肖俊生 左鴻飛 李文濤 王志春

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

結(jié)晶器是連鑄過程中的鑄坯成型設(shè)備，其振動使連續(xù)鑄鋼成為可能，而振動方式對鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有著重要影響[1-3]。連鑄結(jié)晶器振動方式經(jīng)歷了同步振動、梯形振動、正弦振動和非正弦振動[4-5]。非正弦振動方式因其對提高拉坯速度、鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率等具有顯著效果，逐漸成為結(jié)晶器振動主要應(yīng)用規(guī)律[6-7]。結(jié)晶器振動驅(qū)動方式主要有機(jī)械振動和電液伺服振動兩種，機(jī)械振動方式主要通過電機(jī)驅(qū)動偏心輪、橢圓齒輪和雙偏心連桿等機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各種振動規(guī)律。這種機(jī)械振動方式存在非正弦振動波形實(shí)現(xiàn)困難、長期使用機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損后振動波形變形及參數(shù)在線不可調(diào)等缺點(diǎn)[8-9]。電液伺服振動易于實(shí)現(xiàn)非正弦振動，具有波形參數(shù)任意可調(diào)、可實(shí)時在線修改、精度高、可實(shí)現(xiàn)多種振動方式工作等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用已越來越普遍[10-12]。

本文設(shè)計一種連鑄結(jié)晶器振動監(jiān)控系統(tǒng)，振動控制器采用32位微處理器STM32實(shí)現(xiàn)，控制器產(chǎn)生結(jié)晶器振動波形數(shù)據(jù)并實(shí)時采集結(jié)晶器位移數(shù)據(jù)，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出控制信號給液壓伺服機(jī)構(gòu)；同時采集閥芯位置、液壓缸壓力、拉速等信息，并將所采數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)通過LabVIEW平臺實(shí)現(xiàn)對結(jié)晶器振動波形、振動工作狀態(tài)的監(jiān)控及各種參數(shù)的設(shè)置工作。整個系統(tǒng)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)通訊，一臺上位機(jī)可同時監(jiān)控多臺結(jié)晶器振動控制器的工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

連鑄結(jié)晶器振動監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1，整個系統(tǒng)采用離散控制系統(tǒng)“集中管理、分散控制”的設(shè)計思路，主要包括上位機(jī)監(jiān)控中心、振動控制器、液壓伺服系統(tǒng)及振動臺。上位機(jī)監(jiān)控中心完成對多臺(本系統(tǒng)設(shè)計最多6臺)控制器的運(yùn)行監(jiān)控管理工作，主要包括結(jié)晶器振動波形、振動工作狀態(tài)的監(jiān)控及各種參數(shù)的設(shè)置工作。各振動控制器相互獨(dú)立運(yùn)行，主要產(chǎn)生振動波形數(shù)據(jù)并實(shí)時采集結(jié)晶器位移數(shù)據(jù)，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出控制信號給液壓伺服系統(tǒng)；同時采集閥芯位置、液壓缸壓力、拉速等信息，并將所采數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)。整個系統(tǒng)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)通訊，具有實(shí)時性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 振動控制器設(shè)計

2.1 控制器硬件設(shè)計

結(jié)晶器振動控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。核心控制器采用32位高性能ARM Cortex-M4處理器STM32F407，該處理器時鐘高達(dá)168 MHz，支持FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算)，自帶多路12位ADC，且具有CAN、以太網(wǎng)接口等多種通信接口[13]，非常符合本系統(tǒng)應(yīng)用要求。系統(tǒng)設(shè)計的功能模塊主要包括25位SSI振動位移信號模塊、16位DA及V/I轉(zhuǎn)換控制信號輸出模塊、4～20 mA模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、觸摸屏、CAN通信和Modbus TCP/IP通信接口。

振動控制器主要工作參數(shù)：波形頻率40～360 次/min，振幅0～±6.0 mm，偏斜率0～±0.4，控制精度±0.5 mm，控制輸出：±10 mA DC。

為了保證結(jié)晶器振動時內(nèi)外弧的同步性，2路SSI振動位移信號及2路控制輸出在硬件上都設(shè)計了同步控制信號，從硬件上保證了振動的同步性。振動位移傳感器采用MTS公司Temposonics-RD4型位移傳感器，該傳感器采用磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非接觸式位移測量，輸出25位格雷碼，測量范圍0～200 mm，測量精度達(dá)0.002 mm?？刂戚敵霾捎?6位高速DA芯片AD5660實(shí)現(xiàn)，AD5660輸出的電壓信號經(jīng)過高精度隔離轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為-10～+10 mA的電流控制信號，這樣方便實(shí)現(xiàn)信號遠(yuǎn)傳，也提高了信號的抗干擾能力。

2.2 控制器軟件設(shè)計

控制器軟件采用C51編程實(shí)現(xiàn)。主流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化后，按照預(yù)設(shè)參數(shù)生成振動波形，接著采集位移及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并處理上位機(jī)命令，如果收到啟動命令，則進(jìn)行PID運(yùn)算并輸出控制信號，然后將位移信息、控制器狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。為了防止出現(xiàn)振動波形突變給機(jī)械設(shè)備造成沖擊，程序中設(shè)定每次振動啟動或停止時都從預(yù)設(shè)的“零位中心點(diǎn)”開始，且只有結(jié)晶器處于停止?fàn)顟B(tài)時才允許修改振動波形參數(shù)。

3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW軟件平臺設(shè)計實(shí)現(xiàn)，在界面上可以直觀看到結(jié)晶器內(nèi)外弧的設(shè)定曲線和實(shí)時振動曲線，也可選擇同時顯示內(nèi)外弧的實(shí)時振動曲線以便觀察其同步性。同時對液壓缸壓力、拉坯速度等進(jìn)行顯示，也可對波形偏斜率、振動頻率及振幅等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行在線修改。如果發(fā)生了報警信息，監(jiān)控系統(tǒng)會以聲光報警的方式提醒操作者。

由于整個上位機(jī)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大，為了提高數(shù)據(jù)處理速度，軟件架構(gòu)采用發(fā)送循環(huán)/接收循環(huán)并行模式[14]。程序架構(gòu)如圖4所示，程序首先對CAN模塊進(jìn)行初始化并啟動CAN收發(fā)功能，如果啟動CAN模塊正常，則進(jìn)入兩個并行while循環(huán)，發(fā)送循環(huán)負(fù)責(zé)將上位機(jī)要下發(fā)的命令數(shù)據(jù)組織成完整的CAN報文，并通過發(fā)送模塊發(fā)送到CAN總線上；接收循環(huán)通過CAN接收模塊接收控制器發(fā)來的報文并解析，同時將解析后的數(shù)據(jù)送前面板顯示，這樣可保證收發(fā)同步進(jìn)行提高通信效率。當(dāng)收發(fā)任務(wù)完成后程序退出while循環(huán)，并執(zhí)行CAN模塊注銷釋放工作，進(jìn)而結(jié)束整個程序。

4 CAN通信協(xié)議設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控中心與各控制器通過CAN總線完成通信，CAN總線采用非破壞總線仲裁技術(shù)，具有抗干擾性強(qiáng)、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)非常適合本系統(tǒng)應(yīng)用[15]。上位機(jī)將振動波形參數(shù)、控制器啟停、手/自動等命令發(fā)送給控制器；同時，控制器將產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)及其他工作狀態(tài)參數(shù)通過CAN總線上傳到上位機(jī)。

系統(tǒng)CAN通信應(yīng)用層協(xié)議參照SAEJ1939及CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn),采用11位識別碼信息幀格式，11位標(biāo)識符定義如表1所示。

表1 11位標(biāo)識符定義表

表1中各部分意義如下:

(1)P:優(yōu)先級，由2位組成，分4級，0為最高級，3為最低級;

(2)PS:參數(shù)意義，共5位，如00011代表PID參數(shù)設(shè)置命令;

(3)ID:設(shè)備編號，共4位，可表示15臺控制設(shè)備，其中，1111代表全局命令，所有控制器都接收。

系統(tǒng)中根據(jù)需要設(shè)計了10種報文，根據(jù)命令發(fā)送方式不同又分為觸發(fā)性報文和周期性報文，上位機(jī)下發(fā)的命令、控制器發(fā)送的命令響應(yīng)、報警信息等為觸發(fā)報文，控制器上傳的狀態(tài)信息、振動位移數(shù)據(jù)信息為周期性報文。如控制器狀態(tài)信息報文，其發(fā)送周期為100 ms，格式如表2。

表2 狀態(tài)信息報文格式

其中消息內(nèi)容為：

第一字節(jié)：拉速信息

第二字節(jié)：液壓閥1位置

第三字節(jié)：液壓閥2位置

第四字節(jié)：液壓閥1狀態(tài)

第五字節(jié)：液壓閥2狀態(tài)

第六字節(jié)：保留

5 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在某公司提供的結(jié)晶器振動試驗(yàn)臺上進(jìn)行了實(shí)際測試，其中一組振動測試結(jié)果如圖5所示：振動波形為非正弦波，頻率4.5 Hz，振幅2 mm，偏斜率0.4，振動中心點(diǎn)為52 mm位置。圖中右下角曲線顯示的為設(shè)定位移曲線和實(shí)測振動位移曲線，從圖5中可以看出實(shí)測振動曲線和設(shè)定曲線形態(tài)完全一致，實(shí)測振動曲線比設(shè)定曲線在時間上存在一些滯后，這跟實(shí)際情況是完全相符的。從實(shí)際測試結(jié)果可以看出，該振動監(jiān)控系統(tǒng)對于設(shè)定振動曲線的跟蹤效果良好，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置修改方便、運(yùn)行平穩(wěn)。

6 結(jié)語

本文介紹了一種連鑄結(jié)晶器振動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動波形的生成、實(shí)際振動位移的采集、振動控制輸出、參數(shù)設(shè)置及系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控。系統(tǒng)在實(shí)際結(jié)晶器振動臺上進(jìn)行了試驗(yàn)測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、界面友好，操作簡便、擴(kuò)展性強(qiáng)且成本低，具有很好的推廣價值。