李志明 ，彭艷，于丙強(qiáng) ，劉宏民

(1.燕山大學(xué) 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島，066004 2.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島，066004；3.燕山大學(xué) 環(huán)境化學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島，066004)

冷軋帶鋼板形儀的種類繁多，其檢測(cè)原理各不相同；在板形檢測(cè)過(guò)程中按照帶鋼與板形輥是否接觸，可分為接觸式和非接觸式 2類[1]。目前，國(guó)際上許多著名的公司都有其各自的板形檢測(cè)設(shè)備，如接觸式的典型代表有瑞典ABB板形儀、德國(guó)SMS Demag和SundWing板形儀，非接觸式的典型代表有英國(guó)的VIDIMON板形儀、德國(guó)的SI-Flat板形儀等[1?4]。從冷軋帶鋼生產(chǎn)中的板形精度要求及我國(guó)的應(yīng)用情況來(lái)看，實(shí)際應(yīng)用的板形儀絕大多數(shù)都屬于接觸式分段測(cè)張板形儀，其中ABB板形儀占到了60%；近年來(lái)，SI-Flat板形儀在國(guó)內(nèi)外的普碳鋼、不銹鋼和有色產(chǎn)品的可逆冷軋機(jī)和冷連軋機(jī)中也得到了較為廣泛的應(yīng)用。板形儀的研制技術(shù)一直為國(guó)外企業(yè)所壟斷，是困擾我國(guó)提升板形檢測(cè)與控制水平的重大基礎(chǔ)性技術(shù)難題。自20世紀(jì)70年代末，國(guó)內(nèi)很多科研院所，就開展了板形儀的研究工作，雖然取得較大成績(jī)，但在工業(yè)生產(chǎn)中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的國(guó)產(chǎn)板形儀仍屬空白[1?2]。板形儀測(cè)量信號(hào)的精確性、采樣頻率、實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性等均與板形信號(hào)處理系統(tǒng)具有密不可分的關(guān)系[5]；板形信號(hào)處理性能直接影響著冷軋帶鋼板形閉環(huán)控制的效果。因此，對(duì)板形信號(hào)處理個(gè)環(huán)節(jié)展開深入研究，以期從本質(zhì)上提高板形信號(hào)處理系統(tǒng)的整體性能，對(duì)于自主研制性能達(dá)到、乃至超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平的冷軋帶鋼板形儀具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文作者以自主研制的接觸式分段測(cè)張板形輥[6-9]為研究對(duì)象，對(duì)板形信號(hào)處理系統(tǒng)展開深入研究，并相應(yīng)地研制了板形信號(hào)處理的硬軟件系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、標(biāo)定后，將該套板形儀與現(xiàn)有AFC系統(tǒng)共同投入到了某廠1250HC冷軋機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)之中，并驗(yàn)證了板形信號(hào)處理系統(tǒng)的抗干擾能力、檢測(cè)精度、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性等。

1 板形信號(hào)處理系統(tǒng)架構(gòu)模型研究

1.1 傳統(tǒng)板形信號(hào)處理系統(tǒng)架構(gòu)模型的不足及成因

對(duì)于采用壓磁傳感的板形儀而言，其信號(hào)處理的通常做法是在板形信號(hào)傳輸及提取原理的基礎(chǔ)上[10]，設(shè)計(jì)模擬電路板，來(lái)實(shí)現(xiàn)板形信號(hào)的放大、濾波、提取等環(huán)節(jié)；設(shè)計(jì)峰值鎖存電路，來(lái)保持板形信號(hào)的正負(fù)峰值；然后，利用多塊數(shù)據(jù)采集板卡對(duì)鎖存的峰值信號(hào)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到上位機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理[11?14]。按上述模式構(gòu)建的板形信號(hào)處理系統(tǒng)可稱之為“模擬電路板+數(shù)據(jù)采集卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型，如圖1所示。

在該模型中，由于冷軋機(jī)組控制室處于高壓電磁場(chǎng)的重疊包圍之中，模擬電路板及電信號(hào)極易受到外界干擾，導(dǎo)致信號(hào)處理過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重失真、異常等現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)抗干擾能力極差；利用多塊數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，其采樣頻率有限，采樣精度不高、系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)性差；上位機(jī)軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等工作，負(fù)載過(guò)大，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性較差。此外，激磁信號(hào)采用文獻(xiàn)[10]中所述的傳統(tǒng)方法產(chǎn)生，其幅頻特性易受外界溫度及噪聲的干擾，使得板形檢測(cè)精度受損?？傊?，上述問題產(chǎn)生的根本原因在于整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)松散、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性差、抗干擾能力弱、上位機(jī)工作負(fù)載大等。

1.2 新型板形信號(hào)處理系統(tǒng)架構(gòu)模型

為提高板形信號(hào)處理系統(tǒng)的整體性能，針對(duì)“模擬電路板+數(shù)據(jù)采集卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型的不足及其成因，本文從增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性能、減輕上位機(jī)工作負(fù)載、提高激磁信號(hào)品質(zhì)等角度出發(fā)，提出 “信號(hào)處理板卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型，如圖2所示。

圖1 “模擬電路板+數(shù)據(jù)采集卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型Fig.1 System architecture model on analog circuit board,data acquisition card and upper machine software

在該模型中，將板形信號(hào)的前置放大、濾波、信號(hào)提取等功能均置于到PCB集成電路板中，以提高板形信號(hào)的抗干擾能力；以 DSP芯片作為控制核心部件，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、峰值計(jì)算、測(cè)頻、鑒向、與外設(shè)通訊等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的功能，極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并有效減輕上位機(jī)工作負(fù)載；采用文獻(xiàn)[10]提出的基于單片機(jī)的激磁信號(hào)產(chǎn)生方法產(chǎn)生幅頻特性穩(wěn)定的激磁信號(hào)和參考信號(hào)，保證板形信號(hào)在傳輸及提取過(guò)程中的品質(zhì)，避免精度損失。上位機(jī)軟件系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)以圖形方式直觀的顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能。該系統(tǒng)架構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，上位機(jī)工作負(fù)載小，有效增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及可靠性，保證了板形信號(hào)處理的轉(zhuǎn)換精度要求。

1.3 新型系統(tǒng)架構(gòu)模型信號(hào)處理流程

在新系統(tǒng)架構(gòu)模型中，板形信號(hào)自產(chǎn)生，直至將板形信息以直觀形式展示給用戶，期間經(jīng)歷了多個(gè)處理環(huán)節(jié)，具體處理流程如圖3所示。

處理環(huán)節(jié)1～7均在板形信號(hào)處理板卡中實(shí)現(xiàn)；其中，處理環(huán)節(jié)4和處理環(huán)節(jié)5需借助光電編碼器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)。處理環(huán)節(jié) 8～13在上位機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)和板形信號(hào)處理板卡之間，通過(guò)硬件通訊接口、按照制定的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；通訊接口的選取，應(yīng)考慮板形數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

圖2 “信號(hào)處理板卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型Fig.2 System architecture model on signal processing board and upper machine software

圖3 板形信號(hào)處理流程Fig.3 Processing flow of shape signal

在上位機(jī)軟件系統(tǒng)中，處理環(huán)節(jié) 9～12對(duì)板形檢測(cè)精度均有很大的影響。因此，對(duì)上述環(huán)節(jié)的處理方法及補(bǔ)償方法等進(jìn)行深入研究，采取切合實(shí)際的補(bǔ)償模型進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償，對(duì)于提高板形檢測(cè)精度很有必要。

2 板形信號(hào)補(bǔ)償

在冷軋帶鋼的板形檢測(cè)過(guò)程中，由于外界干擾對(duì)檢測(cè)信號(hào)影響很大，所以在線檢測(cè)板形信號(hào)與真實(shí)板形之間必有一定的偏差。為了提高板形檢測(cè)精度，需對(duì)影響板形在線檢測(cè)精度較大的因素進(jìn)行相應(yīng)地補(bǔ)償研究，從而最大限度消除其影響。

2.1 幅頻特性補(bǔ)償

由于板形信號(hào)處理板卡中采用了大量的二階濾波電路，隨著輸入信號(hào)的頻率變化，其輸出信號(hào)的幅值會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化；主要反映在信號(hào)頻率增大時(shí)其幅值隨之減小。所以，有必要對(duì)板形信號(hào)的幅頻特性進(jìn)行必要補(bǔ)償。

為了更好地對(duì)板形信號(hào)的幅頻特性進(jìn)行補(bǔ)償，本文結(jié)合自主研制的接觸式分段測(cè)張板形輥研制了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由可移動(dòng)機(jī)座、環(huán)形帶、測(cè)力計(jì)、導(dǎo)輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在工作臺(tái)上連接2個(gè)可移動(dòng)機(jī)座，右側(cè)機(jī)座可通過(guò)旋緊或旋松螺栓實(shí)現(xiàn)環(huán)形帶的張力調(diào)整。在右側(cè)機(jī)座中，安裝滑動(dòng)式轉(zhuǎn)輪及拉桿；拉桿上貼有應(yīng)變傳感器并連接電子測(cè)力器，用于測(cè)定拉力。此外，左側(cè)機(jī)座可以通過(guò)旋緊或旋松螺栓實(shí)現(xiàn)包角的調(diào)整，因此，該套裝置也可用于板形儀的包角補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 幅頻特性實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of amplitude-frequency characteristic experimental installation

A/D值為板形信號(hào)處理系統(tǒng)測(cè)得的、未轉(zhuǎn)化為電壓前的無(wú)量綱數(shù)值，它反映了測(cè)量單元所受徑向壓力；在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，將A/D值等效視為徑向壓力。首先設(shè)置額定載荷，通過(guò)變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，用上位機(jī)軟件系統(tǒng)記錄不同轉(zhuǎn)速下的信號(hào)電壓輸出A/D值。對(duì)于采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次曲線擬合，從而確定該測(cè)量單元的幅頻特性曲線。圖5所示為某測(cè)量通道的幅頻特性曲線，其中，y為板形信號(hào)處理板卡輸出的A/D值；x為板形輥的旋轉(zhuǎn)頻率；a，b及c為擬合系數(shù)。

圖5 板形信號(hào)的幅頻特性曲線Fig.5 Amplitude?frequency characteristic curve of shape signal

從圖5可以看出：隨著板形信號(hào)頻率的增加，在相同載荷作用下該通道輸出的板形信號(hào)幅值不斷降低。在板形輥旋轉(zhuǎn)頻率小于12 Hz時(shí)，即轉(zhuǎn)速小于600 m/min時(shí)，信號(hào)幅值變化較大；當(dāng)大于12 Hz時(shí)，輸出信號(hào)幅值趨于穩(wěn)定。

將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次曲線擬合，設(shè)所得表達(dá)式為

由式(1)可知：當(dāng)板形輥旋轉(zhuǎn)頻率很低時(shí)，其輸出幅值近似為c；相應(yīng)地，幅頻特性補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)確定為過(guò)數(shù)值軸c點(diǎn)且與分類軸平行的直線，即y′=c。幅頻特性的補(bǔ)償量可確定為補(bǔ)償目標(biāo)與幅頻特性曲線的差值：

圖5所示僅為某測(cè)量單元在單一額定載荷下所測(cè)得的頻幅特性曲線。在實(shí)際補(bǔ)償前，應(yīng)首先測(cè)得幾個(gè)典型額定載荷的頻幅特性曲線，從而得到頻幅特性曲線族；在實(shí)際應(yīng)用中，依據(jù)所測(cè)載荷及其頻率范圍，通過(guò)插值算法確定最終的補(bǔ)償量。

2.2 帶鋼邊部覆蓋補(bǔ)償

在生產(chǎn)實(shí)際中，帶鋼寬度與板形輥有效測(cè)量寬度通常是不一致的；帶鋼邊部難以完全覆蓋邊部測(cè)量單元，僅能覆蓋測(cè)量單元的一部分，如圖6所示。在該情況下，若用邊部測(cè)量單元整個(gè)寬度計(jì)算其所測(cè)張應(yīng)力，則該通道的實(shí)測(cè)張應(yīng)力就會(huì)小于真實(shí)張應(yīng)力，從而影響帶鋼板形的檢測(cè)精度，因此，有必要對(duì)被帶鋼邊部部分覆蓋的測(cè)量單元的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

圖6 邊部測(cè)量單元覆蓋情況示意圖Fig.6 Schematic of marginal measuring unit coated by clod strip

在理想狀態(tài)下，假設(shè)帶鋼中線與軋制中線(板形輥中線)重合，帶鋼寬度為B，測(cè)量單元寬度為b，邊部測(cè)量單元覆蓋寬度為bs，則板帶完全覆蓋的測(cè)量單元個(gè)數(shù)為n=[B/b]，其中：[·]表示取整運(yùn)算。邊部測(cè)量單元覆蓋寬度bs依據(jù)式(3)計(jì)算。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，帶鋼有時(shí)會(huì)發(fā)生向某一側(cè)跑偏的情況，因此，會(huì)出現(xiàn)帶鋼兩側(cè)對(duì)邊部2個(gè)測(cè)量單元不對(duì)稱覆蓋的情況。若按照式(3)計(jì)算邊部測(cè)量單元的覆蓋寬度則會(huì)產(chǎn)生較大的檢測(cè)誤差，因此，必須在此式(3)基礎(chǔ)上對(duì)帶鋼跑偏量進(jìn)一步修正。假設(shè)帶鋼向某一側(cè)的跑偏量為Δs，則帶鋼跑偏側(cè)的邊部測(cè)量單元覆蓋寬度bs′按式(4)計(jì)算，另一側(cè)的邊部測(cè)量單元覆蓋寬度bs″按式(5)計(jì)算。

其中，[·]表示取整運(yùn)算。

根據(jù)圣維南原理可知，作用在彈性體表面的載荷分布發(fā)生變化時(shí)，彈性體與溝槽接觸區(qū)域的壓力不受影響；壓磁傳感器的輸出信號(hào)只與傳感器所受到的帶鋼張力大小有關(guān)，而與張力分布情況無(wú)關(guān)；測(cè)量單元所受張力與輸出信號(hào)近似為線性關(guān)系?；谏鲜龇治觯耆采w的測(cè)量單元無(wú)需補(bǔ)償；對(duì)未完全覆蓋的邊部測(cè)量單元進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，將測(cè)得的張應(yīng)力乘以一修正系數(shù)η，其值按式(6)計(jì)算。

定義 1/η為帶鋼對(duì)邊部測(cè)量單元的覆蓋率。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，若 1/η≤0.4，則放棄邊部測(cè)量單元的測(cè)量值，將其視為無(wú)效測(cè)量通道；反之，則按式(7)對(duì)板形輥邊部測(cè)量單元i測(cè)得的張應(yīng)力進(jìn)行帶鋼邊部覆蓋補(bǔ)償。

此外，對(duì)于板形檢測(cè)信號(hào)的補(bǔ)償問題，還應(yīng)考慮帶鋼包角補(bǔ)償、帶鋼橫向溫差補(bǔ)償、板形輥撓度補(bǔ)償及帶鋼卷形補(bǔ)償?shù)萚15?16]。

3 板形信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 板形信號(hào)處理板卡

項(xiàng)目要求為某廠1250HC冷軋機(jī)配備板形儀的同時(shí)，還要提供與原有AFC系統(tǒng)相匹配的通訊接口，以為其提供板形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)板形閉環(huán)控制。按照系統(tǒng)實(shí)際需求設(shè)計(jì)的信號(hào)處理板卡的邏輯結(jié)構(gòu)如圖7所示。

輥體出信號(hào)作為板形信號(hào)處理板的輸入信號(hào)。輸入信號(hào)經(jīng)鎖相放大電路處理后，重新得到壓力信號(hào)；經(jīng)高速模擬開關(guān)ADG406，進(jìn)入16位精度的A/D芯片 AD7665進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過(guò)磁藕隔離ADUM1400，通過(guò)16位數(shù)據(jù)總線與DSP芯片相連。板形信號(hào)處理板卡將板形輥旋轉(zhuǎn)1周內(nèi)采集的各路數(shù)據(jù)存放在與DSP芯片相連的隨機(jī)存取器RAM中。利用DSP芯片內(nèi)部的eQEP模塊，根據(jù)光電編碼器輸入的 QEPA，QEPB及零位信號(hào)獲取板形輥旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度、零位信號(hào)是否到達(dá)等信息。TMS320F28335 DSP芯片將板形輥一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的板形測(cè)量結(jié)果、旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)頻率、卷徑等數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議封裝后，發(fā)送至 USB接口，以供上位機(jī)軟件讀取。DSP處理后的板形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD7841進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完畢后，用DA_READY信號(hào)(0～5V)觸發(fā)AFC系統(tǒng)讀取處理完畢的各通道信號(hào)。板形信號(hào)處理板與AFC系統(tǒng)通訊接口為DB50，采用0～10V單端電壓信號(hào)傳輸。

考慮軋制現(xiàn)場(chǎng)高壓設(shè)備眾多，電磁干擾嚴(yán)重，信號(hào)處理板中使用了大量的隔離器件、濾波電路，例如ADUM1400，ADMU1201和二階濾波電路等，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.2 激磁電源系統(tǒng)

圖7 板形信號(hào)處理板邏輯結(jié)構(gòu)Fig.7 Logical structure of shape signal processing board

為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的噪聲環(huán)境及避免電磁干擾，增強(qiáng)板形信檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研制了板形儀的激磁電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)由±15 V和±27 V線性電源各1塊、激磁信號(hào)電路板1塊、智能電壓、電流表各1塊組成，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 激磁電源系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.8 Logical structure of exciting power system

由圖8可知：激磁電源系統(tǒng)有2個(gè)激磁信號(hào)輸出端口。2路激磁信號(hào)均從智能電流表中引出，一路接至整輥鑲塊式板形檢測(cè)輥壓磁傳感器的激磁繞組，作為所測(cè)徑向壓力信號(hào)的載波信號(hào)；另一路接至板形信號(hào)處理板卡，作為參考信號(hào)提供給鎖相放大電路。

3.3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

綜合運(yùn)用多線程、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及控件安全等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套功能完善、性能穩(wěn)定的上位機(jī)軟件系統(tǒng)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)通過(guò)USB接口與板形信號(hào)處理板卡相連，在驅(qū)動(dòng)程序的支持下可接收和下發(fā)數(shù)據(jù)包。按照通訊協(xié)議解析接收的數(shù)據(jù)包，獲得板形信息、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、卷徑等數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)補(bǔ)償、相應(yīng)運(yùn)算后以直觀的圖形方式將在線檢測(cè)板形信息實(shí)時(shí)顯示出來(lái)以供用戶觀測(cè)。按照通訊協(xié)議，封裝數(shù)據(jù)包并下發(fā)，可實(shí)現(xiàn)板形信號(hào)處理系統(tǒng)與AFC系統(tǒng)的通訊測(cè)試。上位機(jī)軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 上位機(jī)軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.9 Software functional structure of upper computer

4 板形儀的高精度動(dòng)態(tài)標(biāo)定

4.1 標(biāo)定設(shè)備及原理

圖10 板形儀標(biāo)定裝置Fig.10 Calibration device for shape meter

板形儀的標(biāo)定是對(duì)板形信號(hào)的綜合系數(shù)補(bǔ)償，處于信號(hào)補(bǔ)償?shù)淖詈笠粋€(gè)環(huán)節(jié)。板形儀的標(biāo)定精度將會(huì)在很大程度上影響冷軋帶鋼板形的在線實(shí)測(cè)精度，因此，提高板形儀的標(biāo)定精度亦是提高板形檢測(cè)精度的關(guān)鍵問題之一。針對(duì)板形儀標(biāo)定實(shí)驗(yàn)載荷加載的特點(diǎn)，相應(yīng)地研制了動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)備。該套板形儀標(biāo)定設(shè)備及其構(gòu)件見圖10所示，配備了3個(gè)標(biāo)定砝碼(10.05 kg)和1個(gè)驗(yàn)證砝碼(5 kg)。

標(biāo)定時(shí)，將砝碼放在拉桿上，通過(guò)壓輪滾動(dòng)與板形輥見得接觸滾動(dòng)來(lái)保持標(biāo)定桿及砝碼平衡，并通過(guò)壓輪將等效徑向壓力傳遞給板形輥。上述標(biāo)定設(shè)備與加載在測(cè)量單元上的徑向壓力之間的力學(xué)等效關(guān)系如圖11所示。

圖11 等效徑向壓力與標(biāo)定桿的關(guān)系Fig.11 Relation between equivalent radial pressure and calibration perch

設(shè)壓輪位置的等效質(zhì)量為m，其對(duì)測(cè)量單元輥面產(chǎn)生的徑向壓力(支撐力)為F；拉桿質(zhì)量為m0，壓輪質(zhì)量為m1，標(biāo)定桿質(zhì)量為m2，砝碼質(zhì)量為m3，標(biāo)定桿長(zhǎng)為L(zhǎng)，則根據(jù)杠桿平衡條件可得

其中，g為重力加速度。

進(jìn)而，可求得壓輪位置產(chǎn)生的等效質(zhì)量和徑向壓力：

用電子秤測(cè)量上述各有關(guān)構(gòu)件的實(shí)際質(zhì)量，利用式(9)和(10)，求得壓輪位置作用于輥面的等效質(zhì)量及等效徑向壓力；每增加一個(gè)標(biāo)定砝碼，輥面所受的徑向壓力也隨之改變。

4.2 標(biāo)定系數(shù)的確定及其精度檢驗(yàn)

設(shè)板形輥的測(cè)量單元i對(duì)應(yīng)的輥面受徑向壓力為F(i)，則壓磁傳感器產(chǎn)生的板形信號(hào)經(jīng)傳輸、提取后，得到相應(yīng)的電壓信號(hào)V(i)，再經(jīng)16位A/D轉(zhuǎn)換后，得到與V(i)對(duì)應(yīng)的數(shù)值。此處，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋求測(cè)量單元所受徑向壓力與A/D值之間的關(guān)系。

利用圖10所示的標(biāo)定設(shè)備對(duì)板形儀各測(cè)量通道進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。通過(guò)變頻器將板形輥轉(zhuǎn)速調(diào)至額定標(biāo)定速度(約90 m/min)；系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，讀取上位機(jī)軟件系統(tǒng)中顯示的標(biāo)定通道的 A/D值并記錄；此時(shí)，該值為測(cè)量通道的空載值；將標(biāo)定桿的壓輪對(duì)準(zhǔn)欲標(biāo)定通道測(cè)量單元的位置放置，記錄穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下該測(cè)量通道的A/D值。在拉桿下方，依次加載標(biāo)定砝碼(10.05 kg)個(gè)數(shù)至3個(gè)，再依次減少標(biāo)定砝碼個(gè)數(shù)至0個(gè)，讀取并記錄每增加或減少1個(gè)砝碼后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的A/D值。將相同載荷的2次A/D值平均后作為該通道的標(biāo)定值。

按上述步驟標(biāo)定完所有測(cè)量通道后，得到各個(gè)通道及其不同等效徑向壓力作用下A/D值之間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。將各通道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)二次擬合，確定出各通道的A/D值與輥面所受徑向壓力之間的關(guān)系式。將二次擬合得到的各通道標(biāo)定系數(shù)輸入到上位機(jī)軟件系統(tǒng)中，即可在線測(cè)量板帶對(duì)板形檢測(cè)各通道的徑向壓力。再引入驗(yàn)證砝碼(5 kg)，檢驗(yàn)各通道的標(biāo)定精度。若某測(cè)量單元不能滿足標(biāo)定精度要求，則需重新進(jìn)行標(biāo)定。該套板形儀的標(biāo)定精度要求為2%。

5 工業(yè)應(yīng)用

板形信號(hào)處理系統(tǒng)是板形儀的重要組成部分，但無(wú)法對(duì)其單獨(dú)進(jìn)行工業(yè)驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定、通訊測(cè)試后，將該套板形儀與 AFC系統(tǒng)結(jié)合投入到了某廠1250HC可逆六輥冷軋機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之中，根據(jù)運(yùn)行狀況及產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的抗干擾能力、板形檢測(cè)精度、板形閉環(huán)控制效果等進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證。

5.1 板形信號(hào)抗干擾能力及穩(wěn)定性驗(yàn)證

板形信號(hào)處理系統(tǒng)，尤其是其硬件系統(tǒng)，從板形信號(hào)處理板卡和激磁電源系統(tǒng)研制的各個(gè)環(huán)節(jié)均考慮了冷軋現(xiàn)場(chǎng)惡劣的干擾環(huán)境，并采取了相應(yīng)的隔離、濾波、接地等抗干擾措施。某廠1250HC冷軋機(jī)生產(chǎn)帶鋼時(shí)(鋼卷號(hào)為 A9911011000000，材質(zhì)為st12，帶材寬度為 1 045 mm，軋制速度為 238.57 m/min)，板帶覆蓋了板形檢測(cè)輥的2至22通道；通過(guò)上位機(jī)軟件系統(tǒng)顯示了各路波形。從實(shí)測(cè)波形中可以發(fā)現(xiàn)，未被板帶覆蓋的1及23通道的板形信號(hào)波形近似一條直線；被帶鋼覆蓋的各路板形信號(hào)波形平滑，無(wú)毛刺、失真等現(xiàn)象；圖12所示為11通道及20通道的實(shí)測(cè)板形信號(hào)的原始波形。

經(jīng)過(guò)在高速、大張力等復(fù)雜工況條件下的檢驗(yàn)，板形信號(hào)的狀態(tài)依然如上所述。當(dāng)系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)，各通道的信號(hào)無(wú)零漂現(xiàn)象發(fā)生。由此可見，該套板形信號(hào)處理系統(tǒng)能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況及復(fù)雜的軋制條件，具有良好的抗干擾能力及穩(wěn)定性、無(wú)信號(hào)零漂現(xiàn)象發(fā)生，為高精度的板形閉環(huán)控制奠定了基礎(chǔ)。

5.2 板形檢測(cè)精度驗(yàn)證

圖12 實(shí)測(cè)板形信號(hào)原始波形Fig.12 Original waveform of real measurement shape signal

為了驗(yàn)證板形檢測(cè)精度，對(duì)多卷帶鋼的在線檢測(cè)與離線檢測(cè)的板形值進(jìn)行了對(duì)比。獲取離線檢測(cè)板形值的方法是取一定長(zhǎng)度和寬度的帶鋼平鋪于平臺(tái)上，用米尺測(cè)量起浪長(zhǎng)度(分辨率為0.5 mm)，用千分表測(cè)量起浪高度(分辨率為 1 μm)，得到實(shí)測(cè)陡度(浪高/浪長(zhǎng))，然后按有關(guān)定義計(jì)算板形(1I表示相對(duì)長(zhǎng)度差為10?5)。獲取在線板形檢測(cè)值的方法是在軋制過(guò)程中，利用板形儀的上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)記錄在線檢測(cè)的板形數(shù)據(jù)，然后結(jié)合時(shí)間和帶長(zhǎng)截取與離線檢測(cè)帶鋼段相應(yīng)的板形數(shù)據(jù)，計(jì)算板形。表1所示為開環(huán)與閉環(huán)狀態(tài)下板形檢測(cè)精度的對(duì)比。

從表1可以發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是在開環(huán)狀態(tài)還是在閉環(huán)狀態(tài)下，在線檢測(cè)和離線測(cè)量值的對(duì)比誤差基本在5%以內(nèi)。這表明，在該板形儀研制過(guò)程中，所采取的提高板形檢測(cè)精度的各種關(guān)鍵性工作取得了良好效果，從而使其在線檢測(cè)精度很高。

表1 板形檢測(cè)精度對(duì)比Table 1 Shape measurement precision contrast

5.3 超薄帶鋼板形閉環(huán)控制實(shí)例

鋼卷號(hào)為A8899999，帶鋼寬度1 045 mm，成品厚度0.18 mm，壓下率18.6%，材質(zhì)為ST12，成品第5道次板形閉環(huán)控制長(zhǎng)度方向板形值如圖13所示。由圖13可見，超薄帶鋼穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)，帶鋼板形偏差控制在6I以下，表明該板形儀的信號(hào)處理系統(tǒng)具有極高的檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)精度及實(shí)時(shí)性，適用于超薄冷軋帶鋼產(chǎn)品的板形控制。

圖13 長(zhǎng)度方向上的板形偏差曲線Fig.13 Shape deviation curve in length direction

6 結(jié)論

(1)針對(duì)傳統(tǒng)板形信號(hào)處理系統(tǒng)架構(gòu)方案的不足及其成因，提出了一種“信號(hào)處理板+上位機(jī)軟件系統(tǒng)”的系統(tǒng)架構(gòu)模型。該模型中，采用以DSP芯片為核心并配以外圍器件及電路的方法研制板形信號(hào)處理板卡，數(shù)據(jù)采集與處理、測(cè)頻、鑒向、與外圍設(shè)備通訊等實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的任務(wù)由信號(hào)處理板來(lái)完成，有效減輕上位機(jī)工作負(fù)載。該模型可有效增強(qiáng)板形信號(hào)處理系統(tǒng)的抗干擾能力、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及檢測(cè)精度。

(2)利用自主研制的有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定了板形信號(hào)的幅頻特性補(bǔ)償模型及標(biāo)定系數(shù)；通過(guò)理論分析，確定了適合帶鋼偏移軋制中心線情況的帶鋼邊部覆蓋補(bǔ)償模型。

(3)結(jié)合項(xiàng)目需求，自主設(shè)計(jì)并開發(fā)了板形信號(hào)處理系統(tǒng)，并最終投入到了1250冷軋機(jī)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。該板形信號(hào)處理系統(tǒng)各路信號(hào)平滑、穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，保證了信號(hào)處理及傳輸?shù)木燃皩?shí)時(shí)性要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取得了良好的板形檢測(cè)及控制效果。本文提出的板形信號(hào)處理系統(tǒng)架構(gòu)模型、板形信號(hào)補(bǔ)償?shù)难芯糠椒ǖ葘?duì)我國(guó)自主研制高性能的板形信號(hào)處理系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義。

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