连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法

连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法
【专利摘要】连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法，在各个电液伺服装置分别连接设置有一信号采集监测系统，该信号采集监测系统对电液伺服装置的各项数据进行采集，信号采集监测系统均与工业以太网连接，且工业以太网连接设置有数据采集模块和诊断监视模块，信号采集监测系统将获得的信号数据通过工业以太网传输至数据采集模块和诊断监视模块，再送入后续的电液伺服控制系统。本发明可同时高速采集监测多个电液伺服系统的信号状态，并能提供长期数据记录存储、趋势分析和自动报警诊断功能，提高了数据采集速度和存取效率，提高了对连铸高速电液伺服系统故障诊断的有效性和快速性，降低了故障漏报机率，减少了设备故障停机时间。
【专利说明】
连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法
技术领域
[0001] 本发明设及设备状态信号的监控技术，尤其设及一种应用于炼钢连铸产线电液伺 服系统的高速信号采集监测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在各家钢铁生产企业的炼钢连铸产线中，一些响应速度要求高、控制过程复 杂的控制对象往往采用高速电液伺服系统来实现调节和控制，如连铸结晶器液压振动、W 及连铸结晶器钢水液位控制等。而运些高速复杂的控制过程通常对控制精度要求很高，一 旦电液伺服系统性能或状态发生劣化，就容易导致精度超标或失控，造成连铸生产中断或 产生钢巧质量缺陷。
[0003] 而由于连铸工艺过程为不可逆过程，生产中断后的故障现场难W再现和保留，控 制系统本身的数据存储和分析诊断能力又较弱，因此，现有技术下应用较广的做法是在自 动化生产线上采用一种简称为歷I (Human Machine Inte计ace)的监控系统，即人机界面监 控系统，来对现场各种设备状态和生产过程进行监控和记录，如SIEMENS公司开发的WINCC 系统，Wonderware公司开发的Intouch系统等。
[0004] 然而，经过长时间的现场实际操作和应用反馈，运种歷I监控系统的信号采样周 期受到很大限制，采样周期一般只能达到250ms，只能满足中低速控制对象的监控要求。而 对于连铸结晶器高频液压振动、结晶器钢水液位控制运类需要高速调节的对象来说，现有 的歷I监控系统的信号采样周期难W满足状态分析所需的分辨率要求，采集的信号量细节 丢失严重，导致数据测量分析不准、瞬态故障漏报率较高。另外，现有的监控系统对连铸高 速电液伺服系统的状态监测能力不足，无法反映连铸电液伺服系统的一些性能状态变化， 难W对一些早期的、隐藏的异常和状态劣化进行识别和报警，使系统的分析诊断效果比较 差，一旦电液伺服系统发生故障，其故障处理恢复时间较长，故障造成的损失比较大。
[0005] 虽然，在国外已开发出了面向高速性能要求的信号采集系统，如德国IBA公司的 PDA系统，但运类系统售价昂贵、资源开销大，并且系统兼容性不强，底层数据接口不开放， 难W有效地用于连铸高速电液伺服系统的状态监控和故障分析诊断。
[0006] 申请号为CN201220372524.X的中国专利公开了"一种西口子PLC控制系统的装封 箱设备数据采集系统"，该实用新型提出了一种用现场操作终端、I/O服务器、监控服务器等 构成的数据采集系统。
[0007] 该专利对硬件要求极高，且未描述实现数据高速采集记录的方法。
[0008] 申请号为CN201120257116. 5的中国专利公开了"一种PLC数据记录模块"，该实用 新型提出了一种用微控制器、RS232驱动电路、扩展总线接口和电源组成的数据记录模块。
[0009] 该专利只能进行一对一的数据采集，难W实现长时间大量数据采集，数据共享和 数据的分析处理不便；
[0010] 申请号为200910103626. 4的中国专利公开了 "一种工业过程数据高速采集的方 法及系统"，该发明提出了用现有网络、数据采集服务器和控制器建立采集系统。
[0011] 该专利虽然提出了该系统的基本使用步骤，但对于如何达到毫秒级的高速数据采 集，如何实现高速数据存取的方法，缺乏具体描述。
[0012] 综上所述，现有技术下的信号采集监测方法或难W对高速调节的对象进行有效的 信号监测，导致数据测量分析不准、瞬态故障漏报率较高，或由于状态监测能力不足而导致 无法反映连铸电液伺服系统的一些性能状态变化，难W对一些早期的、隐藏的异常和状态 劣化进行识别和报警，使系统的分析诊断效果比较差。

【发明内容】

[0013] 为了解决现有技术下存在的对连铸产线电液伺服系统的高速信号难W准确采集、 监测、分析、诊断的问题，本发明提供了连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监 测方法，能有效地解决现有技术下的监控系统信号采样周期长、故障漏报率高，状态监测能 力不足的问题，本发明的具体如下所述：
[0014] 连铸电液伺服系统信号采集监测系统，包括各个电液伺服装置组成的连铸电液伺 服系统和工业W太网，其中，电液伺服装置由伺服阀、油缸等执行机构和电液伺服控制系统 组成，其特征在于：
[0015] 所述的各个电液伺服装置均分别连接设置有一信号采集监测系统，该信号采集监 测系统对电液伺服装置的油缸有杆腔、油缸无杆腔、伺服阀阀忍和伺服阀电流/电压信号 进行监测、采样、存储和数据通讯；
[0016] 所述的各个信号采集监测系统均与工业W太网连接，且工业W太网连接设置有数 据采集模块和诊断监视模块，信号采集监测系统将获得的信号数据通过工业W太网传输至 数据采集模块和诊断监视模块，再送入后续的电液伺服控制系统。
[0017] 根据本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统，其特征在于，所述的信号采 集监测系统包括顺序信号连接的检测模块，信号高速采样模块，数据缓存模块和通讯处理 模块，其中检测模块与伺服阀、油缸等执行机构信号连接，将伺服阀、油缸等执行机构的各 项检测电信号送入后续连接的信号高速采样模块，信号高速采样模块与电液伺服控制系统 信号连接，将检测模块送来的检测电信号和电液伺服控制系统送来的信号进行模拟量/数 字量转换和高速定周期采样，并转换成可W用数字量表示的数据送入后续的数据缓存模 块，该数据缓存模块将信号高速采样模块采样到的各数据量集中封装成数据包，然后把数 据包保存在预定的缓存空间，通讯处理模块将数据缓存模块连接到工业W太网，将数据缓 存模块与数据采集模块进行数据通讯。
[0018] 根据本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统，其特征在于，所述的检测模 块包括油缸位移检测器、油缸有杆腔压力检测器、油缸无杆腔压力检测器、伺服阀阀忍位移 检测器和伺服阀电流/电压信号检测器，运些检测器分别对伺服阀、油缸等执行机构的各 个部件进行检测，其具体为，油缸位移检测器检测油缸活塞杆的行程位移变化，油缸有杆腔 压力检测器检测油缸有杆腔的油压，油缸无杆腔压力检测器检测油缸无杆腔的油压，伺服 阀阀忍位移检测器用于检测伺服阀阀忍位移的变化，而伺服阀电流/电压信号检测器则检 测电液伺服控制系统送到伺服阀上的电流或电压信号。
[0019] 根据本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统，其特征在于，所述的数据采 集模块包括采集存储子模块和时间修正子模块，其中，采集存储子模块通过工业W太网的 通讯接口批量采集各数据缓存模块的缓存空间的数据，并将采集来的数据w数据文件形式 保存在存储介质中，而时间修正子模块则用于对数据采集时间进行修正，消除各数据缓存 模块之间的数据采集时间误差。
[0020] 根据本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统，其特征在于，所述的诊断监 视模块对数据采集模块中存储的文件数据进行循环计算和分析，当发现数据异常时，在监 视终端上显示报警和诊断信息，提醒并指导操作维护人员及时进行异常处置，同时向后续 的电液伺服控制系统发出联锁和纠正信号。
[0021] 一种基于上述的连铸电液伺服系统信号采集监测系统的连铸电液伺服系统信号 采集监测方法，其具体步骤如下所述：
[0022] 1)将信号采集监测系统的检测模块连接到现有的各个电液伺服装置的伺服阀、油 缸等执行机构上，分别检测油缸活塞杆的实际行程位移变化、油缸有杆腔的油压变化、油缸 无杆腔的油压变化、伺服阀阀忍位移的变化和伺服阀的电流或电压给定信号；
[0023] 2)检测模块所检测到的信号和电液伺服控制系统的控制信号一同送入信号高速 采样模块，由信号高速采样模块根据设定的采样周期，采用高速定时中断方式进行信号的 同步采样，即，高速定周期采样，并把各信号量通过进行模拟量/数字量转换，转换成可W 用数字量表示的数据；
[0024] 3)数据缓存模块在步骤2)中设定的每个采样周期内，将采样到的各数据量集中 封装成数据包，然后把数据包保存在预定的数据缓存空间；
[00巧]4)通讯处理模块把数据缓存模块连接到工业W太网，将数据缓存模块与数据采集 模块进行数据通讯，该数据通讯是通过在各个信号采集监测系统的数据缓存模块和数据采 集模块之间建立数据采集通道的方式来进行。
[0026] 5)数据采集模块批量采集各个数据缓存模块缓存空间的数据，并把采集来的数 据，经过数据压缩和采集时间修正，W数据文件的形式保存在存储介质中；
[0027] 6)步骤5)中对采集来的数据进行采集时间修正过程由数据采集模块的时间修 正子模块完成，其具体为，每次当采集存储子模块执行批量采集数据块任务时，时间修正子 模块自动计算一次该数据块的数据采样时间和数据采集模块当前系统时间之间的时间差 AT，每隔一定的修正周期，用当前的时间差ΔΤ去更新对应采集通道的时间修正量，而每 次在数据块写入数据文件时，自动根据时间修正量对写入数据文件的数据块采集时间进行 修正，其中，修正后的数据块采集结束时间=数据块的数据采样时间-时间修正量，而修正 后的数据块采集开始时间=修正后的数据块采集结束时间-数据块采集的数据包组数*数 据采样周期；
[0028] 7)诊断监视模块对数据采集模块中存储的文件数据进行循环计算和分析，当诊断 出数据异常时，在监视终端上显示报警和诊断信息，提醒并指导操作维护人员及时进行异 常处置，同时向后续的电液伺服控制系统发出联锁和纠正信号。
[0029] 根据本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测方法，其特征在于，所述的步骤3) 中的数据缓存空间由两个结构相同的数据块组成，每个数据块包括头部和实体两个部分， 其中，数据块头部中的定时中断周期、信号采样周期、数据包组数、每组字数是预设定量，数 据块的当前数据采样时间、当前组号和存满标志是状态量，而数据块的实体由数据包构成， 数据包的组数和每组数据字数同数据块头部的设定量保持一致。
[0030] 根据本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测方法，其特征在于，所述的步骤3) 中的数据缓存模块的数据缓存的过程如下：
[0031] 1)预先设定好信号采样周期，定时中断周期，数据包的组数和每组字数，其中信号 采样周期应不小于定时中断周期，并且是定时中断周期的整数倍.
[0032] 2)在每个采样周期内，数据缓存模块把采样到的各数据，按顺序连续装入一个数 据包；
[0033] 3)在每个采样周期内，把封装好的数据包交替存入两个数据块中；
[0034] 4)当第一个数据块存满后，再存入第二个数据块；当第二个数据块存满后，再存 入第一个数据块，如此循环不断地实现数据的缓存。
[0035] 根据本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测方法，其特征在于，所述的步骤5) 中的数据采集模块对数据的批量采集和存储由采集存储子模块完成，采集存储子模块在采 集通道上连续监测各数据缓存模块的两个数据块的状态，当任何一个数据块发出存满信号 时，把该数据块批量采集到数据采集模块的数据文件中，而数据文件由文件头、各采集通道 定义、各采集通道的数据标签定义、采集的各组数据块、各采集通道的数据块索引组成，数 据文件经过数据压缩，保存在存储介质上，而采集存储子模块在把数据块写入数据文件前， 为数据文件在大容量存储介质上预先分配好连续的存储空间；
[0036] 根据本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测方法，其特征在于，所述的数据文 件在大容量存储介质上预先分配好连续的存储空间，该预分配存储空间的过程具体为，先 根据单个数据文件的存盘周期、采样周期、采集数据量，自动确定数据文件占用存储空间的 最大长度，该最大长度=文件头长度+所有采集通道长度+所有数据标签长度+存盘周期 内数据块总长度+存盘周期内数据块索引总长度，然后根据单个数据文件的存盘周期，自 动在存储介质上创建数据文件，最后在数据写入文件前，根据数据文件占用存储空间的最 大长度，预先将文件读写指针移至文件末尾，并自动执行一次文件的关闭和打开操作，为数 据文件在存储介质上预先分配连续的存储空间。
[0037] 使用本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法获得了 如下有益效果：
[0038] 1)本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法可同时高 速采集监测多个电液伺服系统的信号状态，并能提供长期数据记录存储、趋势分析和自动 报警诊断功能；
[0039] 2)本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法消除了常 规监测系统在数据采样周期和监测诊断能力上的限制和不足，大大提高了数据采集速度和 存取效率，从而显著提高了对连铸高速电液伺服系统故障诊断的有效性和快速性，降低了 故障漏报机率，减少了设备故障停机时间。
【附图说明】
[0040] 图1是本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统结构示意图；
[0041] 图2是本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测方法的流程图；
[0042] 图3是本发明的数据缓存模块的数据块结构图；
[0043] 图4是本发明的数据缓存模块的数据缓存控制流程图；
[0044] 图5是本发明的数据采集模块的数据文件结构图；
[0045] 图6是本发明的数据文件的存储空间预分配控制流程图；
[0046] 图7是本发明的数据采集时间的修正控制流程图。
[0047] 图中：1-电液伺服装置，la-伺服阀、油缸等执行机构，化-电液伺服控制系统， 2-工业W太网，3-数据采集模块，4-诊断监视模块，5-A-信号采集监测系统，A1-检测模块， A2-信号高速采样模块，A3-数据缓存模块，A4-通讯处理模块。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图和实施例对发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采 集监测方法做进一步的描述。
[0049] 如图1所示，连铸电液伺服系统信号采集监测系统，包括各个电液伺服装置1组成 的连铸电液伺服系统和工业W太网2,其中，电液伺服装置由伺服阀、油缸等执行机构la和 电液伺服控制系统化组成。
[0050] 各个电液伺服装置1均分别连接设置有一信号采集监测系统A，该信号采集监测 系统对电液伺服装置1的油缸有杆腔、油缸无杆腔、伺服阀阀忍和伺服阀电流/电压信号进 行监测、采样、存储和数据通讯；
[0051] 各个信号采集监测系统A均与工业W太网2连接，且工业W太网连接设置有数据 采集模块3和诊断监视模块4,信号采集监测系统将获得的信号数据通过工业W太网传输 至数据采集模块和诊断监视模块，再送入后续的电液伺服控制系统5。
[0052] 信号采集监测系统A包括顺序信号连接的检测模块A1，信号高速采样模块A2,数 据缓存模块A3和通讯处理模块A4,其中检测模块与伺服阀、油缸等执行机构la信号连接， 将伺服阀、油缸等执行机构的各项检测电信号送入后续连接的信号高速采样模块，信号高 速采样模块与电液伺服控制系统化信号连接，将检测模块送来的检测电信号和电液伺服 控制系统送来的信号进行模拟量/数字量转换和高速定周期采样，并转换成可W用数字量 表示的数据送入后续的数据缓存模块，该数据缓存模块将信号高速采样模块采样到的各数 据量集中封装成数据包，然后把数据包保存在预定的缓存空间，通讯处理模块将数据缓存 模块连接到工业W太网2,将数据缓存模块与数据采集模块3进行数据通讯。
[0053] 检测模块A1包括油缸位移检测器、油缸有杆腔压力检测器、油缸无杆腔压力检测 器、伺服阀阀忍位移检测器和伺服阀电流/电压信号检测器，运些检测器分别对伺服阀、 油缸等执行机构la的各个部件进行检测，其具体为，油缸位移检测器检测油缸活塞杆的行 程位移变化，油缸有杆腔压力检测器检测油缸有杆腔的油压，油缸无杆腔压力检测器检测 油缸无杆腔的油压，伺服阀阀忍位移检测器用于检测伺服阀阀忍位移的变化，而伺服阀电 流/电压信号检测器则检测电液伺服控制系统lb送到伺服阀上的电流或电压信号。
[0054] 数据采集模块3包括采集存储子模块和时间修正子模块，其中，采集存储子模块 通过工业W太网2的通讯接口批量采集各数据缓存模块A3的缓存空间的数据，并将采集来 的数据W数据文件形式保存在存储介质中，而时间修正子模块则用于对数据采集时间进行 修正，消除各数据缓存模块之间的数据采集时间误差。
[0055] 诊断监视模块4对数据采集模块3中存储的文件数据进行循环计算和分析，当发 现数据异常时，在监视终端上显示报警和诊断信息，提醒并指导操作维护人员及时进行异 常处置，同时向后续的电液伺服控制系统5发出联锁和纠正信号。
[0056] 基于的连铸电液伺服系统信号采集监测系统的连铸电液伺服系统信号采集监测 方法，参考图1和图2所示，其具体步骤如下所述：
[0057] 1)将信号采集监测系统A的检测模块A1连接到现有的各个电液伺服装置1的 伺服阀、油缸等执行机构la上，分别检测油缸活塞杆的实际行程位移变化、油缸有杆腔的 油压变化、油缸无杆腔的油压变化、伺服阀阀忍位移的变化和伺服阀的电流或电压给定信 号；
[005引 2)检测模块A1所检测到的信号和电液伺服控制系统化的控制信号一同送入信号 高速采样模块A2,由信号高速采样模块根据设定的采样周期，采用高速定时中断方式进行 信号的同步采样，即，高速定周期采样，并把各信号量通过进行模拟量/数字量转换，转换 成可W用数字量表示的数据；
[0059] 3)数据缓存模块A3在步骤2)中设定的每个采样周期内，将采样到的各数据量集 中封装成数据包，然后把数据包保存在预定的数据缓存空间；
[0060] 4)通讯处理模块A4把数据缓存模块A3连接到工业W太网2,将数据缓存模块与 数据采集模块3进行数据通讯，该数据通讯是通过在各个信号采集监测系统A的数据缓存 模块和数据采集模块之间建立数据采集通道的方式来进行，其中，各数据采集通道的结构 见如下表1:
[0061]
[0062]
[0063] 表1各数据采集通道的结构
[0064] 5)数据采集模块3批量采集各个数据缓存模块A3缓存空间的数据，并把采集来的 数据，经过数据压缩和采集时间修正，W数据文件的形式保存在存储介质中； W65] 6)步骤W中对采集来的数据进行采集时间修正过程由数据采集模块3的时间修 正子模块完成，参考图7所示，其具体为，每次当采集存储子模块执行批量采集数据块任务 时，时间修正子模块自动计算一次该数据块的数据采样时间和数据采集模块当前系统时间 之间的时间差AT，每隔一定的修正周期，用当前的时间差ΔΤ去更新对应采集通道的时间 修正量，而每次在数据块写入数据文件时，自动根据时间修正量对写入数据文件的数据块 采集时间进行修正，其中，修正后的数据块采集结束时间=数据块的数据采样时间-时间 修正量，而修正后的数据块采集开始时间=修正后的数据块采集结束时间-数据块采集的 数据包组数*数据采样周期；
[0066] 7)诊断监视模块4对数据采集模块3中存储的文件数据进行循环计算和分析，当 诊断出数据异常时，在监视终端上显示报警和诊断信息，提醒并指导操作维护人员及时进 行异常处置，同时向后续的电液伺服控制系统5发出联锁和纠正信号。
[0067] 如图3所示，上述的步骤如中的数据缓存空间由两个结构相同的数据块组成，每 个数据块包括头部和实体两个部分，其中数据块头部的结构见如下表2:
[0068]
[0069] 表2数据块头部的结构
[0070] 数据块头部中的定时中断周期、信号采样周期、数据包组数、每组字数是预设定 量，数据块的当前数据采样时间、当前组号和存满标志是状态量，而数据块的实体由数据包 构成，数据包的组数和每组数据字数同数据块头部的设定量保持一致。
[00川如图4所示，上述的步骤3)中的数据缓存模块A3的数据缓存的过程如下：
[0072] 1)预先设定好信号采样周期，定时中断周期，数据包的组数和每组字数，其中信号 采样周期应不小于定时中断周期，并且是定时中断周期的整数倍.
[0073] 2)在每个采样周期内，数据缓存模块把采样到的各数据，按顺序连续装入一个数 据包，数据包结构如下表3:
[0074]
[00巧]表3数据包的结构
[0076] 3)在每个采样周期内，把封装好的数据包交替存入两个数据块中；
[0077] 4)当第一个数据块存满后，再存入第二个数据块；当第二个数据块存满后，再存 入第一个数据块，如此循环不断地实现数据的缓存。
[007引上述的步骤5)中的数据采集模块对数据的批量采集和存储由采集存储子模块完 成，采集存储子模块在采集通道上连续监测各数据缓存模块的两个数据块的状态，当任何 一个数据块发出存满信号时，把该数据块批量采集到数据采集模块的数据文件中，如图5 所示，数据文件由文件头、各采集通道定义、各采集通道的数据标签定义、采集的各组数据 块、各采集通道的数据块索引组成，数据文件经过数据压缩，保存在存储介质上，而采集存 储子模块在把数据块写入数据文件前，为数据文件在大容量存储介质上预先分配好连续的 存储空间；
[0079] 上述的数据文件在大容量存储介质上预先分配好连续的存储空间，该预分配存储 空间的过程具体为，如图6所示，先根据单个数据文件的存盘周期、采样周期、采集数据量， 自动确定数据文件占用存储空间的最大长度，该最大长度=文件头长度+所有采集通道长 度+所有数据标签长度+存盘周期内数据块总长度+存盘周期内数据块索引总长度，然后 根据单个数据文件的存盘周期，自动在存储介质上创建数据文件，最后在数据写入文件前， 根据数据文件占用存储空间的最大长度，预先将文件读写指针移至文件末尾，并自动执行 一次文件的关闭和打开操作，为数据文件在存储介质上预先分配连续的存储空间。 阳〇8〇] 实施例
[0081] 将本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法应用于六 流圆方巧连铸中间包滑板电液伺服系统上。本实施例的中间包滑板电液伺服系统共6套， 每流1套，每套滑板电液伺服系统由控制系统（S7-300控制器）、伺服阀、滑板油缸等主要部 件组成。
[0082] (可参考图1)，将信号采集监测系统A的检测模块A1连接到现有的各个电液伺服 装置1的伺服阀、油缸等执行机构la上，分别检测油缸活塞杆的实际行程位移变化、油缸有 杆腔的油压变化、油缸无杆腔的油压变化、伺服阀阀忍位移的变化和伺服阀的电流或电压 给定信号，本实施例中，滑板油缸位移检测器采用内置式磁致伸缩型位移传感器，油缸行程 范围80mm，输出电信号4-20mA，用于检测滑板油缸的实际行程位移。油缸有杆腔压力检测 器和无杆腔压力检测器，采用二线制4-20mA的油压传感器，测量范围0-400Bar，分别用于 检测油缸有杆腔的油压和无杆腔的油压。伺服阀阀忍位移检测器采用内置式位移传感器， 输出信号4-20mA，用于检测伺服阀阀忍位移的变化。本实施例的伺服阀的给定信号为电压 信号，采用电压信号检测器用于检测控制系统送到伺服阀上的电压给定信号，信号范围为 + 10V。
[0083] 本实施例中，信号高速采样模块A2包括高速A/D输入卡和带高速中断的处理器， 用于对检测模块A1送来的检测电信号，和电液伺服系统7送来的信号，进行模拟量/数字 量转换，和高速定周期采样，转换成可W用数字量表示的数据；
[0084] 本实施例中，数据缓存模块A3包括处理器和内存，处理器将信号高速采样模块A2 采样到的各数据量集中封装成数据包，然后把数据包保存在内存上预定的缓存空间；
[0085] 本实施例中，通讯处理模块A4采用了 W太网通讯接口模块和W太网交换机，用于 把各电液伺服系统的数据缓存模块连接到工业W太网，同数据采集模块进行数据通讯；
[0086] 本实施例中，数据采集模块3包括采集存储子模块和时间修正子模块。采集存储 子模块采用W太网卡作为通讯接口，并带有大容量硬盘存储器；通过W太网通讯接口，批量 采集各数据缓存模块A3的缓存空间的数据，并把采集来的数据W文件的形式保存在大容 量存储介质中；时间修正子模块用于对数据采集时间进行修正，消除各数据缓存模块之间 的数据采集时间误差；
[0087] 本实施例中，诊断监视模块4是一个数据分析监视终端，用于对数据采集模块3 中存储的文件数据进行循环计算和分析，当发现数据异常时，在监视终端上显示报警和诊 断信息，提醒并指导操作维护人员及时进行异常处置，同时向电液伺服控制系统5发出联 锁和纠正信号。
[0088] 连铸电液伺服系统信号采集监测方法，参考图1和图2所示，本实施例中用于对六 流圆方巧连铸中间包滑板电液伺服系统的高速信号进行采集监测，包括W下步骤：
[0089] 步骤1 :将检测模块A1连接到现有的滑板电液伺服系统上，分别检测滑板油缸活 塞杆的实际行程位移变化（即滑板油缸的实际开度），油缸有杆腔的油压变化，油缸无杆腔 的油压变化，伺服阀阀忍位移的变化（即伺服阀的实际开度），伺服阀的电流或电压给定信 号（即伺服阀的设定开度）；
[0090] 步骤2 :检测模块A1检测到的信号和滑板电液伺服系统本身的控制信号一同送入 信号高速采样模块A2,由信号高速采样模块根据设定的采样周期，采用高速定时中断方式 进行信号的同步采样，并把各信号量转换成可W用数字量表示的数据；
[0091] 本实施例中采用10ms周期的高速定时中断进行信号采样，采样周期与滑板电液 伺服控制系统的处理周期保持同步，W确保所有信号处理细节不遗漏；
[0092] 本实施例中信号高速采样模块A2除了接收检测模块送来的信号W外，还接收从 电液伺服控制系统送来的滑板油缸的设定开度，结晶器设定钢水液位，结晶器实际钢水液 位，和铸机拉速信号等；
[0093] 步骤3 :数据缓存模块A3在每个采样周期内，将采样到的各数据量集中封装成数 据包，然后把数据包保存在预定的数据缓存空间；
[0094] 本实施例中数据缓存空间由两个结构相同的数据块组成，分别是DB1和DB2,每个 数据块包括头部和实体两个部分（可参考图3)，数据块头部的结构见如下表4 阳0巧]
[0096] 表4实施例数据块头部的结构
[0097] 数据块头部包括4个设定量，分别是定时中断周期、信号采样周期、数据包组数、 每组字数。数据块头部还包括3个状态量，分别是数据块的当前数据采样时间、当前组号和 存满标志；数据块的实体由200组数据包构成，数据包的组数和每组数据字数同数据块头 部的设定量一致。
[0098] 数据缓存模块进行数据缓存的控制过程（可参考图4)，包括：
[0099] (1)预先设定好信号采样周期，定时中断周期，数据包的组数和每组字数；其中信 号采样周期应不小于定时中断周期，并且是定时中断周期的整数倍；
[0100] 本实施例中的信号采样周期和定时中断周期均为10ms，每个数据块的数据包组数 为200组，每组字数为10个字； 阳101 ] (2)在每个采样周期内，数据缓存模块把采样到的各数据，按顺序连续装入一个数 据包数据包的结构见如下表5 阳 102]
阳103] 表5实施例数据包的结构
[0104] (3)在每个采样周期内，把封装好的数据包交替存入两个数据块DBl和DB2中； 阳1化](4)当第一个数据块DB1存满后，再存入第二个数据块DB2 ;当第二个数据块DB2 存满后，再存入第一个数据块DB1，如此循环不断地实现数据的交替缓存；
[0106] 步骤4 :通讯处理模块A4把数据缓存模块A3连接到工业W太网2,将数据缓存模 块与数据采集模块3进行数据通讯；
[0107] 上述的数据通讯是通过在各数据缓存模块和数据采集模块之间建立数据采集通 道的方式来进行。本实施例中的数据通讯采用TCP/IP通讯协议，共建立6条采集通道，分 别对应6个流的数据缓存模块，各数据采集通道的结构如下表6; 阳10引
阳 109] ____^_ Da枯团ockin舶xOffs ,,,,, 本通道数据块索引在文件中的存 数据块索引地址INT64 W __L__I 储位量。_
[0110] 表6实施例各数据采集通道的结构 阳111] 步骤6 :数据采集模块3批量采集各数据缓存模块缓存空间的数据，并把采集来的 数据，经过数据压缩和采集时间修正，W数据文件的形式保存在大容量存储介质中；
[0112] 数据采集模块对数据的批量采集和存储由采集存储子模块完成；
[0113] 采集存储子模块在采集通道上连续监测各数据缓存模块的两个数据块DB1和DB2 的状态，当任何一个数据块发出存满信号时，把该数据块批量采集到数据采集模块的数据 文件中；
[0114] 数据文件（可参考图5)，由文件头、各采集通道定义、各采集通道的数据标签定 义、采集的各组数据块、各采集通道的数据块索引组成，数据文件经过数据压缩，保存在大 容量硬盘存储器上；
[0115] 采集存储子模块在把数据块写入数据文件前，为数据文件在大容量硬盘存储器上 预先分配好连续的存储空间，W加快数据采集模块的数据存取速度，避免磁盘文件碎片对 数据存取速度的影响。
[0116] 采集存储子模块为数据文件预分配存储空间的过程，（可参考图6)，包括：
[0117] 先根据单个数据文件的存盘周期、采样周期、采集数据量，自动确定数据文件占用 存储空间的最大长度，该最大长度=文件头长度+所有采集通道长度+所有数据标签长度 +存盘周期内数据块总长度+存盘周期内数据块索引总长度，本实施例的设定存盘周期为2 小时，因此，每个数据文件可W保存所有采集通道的2小时的数据。
[0118] 然后根据单个数据文件的存盘周期，自动在存储介质上创建数据文件，本实施例 的设定存盘周期为2小时，因此，每2小时自动在硬盘存储器上创建一个数据文件。
[0119] 最后在数据写入文件前，根据数据文件占用存储空间的最大长度，预先将文件读 写指针移至文件末尾，并自动执行一次文件的关闭和打开操作，为数据文件在存储介质上 预先分配连续的存储空间。
[0120] 所述数据采集模块对数据采集时间的修正过程由时间修正子模块完成，修正步骤 (可参考图7)，其具体为，每次当采集存储子模块执行批量采集数据块任务时，时间修正子 模块自动计算一次该数据块的数据采样时间和数据采集模块当前系统时间之间的时间差 A T，每隔一定的修正周期（如24小时），用当前的时间差ΔΤ去更新对应采集通道的时间 修正量，而每次在数据块写入数据文件时，自动根据时间修正量对写入数据文件的数据块 采集时间进行修正，其中，修正后的数据块采集结束时间=数据块的数据采样时间-时间 修正量，而修正后的数据块采集开始时间=修正后的数据块采集结束时间-数据块采集的 数据包组数*数据采样周期； 阳121] 步骤7 :诊断监视模块4对数据采集模块3中存储的文件数据进行循环计算和分 析，当诊断出数据异常时，在监视终端上显示报警和诊断信息，提醒并指导操作维护人员及 时进行异常处置，同时向后续的电液伺服控制系统5发出联锁和纠正信号。
[0122] 在本实施例中，当诊断监视模块通过对数据文件中的流滑板电液伺服系统的信号 数据进行计算分析，发现流伺服阀的实际开度同设定开度之间的差值开始变大，超过了报 警值，则在监视终端上立即显示伺服阀阀忍偏差大报警，并给出如何处理的提示和指导信 息，同时向流滑板电液伺服系统发出纠正偏差的信号。 阳123] 本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法可同时高速 采集监测多个电液伺服系统的信号状态，并能提供长期数据记录存储、趋势分析和自动报 警诊断功能。且本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法消除了 常规监测系统在数据采样周期和监测诊断能力上的限制和不足，大大提高了数据采集速度 和存取效率，从而显著提高了对连铸高速电液伺服系统故障诊断的有效性和快速性，降低 了故障漏报机率，减少了设备故障停机时间。
[0124] 本发明的连铸电液伺服系统信号采集监测系统及信号采集监测方法适用于各种 炼钢连铸产线电液伺服系统的信号采集监测领域。
【主权项】
1. 连铸电液伺服系统信号采集监测系统，包括各个电液伺服装置（1)组成的连铸电液 伺服系统和工业以太网（2)，其中，电液伺服装置由伺服阀、油缸等执行机构（la)和电液伺 服控制系统（lb)组成，其特征在于： 所述的各个电液伺服装置（1)均分别连接设置有一信号采集监测系统（A)，该信号采 集监测系统对电液伺服装置（1)的油缸有杆腔、油缸无杆腔、伺服阀阀芯和伺服阀电流/电 压信号进行监测、采样、存储和数据通讯； 所述的各个信号采集监测系统（A)均与工业以太网（2)连接，且工业以太网连接设置 有数据采集模块（3)和诊断监视模块（4)，信号采集监测系统将获得的信号数据通过工业 以太网传输至数据采集模块和诊断监视模块，再送入后续的电液伺服控制系统（5)。2. 如权利要求1所述的连铸电液伺服系统信号采集监测系统，其特征在于，所述的信 号采集监测系统（A)包括顺序信号连接的检测模块（A1)，信号高速采样模块（A2)，数据缓 存模块（A3)和通讯处理模块（A4)，其中检测模块与伺服阀、油缸等执行机构（la)信号连 接，将伺服阀、油缸等执行机构的各项检测电信号送入后续连接的信号高速采样模块，信号 高速采样模块与电液伺服控制系统（lb)信号连接，将检测模块送来的检测电信号和电液 伺服控制系统送来的信号进行模拟量/数字量转换和高速定周期采样，并转换成可以用数 字量表示的数据送入后续的数据缓存模块，该数据缓存模块将信号高速采样模块采样到的 各数据量集中封装成数据包，然后把数据包保存在预定的缓存空间，通讯处理模块将数据 缓存模块连接到工业以太网（2)，将数据缓存模块与数据采集模块（3)进行数据通讯。3. 如权利要求2所述的连铸电液伺服系统信号采集监测系统，其特征在于，所述的检 测模块（A1)包括油缸位移检测器、油缸有杆腔压力检测器、油缸无杆腔压力检测器、伺服 阀阀芯位移检测器和伺服阀电流/电压信号检测器，这些检测器分别对伺服阀、油缸等执 行机构（la)的各个部件进行检测，其具体为，油缸位移检测器检测油缸活塞杆的行程位移 变化，油缸有杆腔压力检测器检测油缸有杆腔的油压，油缸无杆腔压力检测器检测油缸无 杆腔的油压，伺服阀阀芯位移检测器用于检测伺服阀阀芯位移的变化，而伺服阀电流/电 压信号检测器则检测电液伺服控制系统（lb)送到伺服阀上的电流或电压信号。4. 如权利要求1所述的连铸电液伺服系统信号采集监测系统，其特征在于，所述的数 据采集模块（3)包括采集存储子模块和时间修正子模块，其中，采集存储子模块通过工业 以太网（2)的通讯接口批量采集各数据缓存模块（A3)的缓存空间的数据，并将采集来的 数据以数据文件形式保存在存储介质中，而时间修正子模块则用于对数据采集时间进行修 正，消除各数据缓存模块之间的数据采集时间误差。5. 如权利要求1所述的连铸电液伺服系统信号采集监测系统，其特征在于，所述的诊 断监视模块（4)对数据采集模块（3)中存储的文件数据进行循环计算和分析，当发现数据 异常时，在监视终端上显示报警和诊断信息，提醒并指导操作维护人员及时进行异常处置， 同时向后续的电液伺服控制系统（5)发出联锁和纠正信号。6. -种基于上述权利要求1至权利要求4的连铸电液伺服系统信号采集监测系统的连 铸电液伺服系统信号采集监测方法，其具体步骤如下所述： 1)将信号采集监测系统㈧的检测模块（A1)连接到现有的各个电液伺服装置⑴的 伺服阀、油缸等执行机构（la)上，分别检测油缸活塞杆的实际行程位移变化、油缸有杆腔 的油压变化、油缸无杆腔的油压变化、伺服阀阀芯位移的变化和伺服阀的电流或电压给定 信号； 2) 检测模块（A1)所检测到的信号和电液伺服控制系统（lb)的控制信号一同送入信号 高速采样模块（A2)，由信号高速采样模块根据设定的采样周期，采用高速定时中断方式进 行信号的同步采样，即，高速定周期采样，并把各信号量通过进行模拟量/数字量转换，转 换成可以用数字量表示的数据； 3) 数据缓存模块（A3)在步骤2)中设定的每个采样周期内，将采样到的各数据量集中 封装成数据包，然后把数据包保存在预定的数据缓存空间； 4) 通讯处理模块（A4)把数据缓存模块（A3)连接到工业以太网（2)，将数据缓存模块 与数据采集模块（3)进行数据通讯，该数据通讯是通过在各个信号采集监测系统（A)的数 据缓存模块和数据采集模块之间建立数据采集通道的方式来进行。 5) 数据采集模块（3)批量采集各个数据缓存模块（A3)缓存空间的数据，并把采集来的 数据，经过数据压缩和采集时间修正，以数据文件的形式保存在存储介质中； 6) 步骤5)中对采集来的数据进行采集时间修正过程由数据采集模块（3)的时间修 正子模块完成，其具体为，每次当采集存储子模块执行批量采集数据块任务时，时间修正子 模块自动计算一次该数据块的数据采样时间和数据采集模块当前系统时间之间的时间差 AT，每隔一定的修正周期，用当前的时间差ΔΤ去更新对应采集通道的时间修正量，而每 次在数据块写入数据文件时，自动根据时间修正量对写入数据文件的数据块采集时间进行 修正，其中，修正后的数据块采集结束时间=数据块的数据采样时间-时间修正量，而修 正后的数据块采集开始时间=修正后的数据块采集结束时间-数据块采集的数据包组数* 数据采样周期； 7) 诊断监视模块（4)对数据采集模块（3)中存储的文件数据进行循环计算和分析，当 诊断出数据异常时，在监视终端上显示报警和诊断信息，提醒并指导操作维护人员及时进 行异常处置，同时向后续的电液伺服控制系统（5)发出联锁和纠正信号。7. 如权利要求6所述的连铸电液伺服系统信号采集监测方法，其特征在于，所述的步 骤3)中的数据缓存空间由两个结构相同的数据块组成，每个数据块包括头部和实体两个 部分，其中，数据块头部中的定时中断周期、信号采样周期、数据包组数、每组字数是预设定 量，数据块的当前数据采样时间、当前组号和存满标志是状态量，而数据块的实体由数据包 构成，数据包的组数和每组数据字数同数据块头部的设定量保持一致。8. 如权利要求6所述的连铸电液伺服系统信号采集监测方法，其特征在于，所述的步 骤3)中的数据缓存模块（A3)的数据缓存的过程如下： 1) 预先设定好信号采样周期，定时中断周期，数据包的组数和每组字数，其中信号采样 周期应不小于定时中断周期，并且是定时中断周期的整数倍； 2) 在每个采样周期内，数据缓存模块把采样到的各数据，按顺序连续装入一个数据 包； 3) 在每个采样周期内，把封装好的数据包交替存入两个数据块中； 4) 当第一个数据块存满后，再存入第二个数据块；当第二个数据块存满后，再存入第 一个数据块，如此循环不断地实现数据的缓存。9. 如权利要求6所述的连铸电液伺服系统信号采集监测方法，其特征在于，所述的步 骤5)中的数据采集模块对数据的批量采集和存储由采集存储子模块完成，采集存储子模 块在采集通道上连续监测各数据缓存模块的两个数据块的状态，当任何一个数据块发出存 满信号时，把该数据块批量采集到数据采集模块的数据文件中，而数据文件由文件头、各采 集通道定义、各采集通道的数据标签定义、采集的各组数据块、各采集通道的数据块索引组 成，数据文件经过数据压缩，保存在存储介质上，而采集存储子模块在把数据块写入数据文 件前，为数据文件在大容量存储介质上预先分配好连续的存储空间。10.如权利要求9所述的连铸电液伺服系统信号采集监测方法，其特征在于，所述的 数据文件在大容量存储介质上预先分配好连续的存储空间，该预分配存储空间的过程具体 为，先根据单个数据文件的存盘周期、采样周期、采集数据量，自动确定数据文件占用存储 空间的最大长度，该最大长度=文件头长度+所有采集通道长度+所有数据标签长度+存 盘周期内数据块总长度+存盘周期内数据块索引总长度，然后根据单个数据文件的存盘周 期，自动在存储介质上创建数据文件，最后在数据写入文件前，根据数据文件占用存储空间 的最大长度，预先将文件读写指针移至文件末尾，并自动执行一次文件的关闭和打开操作， 为数据文件在存储介质上预先分配连续的存储空间。
【文档编号】G05B19/418GK105988445SQ201510090542
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月28日
【发明人】金国平, 夏春荣
【申请人】宝山钢铁股份有限公司