性、階躍響應、動摩擦力、啟動壓力、偏擺等測試。

檢測系統平臺界面的設計基于這5個測試項目，每種項目對應唯一界面，這種模塊化設計使使用者目標明確、操作簡單方便。檢測系統主界面如圖6所示。

圖6 檢測系統主界面Fig.6 Main interface of testing system

4.3 檢測系統功能模塊設計

檢測系統設置有板卡、頻率特性、階躍響應、動摩擦力、啟動壓力、偏擺等測試界面。在項目界面(除板卡測試界面)均設置有“狀態顯示區”，來實時顯示相關參數；“標尺控制區”，可控制繪圖區域顯示范圍；“進度控制和數據處理區”，由“送檢輸入”、“開始測試”、“停止測試”、“保存數據”、“讀取數據”、“打印預覽”及“參數設置”等七大部分組成，可對進行中的項目的進度以及產生的數據進行控制[16]。圖7所示為檢測系統功能模塊結構。

圖7 檢測系統功能模塊結構Fig.7 Functional module structure of testing system

具體描述如下：

(1)板卡測試

在進行對應項目前，應檢查試驗所用的數據采集卡中各個通道的功能是不是滿足試驗要求，因此打開軟件后默認顯示“板卡測試”界面。板卡測試可輸出項目所需信號、記錄信號以及對其所有模/數(或數/模)通道的輸出波形進行正確性檢測。

(2)頻率特性測試

軟件在正弦輸入信號下，輸出待測試缸的輸入和響應信號振幅比(或相位差)隨信號頻率關系。“標尺控制區”用于設置掃描起點和掃描終點；“參數設置”用于設定輸出正弦波的頻率規模、掃描點數、給定幅值、偏置、壓力狀態；“送檢輸入”用于設置“幅頻寬標定值”和“相頻寬標定值”；“保存數據”用于當前項目執行結果的保存，保存地址為軟件在計算機中安裝目錄下的一個與當前項目同名的文件夾(首次執行時自動生成該文件夾)；“讀取數據”用于選擇“保存數據”時的文件夾下需讀取測試結果文件(文件后綴為“.csv”)并讀取歷史測試數據；“打印預覽”用于查看項目數據曲線的輸出結果；“打印”用于設置保存文件格式、存儲位置以及輸出紙質曲線報告。

(3)階躍響應測試

在階躍輸入信號下，輸出待測試缸的位移隨時間關系。“標尺控制區”用于設置測試時間和位移；“參數設置”可給定液壓缸階躍增量，給定伺服閥初始位移量以及當前壓力狀態；“送檢輸入”用于設置階躍響應時間標定值。

(4)動摩擦力測試

在給定輸入信號下，輸出待測試缸的帶載荷摩擦力與位移關系。“標尺控制區”用于設置推力和位移；“參數設置”可給定伺服閥的初始位移及其最大增幅、比例閥(背壓)的初始電壓量和最大電壓量以及油缸的活塞直徑和活塞桿直徑。“送檢輸入”用于設置動摩擦力標定值、活塞直徑以及活塞桿直徑。

(5)啟動壓力測試

在給定輸入信號下，輸出待測試缸的空載啟動壓力隨時間的關系，從而分析出啟動摩擦力的精確值。“標尺控制區”用于設置壓力、位移和時間；“參數設置”用于設置伺服閥的步進增幅和最大給定量、油缸的活塞直徑和活塞桿直徑、活塞的運動閾值和最大位移量以及當前壓力狀態；“送檢輸入”用于設置壓力標定值、摩擦力標定值、活塞直徑以及活塞運動閾值。

(6)偏擺測試

在給定負載輸入下，輸出待測試缸活塞桿偏擺量的檢測。“標尺控制區”用于設置位移和時間；“參數設置”可給定輸出最大位移值以及當前壓力狀態；“送檢輸入”用于設置偏擺標定值和測試最大行程。

5 測試數據分析

使用該檢測系統，針對企業關于Ф 700/600-205型AGC缸的送檢數據進行處理分析，圖8—圖12所示為檢測運行結果曲線。

圖8所示為頻率響應特性檢測，此標定系統測試幅頻寬為3.57 Hz，相頻寬為7.32 Hz；送檢系統測試幅頻寬為3.57 Hz，相頻寬為7.32 Hz，幅頻寬誤差率為0.0 %，相頻寬誤差率為0.0 %。

圖8 頻率響應特性檢測Fig.8 Frequency response characteristic testing

圖9所示為階躍響應特性檢測，此標定系統測試階躍響應時間為34 ms，送檢系統測試階躍響應時間為34 ms，階躍響應時間誤差率為0.0 %。

圖9 階躍響應特性檢測Fig.9 Step response characteristic testing

圖10所示為動摩擦力特性檢測，此標定系統測試動摩擦力為130 kN，送檢系統測試動摩擦力為130.988 kN，動摩擦力誤差率為0.8 %。

圖10 動摩擦力特性檢測Fig.10 Dynamic friction characteristic testing

圖11所示為起動壓力特性檢測，此標定系統壓力值為0.387 MPa，啟動摩擦力為326.5 kN；送檢系統壓力值為0.344 MPa，啟動摩擦力為326.525 kN，壓力誤差率為-11.1 %，啟動摩擦力誤差率為0.0%。

圖11 起動壓力特性檢測Fig.11 Starting pressure characteristic testing

圖12所示為偏擺特性檢測，此標定系統偏擺值為0.109 mm，送檢系統偏擺值為0.107 mm，偏擺誤差率為-1.6 %。

圖12 偏擺特性檢測Fig.12 Yaw characteristics testing

6 結論

通過對軋機AGC液壓缸智能檢測系統平臺的研究，得到了如下結論：

(1)為模擬現場實際工況測試，此試驗利用機架彈性變形進行測試，得到了更加準確的測試數據。

(2)設計開發伺服液壓缸測試裝置(AGC缸試驗臺)檢測系統，有效提高軋機AGC液壓缸性能指標測試數據準確性，實現檢定數據的采集、處理、調用和自動控制，同時，實現檢校記錄和檢校證書電子化、信息化管理，便于計量數據的追溯，提升檢定數據精確性，以滿足AGC缸生產企業和使用單位等第三方測試數據的檢定、校準工作需求，現已投入使用。

(3)此研究所開發檢測系統具有拓展性，為推動檢定、校準工作向自動化、智能化發展積累經驗。第三方的檢定機構可根據實際情況對系統實行通道擴充，有效地提升檢定效率。

(4)伺服液壓缸生產企業在建設AGC缸試驗臺時，可以直接采購該裝置作為測試部分，只需另外搭建液壓和機械部分即可，減少資本，縮短試驗設備前期準備周期，提升設備可靠性。

(5)將AGC伺服液壓缸檢測系統融入到廠級ERP企業管理系統，進行實時遠程控制與測試。