CN100574914C - 冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，由测厚仪通过以太网通信接口将测量的带材出口厚度值发送到以太网网络，控制器使用以太网通信接口，从网络上接收厚度值，进行控制算法的计算，将控制量发送给伺服阀，驱动液压压下油缸，完成一次控制回路的计算；测厚仪依次发送带材出口厚度值，控制器依次接收厚度数据进行计算，完成冷轧机的厚度控制过程。本发明利用以太网使厚度反馈通道由模拟传输变为数字传输，将厚度值由模拟量变为数字量，大大提高了控制精度和抗干扰能力，减少了连接电缆，延长了连接距离，故障诊断和恢复能力显著增强。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，属于冷轧机控制技术领域。
背景技术
在冶金行业，金属压力加工装备冷轧机生产线非常复杂，计算机控制水平较高，自动化控制系统占据着重要的作用。冷轧机的自动化控制系统分为基础自动化系统和过程自动化系统，对于基础自动化系统来说，厚度控制系统是其中关键的组成部分，是保障轧制带材出口厚度精度的关键手段。冷轧机厚度控制系统是通过测厚仪对轧制带材出口厚度进行测量，并根据实测值与给定值进行比较，得到偏差信号，借助于控制回路中控制器的控制程序，计算出最终控制量，发送到液压压下装置中，通过伺服阀改变冷轧机液压压下油缸位置，从而将带材出口厚度控制在允许偏差范围。一个典型的冷轧机厚度控制系统框图如图2所示，在目前的冷轧机厚度控制系统中，测厚仪与控制回路中控制器的反馈连接，都是采用模拟量的连接方式，使用模拟电压或电流进行测量。这种模拟量连接反馈控制回路的方式，存在如下的局限性：
①控制精度低，在测厚仪的模拟信号测量方式中，需要进行多次A/D(模拟量/数字量)和D/A(数字量/模拟量)转换，每次转换都会增加转换误差，使控制精度降低；
②连接电缆多，每个模拟量反馈连接都需要至少两根线，当存在多个模拟量反馈时，连接电缆成倍增加，提高了生产成本。
③连接距离短，使用模拟量反馈连接时，由于传输电缆存在电阻，引起能量损耗及电压降低，因此连接距离一般较短。
④抗干扰能力弱，使用模拟量反馈连接时，模拟电压或电流受周围环境的影响较大，周围环境的电磁场变化容易引起模拟电压或电流变化，降低测量数据精度。
⑤故障诊断及恢复困难，在模拟量反馈连接中，由于电缆及接触点的增加，可能引起故障的情况也增加，使故障的诊断比较困难，并且恢复起来也比较麻烦。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，以测厚仪、以太网、控制器和液压压下装置为厚度控制设备，其特征在于：包括以下步骤——
1)测厚仪通过以太网通信接口，将测量的冷轧机带材出口厚度值发送到以太网网络；
2)控制器通过以太网通信接口，从以太网上接收测厚仪发送的数据，然后进行控制算法的计算；
3)控制器计算后，使用模拟量连接方式输出给液压压下装置的伺服阀进行控制，驱动液压压下油缸，完成一次控制回路的计算过程；
4)测厚仪通过以太网接口依次发送带材出口厚度值，控制器依次接收测厚仪发送的数据进行计算，如此循环，完成冷轧机的厚度控制过程。
进一步地，上述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，包括以下详细步骤——
1)测厚仪和控制器分别进行初始化工作，定义网络通信所需要的IP地址、套接字等数据；
2)测厚仪测量冷轧机出口厚度值，使用UDP协议的网络发送函数，将测量厚度值转换成数据包，发送到以太网上；
3)控制器使用UDP协议的网络接收函数，从以太网上接收数据包，并取出数据包中来源IP地址；
4)控制器比较接收数据包中的来源IP地址与测厚仪的IP地址，如果两者地址相同，则使用数据包中的厚度值计算偏差信号，进行控制回路的计算，得到控制量，输出给伺服阀驱动液压压下油缸；如果两者地址不同，则转给其他程序进行处理；
5)测厚仪与控制器分别完成发送和接收数据运算后，判断当前工作状态是否正常，如果工作正常则继续循环运行，如果异常则转到异常处理程序进行处理。
更进一步地，上述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，所述控制器采用可编程控制器PLC或工业控制计算机IPC。
更进一步地，上述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，传输数据协议的物理层采用以太网的物理层定义，符合IEEE802.3标准规范。传输数据协议的数据链路层采用CSMA/CD协议，符合IEEE802.3标准规范。传输数据协议的网络层采用IP协议，符合TCP/IP网络体系结构。传输数据协议的传输层采用UDP协议，符合TCP/IP网络体系结构。
再进一步地，上述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：以太网通信接口的传输速度为10Mb/s或100Mb/s或1Gb/s。以太网通信接口的连接电缆采用屏蔽双绞线或光缆。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明利用以太网网络反馈测厚仪测量冷轧机带材出口厚度值，将反馈通道由模拟传输方式变为数字传输方式，使带材出口测量值由模拟量变为数字量，减少数据的转换误差，提高了厚度控制系统的精度；
②除了传输带材厚度数据外，测厚仪的其他数据也可以通过以太网传输，这样减少了连接电缆，降低生产成本，而且也减少了可能出现故障的位置，提高了故障诊断和恢复能力；
③由于以太网使用数字量传输，传送信号为高低电平的方式，相对模拟量方式来说，周围环境的电磁场变化不容易引起数据变化，提高了抗干扰能力，也增加了传输距离；
④与现有技术相比，本发明大大提高了控制精度，减少了连接电缆，延长了连接距离，提高了抗干扰能力，增强了故障诊断和恢复能力，具有极好的推广应用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：冷轧机组成结构示意图；
图2：现有技术冷轧机厚度控制系统框图；
图3：OSI/RM参考模型；
图4：TCP/IP网络体系结构；
图5：本发明冷轧机厚度控制系统框图；
图6：本发明冷轧机厚度控制系统组成示意图：
图7：测厚仪软件流程图；
图8：控制器软件流程图。
图中各附图标记的含义见下表：
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 1 | 开卷机 | 2 | 冷轧机 | 3 | 测厚仪 |
| 4 | 板形辊 | 5 | 剪子 | 6 | 卷取机 |
| 7 | 控制器 | 8 | 伺服阀 | 9 | 液压压下油缸 |
| 10 | 以太网 |
具体实施方式
金属加工装备冷轧机组成如图1所示，包括开卷机1、冷轧机2、测厚仪3、板形辊4、剪子5和卷取机6。本发明的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，以测厚仪、以太网、控制器和液压压下装置为厚度控制设备。本发明的冷轧机厚度控制系统如图5所示，冷轧机厚度控制系统组成如图6所示，包括测厚仪3、以太网10、控制器7、伺服阀8和液压压下油缸9，控制器7采用可编程控制器PLC或工业控制计算机IPC，以太网通信接口的连接电缆采用屏蔽双绞线或光缆，以太网通信接口的传输速度为10Mb/s或100Mb/s或1Gb/s。在冷轧机生产中，测厚仪3安装在冷轧机2的出口侧，使用UDP数据传输协议，将测量的带材出口厚度数据发送到以太网10上，发送数据包的目标IP地址为控制器7的IP地址；控制器7从以太网10上使用UDP协议进行接收，接收数据包的源地址为测厚仪3的IP地址。
具体步骤：首先，测厚仪3和控制器7分别进行初始化工作，定义网络通信所需要的IP地址、套接字等数据；
然后，测厚仪3测量冷轧机2出口厚度值，使用UDP协议的网络发送函数，将测量厚度值转换成数据包，发送到以太网10上；
继而，控制器7使用UDP协议的网络接收函数，从以太网上10接收数据包，并取出数据包中来源IP地址；
控制器7比较接收数据包中的来源IP地址与测厚仪的IP地址，如果两者地址相同，则使用数据包中的厚度值计算偏差信号，进行控制回路的计算，得到控制量，输出给伺服阀8驱动液压压下油缸9；如果两者地址不同，则转给其他程序进行处理；
最后，测厚仪3与控制器7分别完成发送和接收数据运算后，判断当前工作状态是否正常；如果工作正常则继续循环运行，如果异常则转到异常处理程序进行处理。
需说明的是，目前计算机网络使用通信线路将分布在不同位置的计算机连接在一起，按照网络进行通信，实现数据传输和资源共享等功能。计算机网络根据网络协议的不同，可分成不同类型网络体系结构。国际标准化组织ISO提出的OSI/RM参考模型，即开放系统互联基本参考模型，已成为国际标准，其体系结构如图3所示，它由七层标准结构组成，分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。目前，最常见的网络体系结构为TCP/IP体系结构模型，如图4所示，它由四层标准结构组成，可分为：网络接口层、网络层、传输层和应用层。以太网协议是由IEEE802.3标准定义的局域网通信协议，定义了OSI/RM参考模型中的物理层和数据链路层，在共享介质上采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议实现数据传输。
本发明网络反馈控制方法中，传输数据协议的物理层采用以太网的物理层定义，符合IEEE802.3标准规范。传输数据协议的数据链路层采用CSMA/CD协议，符合IEEE802.3标准规范。传输数据协议的网络层采用IP协议，符合TCP/IP网络体系结构。传输数据协议的传输层采用UDP协议，符合TCP/IP网络体系结构。
本发明方法作为控制依据的主要程序步骤：
(a)测厚仪首先进行初始化工作，定义发送数据的套接字描述符以及控制器的套接字等数据。然后测量冷轧机带材出口厚度值，将测量数据发送到以太网通信端口，然后执行其他程序，判断测厚仪当前工作状态，如果状态正常，则接着执行循环，反复测量和发送数据；如果出现异常状态，则执行异常处理程序进行异常处理。其程序流程如图7所示。
程序中实现为：
......
int sock_send；
struct sockaddr_in adr_send；
......
While(run)
{
......
Measure(gauge)；
status＝sendto(sock_send，gauge，sendnum，0，
(struct sockaddr*)&adr_send，
sizeof(adr_send))；
......
}
......Exception()
其中，sock_send为所发送数据的套接字描述符，gauge是所发送数据包的指针，sendnum是所发送数据包的字节长度值，adr_send是发送目标即控制器的套接字。run代表当前测厚仪工作状态，如果正常则测厚仪持续测量厚度，然后依次发送数据到以太网上。Exception函数为异常处理程序。语句中符号“......”表示省略。
(b)控制器首先进行初始化工作，定义接收数据的套接字描述符以及测厚仪的套接字等数据。然后控制器从以太网通信端口接收数据，如果数据包的源地址是测厚仪的IP地址，则取出测量厚度值，与基准厚度值进行比较，获得偏差信号，进行控制回路的计算，并将计算出的控制量发送给伺服阀，从而驱动液压压下油缸，改变带材出口厚度。如果数据包的源地址不是测厚仪的IP地址，则由其他程序进行处理。最后，判断控制器当前工作状态，如果状态正常，则接着执行循环，反复接收数据和进行控制回路的计算。如果出现异常状态，则执行异常处理程序进行异常处理。其程序流程如图8所示。
程序中实现为：
......
int sock_recv；
struct sockaddr_in adr_recv；
struct sockaddr_in adr_source；
......
While(run)
{......
status＝recvfrom(sock_recv，gauge，recvnum，0，
(struct sockaddr*)&adr_source，
&recvlength)；
......
if(adr_source.sin_addr.s_addr＝adr_recv.sin_addr.s_addr)
{
Calculate(error)；
Controlloop(output_value)；
......
}
......
}
Exception()......
其中，sock_recv为所接收数据的套接字描述符，gauge是所接收数据包的指针，recvnum是所接收数据包的字节长度值，adr_source是所接收数据包中的来源套接字，adr_recv是测厚仪的套接字。adr_source.sin_addr.s_addr与adr_recv.sin_addr.s_addr进行比较，用于判断接收数据包中来源IP地址与测厚仪IP地址是否相同。error是计算出的厚度偏差，output_value是控制器根据偏差信号计算出的控制量。run代表当前控制器工作状态，如果正常则控制器持续接收厚度值，然后计算出控制量发送给伺服阀，驱动液压压下油缸。Exception函数为异常处理程序。语句中符号“......”表示省略。
综上所述，本发明利用以太网使厚度反馈通道由模拟传输变为数字传输，将厚度值由模拟量变为数字量，提高控制精度，减少连接电缆，延长连接距离，显著提高抗干扰能力，大大增强故障诊断和恢复能力，应用前景看好。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (9)
1.冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：包括以下步骤——
1)测厚仪测量冷轧机带材出口厚度值，通过以太网通信接口，将所测量的冷轧机带材出口厚度值发送到以太网网络；
2)控制器通过以太网通信接口，从以太网上接收测厚仪发送的数据，然后进行控制算法的计算；
3)控制器计算后，使用模拟量连接方式输出给液压压下装置的伺服阀进行控制，驱动液压压下油缸，完成一次控制回路的计算过程；
4)测厚仪通过以太网接口依次发送带材出口厚度值，控制器依次接收测厚仪发送的数据进行计算，如此循环，完成冷轧机的厚度控制过程。
2.根据权利要求1所述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：包括以下详细步骤——
1)测厚仪和控制器分别进行初始化工作，定义网络通信所需要的IP地址、套接字数据；
2)测厚仪测量冷轧机出口厚度值，使用UDP协议的网络发送函数，将测量厚度值转换成数据包，发送到以太网上；
3)控制器使用UDP协议的网络接收函数，从以太网上接收数据包，并取出数据包中来源IP地址；
4)控制器比较接收数据包中的来源IP地址与测厚仪的IP地址，如果两者地址相同，则使用数据包中的厚度值计算偏差信号，进行控制回路的计算，得到控制量，输出给伺服阀驱动液压压下油缸；如果两者地址不同，则转给其他程序进行处理；
5)测厚仪与控制器分别完成发送和接收数据运算后，判断当前工作状态是否正常，如果工作正常则继续循环运行，如果异常则转到异常处理程序进行处理。
3.根据权利要求1或2所述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：所述控制器采用可编程控制器PLC或工业控制计算机IPC。
4.根据权利要求1或2所述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：传输数据协议的物理层采用以太网的物理层定义，符合IEEE802.3标准规范。
5.根据权利要求1或2所述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：传输数据协议的数据链路层采用CSMA/CD协议，符合IEEE802.3标准规范。
6.根据权利要求1或2所述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：传输数据协议的网络层采用IP协议，符合TCP/IP网络体系结构。
7.根据权利要求1或2所述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：传输数据协议的传输层采用UDP协议，符合TCP/IP网络体系结构。
8.根据权利要求1或2所述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：以太网通信接口的传输速度为10Mb/s或100Mb/s或1Gb/s。
9.根据权利要求1或2所述的冷轧机厚度控制系统的网络反馈控制方法，其特征在于：以太网通信接口的连接电缆采用屏蔽双绞线或光缆。
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