CN101176885A - 利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，以入口测厚仪、以太网、控制器和液压压下装置为厚度控制设备，入口测厚仪增加以太网通信接口，然后同时通过模拟通道和数字通信网络传送厚度数据；控制器接收两种传输方式的数据，如果模拟通道发生故障，则使用网络接口的数据作为前馈值；控制器根据前馈值进行计算，输出控制量给液压压下装置的伺服阀进行控制，完成控制器的计算过程。本发明利用冗余前馈以太网，将前馈通道由单独的模拟量传输改变为由模拟量和数字网络同时传输的方式，延长了系统的持续运行时间，实现了传输通道的故障诊断和处理，提高了冷轧机厚度控制系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，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由多种设备组成，工艺流程也比较复杂，计算机控制水平较高，自动化控制系统在其中占据着重要的作用。冷轧机的自动化控制系统，可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，使用反馈控制方法时，从带材出口测量厚度，不可避免会产生过渡过程滞后，限制控制精度的提高。为了克服反馈滞后的缺点，可采用厚度控制系统的前馈控制方法。冷轧机厚度控制系统的前馈控制，是通过测厚仪对轧制带材入口厚度进行提前测量，并根据实测值与给定值进行比较，得到偏差信号，借助于控制器中的控制程序，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。
冷轧机厚度控制系统前馈控制属于开环控制系统，一个典型的前馈控制框图如图2所示，在目前的冷轧机厚度控制系统中，测厚仪与控制器的前馈连接，都是采用单独模拟量的连接方式，使用模拟电压或电流进行测量。这种单独模拟量连接前馈通道的方式，由于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，抗干扰能力较弱，发生故障的可能性较高。当模拟通道发生故障时，常常引起控制系统出错或失效，使得控制系统性能下降甚至停止运行。
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。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，以入口测厚仪、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)入口测厚仪增设以太网通信接口，入口测厚仪测量带材入口厚度，同时通过模拟通道和数字通信网络传送厚度数据，模拟通道采用模拟电缆连接方式，数字通信网络采用以太网通信方式传输；
2)控制器接收两种传输方式的数据，通过以太网通信接口从网络上接收测厚仪发送的数据，通过模拟量/数字量转换模块接收从模拟通道发送的数据；
3)在控制器接收数据过程中，如果模拟通道发生故障，不能正常接收数据，则直接使用网络接口的数据作为前馈值进行计算；如果模拟通道和前馈网络全部正常收到数据，使用模拟通道数据；如果数字通信网络发生故障，不能正常接收数据，使用模拟通道数据；
4)控制器根据前馈值进行计算，输出控制量给液压压下装置的伺服阀进行控制，驱动液压压下油缸，完成一次控制器的计算过程；
5)入口测厚仪依次发送带材入口厚度值，控制器依次接收入口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，上述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，包括以下详细步骤——
1)入口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)入口测厚仪测量轧机入口厚度值，通过模拟通道方式传输数据，同时使用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)控制器通过模拟量/数字量转换模块接收模拟通道的数据，同时采用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，比较接收数据包中的来源IP地址与入口测厚仪的IP地址，如果两者地址相同，则使用数据包中的厚度值，如果两者地址不同，则抛弃此数据包；
4)比较控制器从两种通道接收的数据，如果控制器从模拟通道接收数据为空，说明此时模拟通道发生故障，使用以太网接口接收的数据；如果控制器从以太网接收数据为空，说明此时以太网通道发生故障，使用模拟通道接收的数据；如果两种通道接收的数据都为空，说明全部发生故障，此时提示报警信息，转人工处理；
5)根据判断后取得的数据，作为厚度前馈值进行控制器的计算，得到控制量，输出给伺服阀驱动液压压下油缸；
6)入口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，上述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，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，上述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，网络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。网络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。网络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。网络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，上述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，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：
本发明利用冗余前馈以太网，增加了厚度前馈通道的数量，将前馈通道由单一的模拟量传输改变为由模拟量和数字网络同时传输的方式，当模拟传输通道发生故障时，使用数字网络传输数据来保障控制器的正常运行，当数字网络传输发生故障时，使用模拟通道传输数据来保障控制器的正常运行，有效解决了系统由于单独通道故障而引起的控制系统失效问题，延长了系统的持续运行时间，实现了传输通道的故障诊断和处理，从而大大提高了冷轧机厚度控制系统的性能，带来了极为深远的技术意义和应用价值。
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：本发明厚度控制系统框图；
图6：本发明厚度控制系统组成示意图：
图7：入口测厚仪软件流程图；
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 | 入口测厚仪 |
| 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 | 11 | 模拟通道 |
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、入口测厚仪3、板形辊4、剪子5和卷取机6。本发明利用冗余前馈网络提高冷轧机厚度控制性能，以入口测厚仪、以太网、控制器和液压压下装置为厚度控制设备。本发明的厚度控制系统如图5所示，厚度控制系统组成如图6所示，包括入口测厚仪3、以太网10、模拟通道11、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，入口测厚仪3安装在冷轧机2的入口侧，当采用模拟通道11连接方式时，使用屏蔽电缆直接从入口测厚仪3连接到控制器7；当采用数字以太网连接方式时，使用UDP数据传输协议，将测量的带材入口厚度数据发送到以太网10上，发送数据包的目标IP地址为控制器的IP地址。控制器7也采用两种传输方式接收数据，当采用模拟通道连接方式时，使用模拟量/数字量转换模块直接接收测厚仪产生的模拟数据，然后内部转换为数字量使用；当采用数字以太网连接方式时，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入口测厚仪3的IP地址，接收的数据直接为数字量形式。
在两种数据传输方式中，如果有任何一种方式接收不到数据，说明这种传输方式发生故障，采用另一种正常传输的数据。例如，当模拟通道11发生故障时，控制器7不能接收模拟数据，此时在控制器计算过程中采用数字以太网10通道接收的数据；当数字网络通道发生故障时，以太网接口不能接收数据，此时在控制器计算过程中采用模拟通道11接收的数据。如果两种传输方式都可以正常接收数据，使用模拟通道11连接数据。
本发明的冗余前馈网络即配置重复前馈网络通道，当模拟通道发生问题时，使用配置的前馈网络提供的数据，从而延长系统持续运行时间，实现传输通道的故障诊断和处理，提高冷轧机厚度控制系统的性能。
具体步骤：首先，入口测厚仪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，入口测厚仪3测量冷轧机入口厚度值，使用模拟通道方式传输数据，同时使用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，控制器使用模拟量/数字量转换模块接收模拟通道11的数据；同时采用UDP协议的网络接收函数，从以太网10上接收数据包，并取出数据包中的来源IP地址，比较接收数据包中的来源IP地址与入口测厚仪的IP地址，如果两者地址相同，则使用数据包中的厚度值，如果两者地址不同，则抛弃此数据包；
比较控制器从两种通道接收的数据。如果控制器7从模拟通道接收数据为空，说明此时模拟通道发生故障，使用以太网接口接收的数据；如果控制器7从以太网接收数据为空，说明此时以太网通道发生故障，使用模拟通道接收的数据；如果两种通道接收的数据都为空，说明全部发生故障，此时提示报警信息，转人工处理；
根据上步判断后取得的数据，作为厚度前馈值进行控制器的计算，得到控制量，输出给伺服阀8驱动液压压下油缸9；
最后，入口测厚仪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。
网络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。网络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。网络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。网络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)入口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。然后测量轧机带材入口厚度值，将测量数据发送到模拟通道和以太网通信端口，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所不。
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，如果正常则入口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，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；
......
其中，sock_recv为所接收数据的套接字描述符，adr_recv是入口测厚仪的套接字，adr_source是所接收数据包中的来源套接字。语句中符号“......”表示省略。
(c)控制器从模拟通道接收数据。
程序中实现为：
......
Read(channel，ana_gauge)；
......
其中，channel为所接收数据的模拟通道号，ana_gauge是模拟通道所接收的数据值，语句中符号“......”表示省略。
(d)控制器从以太网接收数据，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入口测厚仪的IP地址，则此数据包数据为入口测厚仪发送的测量厚度值；如果数据包的源地址不是测厚仪的IP地址，则丢弃此数据包。
程序中实现为：
......
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)
{
Getgauge(eth_gauge)；
}
......
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地址与入口测厚仪IP地址是否相同，eth_gauge是以太网接口接收的测量厚度值；语句中符号“......”表示省略。
(e)控制器判断接收的数据状态，如果模拟通道的数据为空，说明模拟通道发生故障，此时使用以太网通道传输的数据，否则使用模拟通道的数据，如果两个通道数据都为空，此时提示报警进行处理。
程序中实现为：
......
if(ana_gauge＝＝NULL&ð_gauge！＝NULL)
output_guage＝eth_gauge；
else if(ana_gauge！＝NULL)
output_gauge＝ana_gauge；
else
report(warning)；
......
其中，ana_gauge是模拟通道所接收的数据值，eth_gauge是以太网接口接收的测量厚度值，output_gauge是控制器最终计算采用的厚度值；语句中符号“......”表示省略。
(f)控制器执行计算，将接收厚度值与给定厚度基准值进行比较，获得偏差信号，进行控制器的计算，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。
程序中实现为：
......
error＝ref_gauge-output_gauge；
Controlloop(output_value，error)；
......
其中，ref_gauge是给定厚度基准值，output_gauge是控制器最终采用的厚度值，error是计算出的厚度偏差，output_value是控制器根据偏差信号最终计算出的控制量；语句中符号“......”表示省略。
(g)控制器循环计算，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器的计算；如果出现异常状态，则执行异常处理程序进行异常处理。
程序中实现为：
......
While(run)
{ ......
......
}
Exception()......
其中，run为当前控制器工作状态，如果正常则控制器持续接收厚度值，然后进行判断和计算，将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。
可以表明，本发明利用冗余前馈以太网，将前馈通道由单独的模拟量传输改变为由模拟量和数字网络同时传输的方式，这样延长了系统的持续运行时间，实现了传输通道的故障诊断和处理，提高了冷轧机厚度控制系统的性能，经济效益十分显著，产生了极好的实际意义。
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.利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，其特征在于：包括以下步骤——
1)入口测厚仪增设以太网通信接口，入口测厚仪测量带材入口厚度，同时通过模拟通道和数字通信网络传送厚度数据，模拟通道采用模拟电缆连接方式，数字通信网络采用以太网通信方式传输；
2)控制器接收两种传输方式的数据，通过以太网通信接口从网络上接收测厚仪发送的数据，通过模拟量/数字量转换模块接收从模拟通道发送的数据；
3)在控制器接收数据过程中，如果模拟通道发生故障，不能正常接收数据，则直接使用网络接口的数据作为前馈值进行计算；如果模拟通道和前馈网络全部正常收到数据，使用模拟通道数据；如果数字通信网络发生故障，不能正常接收数据，使用模拟通道数据；
4)控制器根据前馈值进行计算，输出控制量给液压压下装置的伺服阀进行控制，驱动液压压下油缸，完成一次控制器的计算过程；
5)入口测厚仪依次发送带材入口厚度值，控制器依次接收入口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所述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，其特征在于：包括以下详细步骤——
1)入口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)入口测厚仪测量轧机入口厚度值，通过模拟通道方式传输数据，同时使用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)控制器通过模拟量/数字量转换模块接收模拟通道的数据，同时采用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，比较接收数据包中的来源IP地址与入口测厚仪的IP地址，如果两者地址相同，则使用数据包中的厚度值，如果两者地址不同，则抛弃此数据包；
4)比较控制器从两种通道接收的数据，如果控制器从模拟通道接收数据为空，说明此时模拟通道发生故障，使用以太网接口接收的数据；如果控制器从以太网接收数据为空，说明此时以太网通道发生故障，使用模拟通道接收的数据；如果两种通道接收的数据都为空，说明全部发生故障，此时提示报警信息，转人工处理；
5)根据判断后取得的数据，作为厚度前馈值进行控制器的计算，得到控制量，输出给伺服阀驱动液压压下油缸；
6)入口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所述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，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所述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，其特征在于：网络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所述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，其特征在于：网络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所述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，其特征在于：网络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所述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，其特征在于：网络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所述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，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所述的利用前馈网络提高冷轧机厚度控制性能的方法，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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