楊景明，孫杜娟，2，周豪騰，孟憲騰

（1.燕山大學 工業(yè)計算機控制工程河北省重點實驗室，秦皇島 066004；2.吉林建筑大學 城建學院，長春 130000）

板帶軋機單片機AGC厚控系統(tǒng)的改進與實驗研究

楊景明1，孫杜娟1，2，周豪騰1，孟憲騰1

（1.燕山大學 工業(yè)計算機控制工程河北省重點實驗室，秦皇島 066004；2.吉林建筑大學 城建學院，長春 130000）

板厚精度和板形精度是衡量板帶材的兩大質量指標，針對許多中小型鋼廠板厚控制精度不高，研發(fā)了一套基于PIC單片機的板帶軋機自動厚度控制（AGC）系統(tǒng)的控制裝置。在前期控制裝置雛形的基礎上，做了一些改進和工程實驗研究，經(jīng)半模擬和現(xiàn)場試驗表明，該控制裝置具有很好的實用性。

板帶軋機；AGC控制系統(tǒng)；PIC單片機；中斷閉環(huán)控制；實驗研究

0　引言

在我國所有鋼材品種中，冷軋薄板（帶）鋼仍然是國內(nèi)市場自給率和占有率最低的產(chǎn)品，文獻［1］對我國鋼材及設備現(xiàn)狀進行了研究，我國大部分冷軋機裝機水平不高，面臨著技術改造或更新?lián)Q代。文獻［2］介紹了軋機采用液壓系統(tǒng)的升級和發(fā)展，隨著液壓伺服系統(tǒng)及相應控制技術的成熟，幾乎所有新上的板帶軋機都采用帶有液壓壓下功能的壓下裝置，以提高板帶精度和生產(chǎn)能力。由于液壓伺服壓下的響應速度比電動壓下響應速度快一個數(shù)量級以上，因此常規(guī)PLC難以實現(xiàn)對液壓伺服系統(tǒng)的控制，需要采用昂貴的控制模塊，此外好多控制算法難以實現(xiàn)靈活編程。經(jīng)過多年實踐，開發(fā)改進了一套基于PIC單片機的板帶軋機AGC控制系統(tǒng)，采用FPGA作為輔助芯片，完成現(xiàn)場編碼器信號的數(shù)據(jù)采集與處理，文獻［3］介紹了FPGA處理現(xiàn)場信號的優(yōu)勢。實驗證明本套控制裝置可以做到1ms的采樣周期，滿足實時性要求，現(xiàn)場運行穩(wěn)定、可靠。

1　AGC控制系統(tǒng)的整體介紹及前期工作

帶有液壓AGC功能的單機架可逆軋機一般由軋機本體、高壓站、低壓站、乳化液站、潤滑站等幾部分組成［4］，本文只對包含工藝控制的軋機本體部分做主要研究及介紹。軋機現(xiàn)場通常采用絕對值編碼器進行位置信號檢測；采用壓力傳感器及張力計進行壓力和張力信號采集，壓力和張力信號通常以4～20mA的電流信號輸出；厚度控制的反饋量采用測厚儀進行測量，一般預定一個偏差范圍對應一定的模擬量值，如±100μm對應±10V（或±5V）；現(xiàn)場操作臺、操作箱的操作信號通過數(shù)字量輸入進行采集，數(shù)字量輸出信號控制各種閥的動作和指示燈的狀態(tài)顯示；最后通過上位機對軋鋼現(xiàn)場的各項參數(shù)進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)人與AGC控制系統(tǒng)的實時對話。

通過對板帶軋機AGC系統(tǒng)的綜合分析，前期設計了AGC控制系統(tǒng)的硬件電路。如圖1所示：32路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出接口電路；8路模擬量輸入、4路模擬量輸出轉換電路；4路絕對值編碼器輸入、6路增量式編碼器輸入信號采集電路；與上位機通訊電路以及電源轉換電路［5］。全部引腳通過3只50線D型插頭引出，采用單一24V供電，附有一組RS485串行通訊接口。

圖1　基于單片機的AGC系統(tǒng)硬件結構圖

經(jīng)過前期的軟、硬件設計，本系統(tǒng)已初具雛形，但在軟件設計及后續(xù)工程實驗過程中，仍然存在一些問題。

2　AGC控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件改進

2.1數(shù)字量輸出DO

數(shù)字量輸出硬件電路參見文獻［5］，鎖存器SH74HC573實現(xiàn)單片機引腳的分時復用，使用光電耦合器隔離，接24V上拉電壓，最后通過達林頓管ULN2803A驅動輸出。在現(xiàn)場實驗中多次發(fā)現(xiàn)達林頓管燒壞情況，最嚴重的一次，達林頓管一半以上燒成白灰狀。經(jīng)長時間烤電實驗及問題排查，發(fā)現(xiàn)并解決了如下兩方面問題：

1）ULN2803與標準TTL電平兼容，而實測電路達林頓管輸入高壓達9.2V，低壓0.6V，所以換同系列達林頓管ULN2804。ULN2804是CMOS或PMOS兼容，可輸入6-15V高電平，且與ULN2803封裝相同。

2）達林頓管換同系列ULN2804后，現(xiàn)場實驗還會有燒壞現(xiàn)象。從電流角度分析元器件燒壞問題，電路計算ULN2804最大輸入電流為Imax=（24-0）/R609，若按前期硬件電路設計，上拉電阻為5kΩ，實際達林頓管輸入最大電流Imax=4.8mA，而額定輸入電流為1mA，最大值1.45mA，可見其實際輸入電流遠大于要求額定電流，所以應加大上拉電阻阻值。根據(jù)歐姆定律，DO輸出端的上拉電阻由5kΩ換成20kΩ，經(jīng)烤電及現(xiàn)場實驗驗證，達林頓管不再出現(xiàn)燒壞現(xiàn)象，可正常工作。

2.2模擬量輸入AI

對于模擬量輸入AI，為了滿足最終控制系統(tǒng)的精度及實用性，對精度和轉換時間都有著很高的要求。前期通過片外MAX197替代片內(nèi)AD，在一定程度上改進了AD轉換的精度，當然優(yōu)良的接口軟件編寫也至關重要，本文也對接口軟件進行了規(guī)范化編寫及調(diào)試優(yōu)化。而為了達到控制系統(tǒng)1ms的采樣周期，對于控制系統(tǒng)8路的AI輸入，再考慮軟件濾波等，每一路AD采樣的時間至少是μs級，但實際調(diào)試測量整個電路板時，AD采樣部分時間明顯超出時間要求，為ms級。

經(jīng)軟件排查及單務語句時間測量，發(fā)現(xiàn)軟件查詢INT轉換成功狀態(tài)位這一句時間最長（3ms左右），但MAX197數(shù)據(jù)手冊規(guī)定其轉化時間為18μs，和實際測量時間差別很大，但是AD轉換的數(shù)值精度卻可以保證，因此排除芯片壞了的可能性。最終發(fā)現(xiàn)問題出在電容上，導致了芯片時鐘的錯誤。

改進后，AD轉換時間為12μs，軟件濾波采用堆棧的思想對20次轉換結果求平均值，圖2為單通道AD轉換時間示波器截圖。

圖2　AD轉換時間示波器截圖

2.3模擬量輸出AO

控制器采用TI公司的數(shù)模轉換芯片實現(xiàn)模擬量輸出的功能。前期設計過程中該部分沒有得到令人滿意的精度和結果［5］。本文在前期硬件電路設計的基礎上進行了該部分的軟件設計和優(yōu)化。在DA轉換軟件設計時需要注意單片機PORTG口的取值，需要綜合考慮PORTG口對芯片DAC和單片機其他功能的作用，前期就是因為PORTG口取值不對，所以導致軟件設計的失敗。經(jīng)過軟件改進和優(yōu)化，得到了高精度的DA轉換結果，具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示（4路AO任選1路）。

表1　DA轉換實驗數(shù)據(jù)

2.4編碼器信號接口

本AGC系統(tǒng)采用光電編碼器接收模塊來檢測位置信號和速度信號，即增量編碼器接收速度信號，絕對值編碼器接收位置信號，關于該部分的詳細說明可參閱文獻［6］。此處主要對絕對值編碼器信號采集的準確度及現(xiàn)場試驗的要求進行了一定的優(yōu)化和改進。

在實際軋機進行現(xiàn)場的閉環(huán)實驗之前，需要對閉環(huán)用到的各部分接口電路進行測試，只有各部分信號的準確無誤才可保證后期閉環(huán)實驗的成功?，F(xiàn)場對絕對值編碼器信號進行采集時，發(fā)現(xiàn)用本套單片機AGC系統(tǒng)與PLC采集的數(shù)值相差甚遠。分析排查后發(fā)現(xiàn)：

1）目前市面和大部分軋機現(xiàn)場的絕對值編碼器都是SSI格雷碼信號輸出的形式，系統(tǒng)前期也只針對格雷碼信號進行了數(shù)據(jù)處理及傳輸，但我們現(xiàn)場實驗軋機的編碼器卻是MTS公司的R系列位移傳感器，其輸出信號為SSI二進制編碼。

2）改進增加編碼器二進制信號輸出形式的處理后，對德國倍加福多圈編碼器AVM58N-011K1RHGN進行數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)和PLC采集信號仍然不完全相同，但出現(xiàn)規(guī)律性變化，采集數(shù)據(jù)成近乎成2倍關系，最終問題排查為前期軟件設計波特率設置錯誤。

圖3 現(xiàn)場液壓缸位置信號采集

圖3為改進后現(xiàn)場上位機通訊數(shù)據(jù)界面截圖，“缸位移實測值”為液壓缸位置，單位是μm，現(xiàn)場實驗表明，本套單片機控制器和PLC采集數(shù)據(jù)幾本一致，為60mm左右。

3　AGC控制系統(tǒng)的軟件設計

板帶軋機厚度控制系統(tǒng)的軟件設計包括模塊化的接口軟件設計和工藝軟件設計。健壯高效的接口程序不僅方便后期工藝程序的開發(fā)，也有利用系統(tǒng)用于其他開發(fā)，所以本文在規(guī)范優(yōu)化全部接口程序的基礎上設計了工藝程序。

板帶軋機AGC厚控系統(tǒng)的工藝軟件設計主要包括參數(shù)初始化、壓靠控制、開環(huán)控制、壓力閉環(huán)控制、位置閉環(huán)控制、厚度預控、厚度監(jiān)控、加減速補償、塑性剛度系數(shù)的辨識、泄荷控制、壓下調(diào)節(jié)、上下位機通訊等［7］，主程序如圖4所示。

中斷閉環(huán)控制是指壓力閉環(huán)［8］和位置閉環(huán)［8］控制，實際系統(tǒng)運行時只能是兩種閉環(huán)中的一種在工作。當人為選中一種模式工作時，系統(tǒng)會自動判斷該種模式的工作務件是否滿足，當滿足不了時會自動切換到另一種模式。如位置閉環(huán)情況下，當未達到設定位置時出現(xiàn)壓力超限，為了保護設備系統(tǒng)會自動切換到壓力閉環(huán)，并保持在允許的壓力范圍內(nèi)提示報警。

限于兩種閉環(huán)控制的實時性要求，將他們放在單片機定時中斷中，中斷程序必須盡量精簡，避免出現(xiàn)中斷重疊產(chǎn)生死機。中斷閉環(huán)控制程序首先判斷處于何種閉環(huán)狀態(tài)，之后轉入不同的閉環(huán)，讀取相應狀態(tài)下的設定值與實測值，并計算偏差，采用積分分離增量式PID控制算法控制輸出，最后兩種閉環(huán)計算結果都在相同的D/ A輸出。程序中PID控制的初始參數(shù)可以在上位機界面進行修改，由通訊傳到下位機，軟件流程圖如圖5所示。

經(jīng)實驗測量，在晶振為20M情況下，全部中斷程序運行時間為0.7ms左右，高于系統(tǒng)實時性要求，根據(jù)本系統(tǒng)實際軋制現(xiàn)場考慮，中斷時間可選擇范圍為1～5ms，建議選擇2ms定時中斷，既可以很好的滿足快速性要求，又可以給主函數(shù)更多的時間運行其他函數(shù)。

限于篇幅所限，壓靠、壓下調(diào)節(jié)、厚度預控、厚度監(jiān)控等工藝軟件設計不具體介紹。

圖4　AGC主程序軟件流程圖

4　半模擬實驗

為了驗證整套控制器設計的正確性，也為實機實驗奠定基礎，特搭建類似位置系統(tǒng)的模擬二階系統(tǒng)進行PID閉環(huán)控制，模擬二階系統(tǒng)電路如圖6所示，其中第二個運算放大器只取積分環(huán)節(jié)，因為實際軋機液壓缸位置閉環(huán)就是一個積分環(huán)節(jié)。

模擬二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

時間常數(shù)T=0.01s，阻尼比ζ=0.25。

如前所述，厚度控制的內(nèi)環(huán)是位置內(nèi)環(huán)和壓力內(nèi)環(huán)，因為軟件控制原理相似，此處只介紹位置內(nèi)環(huán)實驗。由于液壓位置伺服系統(tǒng)的響應速度很快，通常采用數(shù)字P或PI控制［9］，本實驗采用積分分離式PI控制算法實現(xiàn)位置內(nèi)環(huán)控制，具體調(diào)節(jié)和控制過程如下（實際示波器截圖）：

比例系數(shù)Kp調(diào)節(jié)過程如圖7所示。

圖5　中斷閉環(huán)控制軟件流程圖

圖6　模擬二級系統(tǒng)電路圖

圖7　比例系數(shù)Kp調(diào)節(jié)過程

積分系數(shù)Ki及積分分離線調(diào)節(jié)過程如圖8所示。

圖8　積分系數(shù)及積分分離線調(diào)節(jié)過程

通過積分分離式PI控制，如圖7、圖8所示，黑框對應參數(shù)控制效果最好：超調(diào)量小，快速性好，且沒有穩(wěn)態(tài)誤差。此時系統(tǒng)各項調(diào)節(jié)參數(shù)分別為：Kp=0.2，Ki=0.04，積分分離限=5。由模擬系統(tǒng)和實際軋機液壓位置系統(tǒng)的相似性，證明本套控制系統(tǒng)可實現(xiàn)閉環(huán)，設計正確，可進行實機實驗。

5　實機實驗

為了驗證本套控制系統(tǒng)的可行性，特將該套控制系統(tǒng)在某薄板生產(chǎn)廠家進行厚控實驗，中斷閉環(huán)時間采用2ms。該廠650mm軋機采用moog伺服閥控制執(zhí)行機構，泵站壓力15MPa，來料鋼種為65錳，設定最大允許軋制力4500kN，軋制速度最大為4.5m/s；主機額定功率：400kW，額定電流：982A；左右卷曲額定功率：400kW，額定電流：982A；開卷機額定功率：400kW，額定電流：982A。

表2　成品質量報表

表2給出了四種軋制規(guī)格下的產(chǎn)品合格率，可以看出10μm以內(nèi)的控制精度可以保證在95%以上，能夠滿足實際厚度控制的精度要求，證明該控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，實時性控制效果較好，可用于實際生產(chǎn)。

圖9　電控室現(xiàn)場實驗調(diào)試圖

6　結論

通過實機實驗，證明該套單片機AGC控制系統(tǒng)可用于實際生產(chǎn)。系統(tǒng)選用的采樣周期為2ms，周期可以根據(jù)現(xiàn)場的情況選定（1～5ms左右），當然本套板帶軋機單片機自動厚度控制系統(tǒng)后續(xù)還需要不斷的實驗改進和完善。

［1］ 謝東鋼，高林林.我國冷軋板帶材生產(chǎn)技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.重型機械，2011（4）：2-6.

［2］ Yang L， Yu B，Ding D， et al. Industrial shape detecting system of cold rolling strip［J］.Journal of Central South University，2012，19：994-1001.

［3］ Richard E. Haskell， Darrin M. Hanna.Digital Design Using Diligent FPGA Boards Verilog/active-HDL Edition［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010：12-15.

［4］ 孫一康，等.冷熱軋板帶軋機的模型與控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010：183-203.

［5］ 杜楠.基于單片機的AGC控制系統(tǒng)軟件設計與開發(fā)［D］.燕山大學，2014.

［6］ 車海軍，楊文婧，楊景明，等.基于FPGA的AGC系統(tǒng)位置測量信號接口電路設計［J］.電氣應用，2012（6）：32-35.

［7］ 連家創(chuàng)，劉宏民，楊景明，等.板厚板型控制［M］.北京兵器工業(yè)出版社，1996：10-17.

［8］ 彭燕華，劉安平，等.現(xiàn)代熱連軋自動厚度控制系統(tǒng)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009（9）：262-292.

［9］ Ang K H， Chong G， Li Y. PID control system analysis， design，and technology［J］.Control Systems Technology，IEEE Transactions on，2005，13（4）：559-576.

Improvement and experiment research of the single-chip microcomputer AGC control system for strip rolling mill

YANG Jing-ming1， SUN Du-juan1，2， ZHOU Hao-teng1， MENG Xian-teng1

TP23.0

B

1009-0134（2016）10-0024-05

2016-04-29

國家自然科學基金委員會與寶鋼集團有限公司聯(lián)合資助項目（U1260203）；河北省高等學校創(chuàng)新團隊領軍人才培育計劃資助項目（LJRC013）；河北省自然科學基金項目（F2016203249）

楊景明（1957 -），男，山西太原人，教授，博士，研究方向為冶金機械綜合自動化、智能控制和板帶板厚控制等。