实现TCS冗余系统的数字化控制策略

申 敏

(山钢股份莱芜分公司自动化部，山东 莱芜 271104)

0 引言

生产过程自动化、连续化、高精度化是钢铁企业提高产品质量、保证生产过程优化控制的重要环节。钢铁企业自动化控制系统—般由过程控制计算机系统完成。影响系统稳定可靠性的因素有很多，其中，检测元件故障率高和维修效率低成为制约生产顺行的瓶颈因素。因此，提高系统的稳定可靠性、降低废钢率，是轧钢企业首要考虑的问题。

在现代轧钢自动化控制领域，采用循迹控制系统(traction control system，TCS)控制技术、静态自动增益控制(automatic gain control，AGC)、动态 AGC、液压辊缝控制(hydraulic roll gap control，HGC)相结合的方式，计算辊缝位置和静态补偿量，并根据辊缝校准时采样轧制力点与轧辊、机架形变量构造的弹性曲线，计算实时形变补偿量，可迅速实现精轧机过程控制。TCS系统在响应速度、精度等方面具有很强的优势，满足现代轧钢企业自动化控制的要求。

本文在充分研究现有TCS控制系统的基础上，将带前馈的回路调节控制、热备冗余技术、编码器预警诊断技术应用到该系统中，并通过现场的应用验证了该策略的可行性。

1 基本功能描述

大H型钢TCS控制系统是由德国Eckelmann公司开发的液压高速控制系统，控制周期为3 ms。主控系统是以Windows XP RTX 5.5高速实时系统以及E.Pro BAS-MP V2.04软件作为系统运行平台。采用基于IEC 61131标准的LogiCAD/32图像编辑软件、基于电参数分析系统(electric data analysis system，EDAS)的就地诊断和参数化工具DIPAS，以及ProDB数据库处理软件程序进行程序开发，以快速获得和记录过程数据和重要参数，实时跟踪错误状态，动态诊断报警和故障信息。

TCS系统现场执行机构主要由现场伺服阀、先导阀来执行输出，线性磁尺、压力传感器用来实现反馈。它们与TCS程序运算控制单元共同组成了一个闭环系统［1-3］。

2 通信及硬件配置

TCS冗余系统的实现是在满足硬件系统的初始标准——德国工业标准(DIN)和德国电工组织规范(VDE)的基础上，对冗余检测元件的信号模板配置、电源供应及硬件连锁进行完善和改进。

2.1 通信网络

TCS的通信方式主要包括TCP/IP协议和Profibus-DP开放式现场总线协议这两种协议，用于传感器和执行器级的高速数据传输。采用TCP/IP协议，TCS工控机通过TCS交换机和一级交换机与一级PLC交换数据。一方面，TCS工控机与PDA工控机通过光纤传输，实现对现场数据的采集、存储、传输和历史趋势查看等功能;另一方面，由于在TCS工控机中设有专门的DP通信模板，且采用Profibus-DP协议，因此通过DP-DP中继器与一级系统通信。TCS的通信网络图如图1所示。

图1 通信网络配置图Fig.1 Configuration of communication network

以太网通信方式主要用于传输模式数据、系统数据和设定数据。这些数据主要是一级PLC控制轧制状态以及设定轧机设备数据和轧钢时设定的各种参考值，如轧机平辊液压缸面积、轧机平辊间无轧辊时的最大距离、各道次参考辊缝、各道次参考轧制力等。Profibus-DP通信方式主要传输实时数据，如轧机轧制实时轧制力和实时辊缝等［4-6］。

2.2 硬件配置

控制系统的硬件平台使用Commel FS-978作为CPU中央处理模板，使用PX-20S3-R2 V2.0综合模板作为硬件背板。系统分别采用由ADDI-DATA公司生产的 APCI-1710、SST 5136-PFB-PCI及 APCI 3120-16-8模板进行SSI磁尺脉冲信号、远程200站数字量信号、压力传感器和伺服控制器模拟量信号的数据传输，同时采用IBA FOB I/OS模板来完成与PDA系统的实时信息通信。控制系统的硬件组态是在LogiCAD 32软件中进行的。

在该冗余系统中，由于需要增加现场检测元件，因此需要增加模板数量，重新对硬件进行配置。在串列轧机上共有24个主通道压力传感器、24个副通道压力传感器、22个主通道线性磁尺、20个副通道磁尺、86个先导阀以及42个伺服阀。针对增加的20个副缸磁尺和24个压力传感器，需增加APCI-1710模板一块，共12个通道，用于处理冗余磁尺的脉冲信号;增加APCI 3120-16-8模板一块，用于处理压力传感器的模拟量信号。同时，为了数据记录的需要，新增PDA记录模板IBA FOB I/OS一块。

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冗余模板添加完成后，需在硬件中添加相应的冗余元件型号。之后，需要对所有的冗余元件进行相应的信号转换、电源供应等现场处理。

在LogiCAD 32中打开RT-page，修改现有的硬件配置。修改后需要与目标系统的初始化文件进行匹配并且重新启动配置生效。Profibus模板的初始化文件可以自动生成并且下装到目标系统中。利用鼠标右键打开Profibus模板右键菜单并且选择生成初始化文件Generate ini file，完成冗余系统的硬件配置。

3 数字化控制策略

3.1 反馈校正

TCS闭环控制回路校正原理图如图2所示。

图2 TCS闭环控制回路校正原理图Fig.2 The control system with correction device

用反馈校正装置包围待校正系统，从而使对动态性能改善有重大妨碍作用的环节形成一个局部反馈回路。在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围部分无关。适当选择反馈校正装置的形式和参数，可以使已校正系统的性能满足给定指标的要求。这是反馈校正的基本原理，TCS冗余系统正是利用了这一原理，实现了整个控制系统的闭环控制回路中的校正。

冗余系统以1∶1的形式进行冗余，两个磁尺一主一从，参与控制的磁尺为主。系统有主回路和副回路之分，一般主回路只有一个，而副回路可以是一个或多个。主回路的输出作为副回路设定值修正的依据，副回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象。

系统的主反馈回路接通以后，被局部反馈包围部分的传递函数为:

校正后系统特性基本与被反馈校正装置包围的环节无关。当|G2(s)GC(s)|＜＜1时，有:

校正后系统特性与待校正系统特性一致。因此，可以选择反馈校正装置的参数，使已校正系统的特性发生期望的变化。

反馈校正具有如下特点:①削弱非线性特性的影响，有助于削弱被包围环节非线性影响的功能;②减小系统的时间常数，降低系统对参数变化的敏感性。

TCS系统采用位置控制闭环回路和压力控制闭环回路相互耦合的串级控制，压力控制回路作为被局部反馈包围部分回路，位置控制作为串级控制的主控制回路。在串列轧机每道次轧制完成之后，在TCS内部通过对现场测量传回的参数进行一系列复杂的计算，得到下一道次的辊缝数据，实现本道次辊缝控制。由现场压力传感器、线性磁尺测量的数据经传感变送给TCS内部，经程序比较后将控制偏差传给调节器，从而控制调节阀的开口度，实现对液压缸行程量的控制。

3.2 死区补偿

在冗余系统调试前期，对主从磁尺的信号进行细致的对比分析，发现冗余磁尺信号的低频波动范围在2 mm之内，这样大的低频波动会使控制系统的输出进入无序的低频振荡中，从而降低系统的控制精度。这是由冗余磁尺的配套安装设备决定的。为了提高冗余磁尺信号的稳定性和控制精度，在冗余系统中针对冗余信号增加了比例控制器。采用比例控制器是一种比较理想的选择。

由于“死区”的影响，系统会存在静差，且静差的大小会随“死区”环节参数的变化而变化。为了消除死区的影响，通常用“死区逆模型”来补偿控制器的输出，即建立补偿器输出与偏差信号的函数关系。对象的传递函数为:

当控制器采用P控制时，死区参数为bl=-0.5、br=0.2、m=1，其中 bl、br为死区参数的真实值，m 表示传递函数的阶数。输入单位阶跃信号时系统的输出仿真结果如图5所示(仿真中ε=0.005)。

图3 仿真输出结果Fig.3 the result of simulation output

图3中，曲线1为系统不出现死区时的正常输出，曲线2为有死区环节且加入补偿环节后系统的响应输出，曲线3为有死区环节但是无补偿下系统的输出。

由图3可知，在没有加入补偿时，死区的出现使系统的动态特性发生了很大的变化，系统的响应时间变慢，且稳态输出完全偏离理想值，静态偏差相当大。当加入补偿环节之后，系统的响应速度明显变快，超调量变小，调节时间变短，稳态响应最终趋近于无死区时系统的输出。这说明当死区和控制器的参数发生变化时，加入补偿器后系统的输出仍能满足要求。试验结果说明该补偿效果显著。

3.3 编码器预警诊断技术

系统的控制程序由LogiCAD软件进行编写和编译。使用LogiCAD编写的控制程序，被编译转化成C代码程序并上传到工控计算机，C代码程序可以实现更复杂的逻辑控制，并且使得处理数据量大大增加。因此利用编码器自带预警功能，将信号引入TCS，通过C代码程序进行逻辑转换和分析，可使系统一旦发现问题立即发出报警，提醒维护人员哪台编码器故障。

系统产生三种报警:静态错误、事件错误和警报。报警等级分一般故障和紧急故障。一般故障发出后系统跳过本警告且轧钢继续;紧急故障发出后系统自动将此编码器从网络中删除，转入冗余备用系统，轧钢继续。系统以警告的形式提供故障信息，事件和静态信息在维护系统上显示。信息分析将存档，用户通过存档文件可以查看历史记录［7-9］。

为了保证轧钢精度，要求控制系统的控制周期非常短，目前的控制周期是3 ms。SSI磁尺在300 mm之内的测量精度是3.7 kHz。控制系统通过统计单位时间内磁尺反馈信号高峰值的数量来监控磁尺工作状态。具体方法是:在两次扫描周期(3 ms)之间磁尺的信号峰值超过3 mm后，系统会维持当前信号5个扫描周期，控制系统发出报警，但不会中止运行;如果信号峰值在3 s内持续出现或者3 s内出现20次以上，系统就会发出故障报警并中止运行。此时磁尺的运行状态已经不能满足系统控制要求。当磁尺的信号小于等于0时，系统显示磁尺出现故障并报警。

诊断工具可以在WINHmi画面用＜F12＞键打开，或者通过执行iosdiag.exe文件在C:ProLcExtin C:ProLcExtin路径下启动。输入信号在任何时候都可以读取，但输出信号的写入只能在运行诊断操作的时候进行。

冗余系统延伸了原控制系统的在线诊断功能，不仅添加了冗余元件的在线监控，而且增加了元件在线诊断主从处理机制。如当在线诊断功能始终运行时，为了减少冗余元件的报警及故障报警对系统的影响，控制系统只显示主磁尺的故障报警，而对从磁尺只显示状态监控的报警信息。

4 结束语

TCS冗余系统的数字化控制策略的实现，克服了进入副回路的二次扰动，增强了负荷变化的适应性，提高了系统的控制质量、控制精度和工作效率，同时为日常的维护工作提供了便利条件。冗余检测元件被安装在液压缸外，首先做到了与介质分离，一旦磁尺发生故障，程序作出判断，将自动切换到冗余磁尺，节省了大量的故障处理时间。检测元件的热备冗余，既改善了检测元件的工作环境，又做到了拆装方便，实现了元件快速更换及故障的快速处理。

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