謝 明，任中立，李開(kāi)添，胡會(huì)康

（中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海200941）

為節(jié)能降耗，鋼鐵公司實(shí)行的是鋼坯熱裝熱送。而煉鋼車間與棒材車間一般相距較遠(yuǎn)，需采用公路熱送模式。公路熱送的載體則是一種重載半掛車作為牽引，頭掛上專用保溫罩機(jī)構(gòu)的鋼坯保溫車。鋼坯可直接從臺(tái)架上裝車，運(yùn)到目的地后再?gòu)谋剀囍苯由狭涎b爐，減少了鋼坯的入庫(kù)環(huán)節(jié)，大幅降低了鋼坯熱量的損耗，節(jié)能效果顯著。本文探討研制鋼坯保溫車保溫罩機(jī)構(gòu)（下稱“保溫罩”）的電氣控制系統(tǒng)，針對(duì)保溫罩電氣系統(tǒng)中可編程微處理器（MCU）的軟硬件、控制原理、PCB控制板制作及性能檢測(cè)進(jìn)行分析。

1 MCU軟硬件

1.1 AVR ATMega48簡(jiǎn)介

ATMEL在其產(chǎn)品中融入了先進(jìn)的EEPROM和FlashROM，使產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、性能和功能方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。而鋼坯保溫車由于工藝特殊性及使用空間局限性，結(jié)構(gòu)緊湊且動(dòng)作順序須嚴(yán)格按預(yù)定程序執(zhí)行。因此選用ATMEL公司基于AVR內(nèi)核的工業(yè)級(jí)處理器ATMega48（工作溫度－40℃～85℃）作為保溫罩的MCU，通過(guò)匹配必要的擴(kuò)展及驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)一套可靠、穩(wěn)定、可編程的保溫罩電氣控制系統(tǒng)。

作為保溫罩的控制核心的ATmega48微處理器，MCU是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)低功耗8位CMOS微控制器。其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，使得其數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／Hz，從而緩解系統(tǒng)在功耗與處理速度之間的矛盾。

ATMega48主要有如下特點(diǎn)：4K系統(tǒng)可編程FLASH，256字節(jié)EEPROM，512字節(jié)RAM，23個(gè)通用I／O口，32個(gè)通用工作寄存器，3個(gè)具有比較模式的T／C，片內(nèi)／外中斷，可編程看門狗定時(shí)器以及6個(gè)省電模式等。

本文采用TQFP封裝形式，其引腳分配見(jiàn)圖1。

圖1 ATmega48外觀及引腳圖

1.2 開(kāi)發(fā)軟件

AVR內(nèi)核MCU具有一整套編程與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，包括匯編、C語(yǔ)言編譯器，程序調(diào)試、軟件仿真器等，本文采用以高級(jí)語(yǔ)言C為設(shè)計(jì)手段的Code－Vision（簡(jiǎn)稱CAVAR）作為本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)軟件。該軟件是HP專門為AVR內(nèi)核設(shè)計(jì)的一款低成本的C語(yǔ)言編譯器，產(chǎn)生的代碼非常嚴(yán)密，效率很高，主要具有如下特點(diǎn)：1）支持bit＼char＼short＼int＼long＼float以及指針等多種數(shù)據(jù)類型，充分利用存儲(chǔ)器；2）內(nèi)建針對(duì)AVR優(yōu)化的多種選項(xiàng)；3）擴(kuò)展的一些標(biāo)準(zhǔn)的外部器件支持和接口函數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)字符LCD、SPI接口、延時(shí)等；4）可以直接在C中寫(xiě)快速易用的中斷處理函數(shù)。

2 保溫罩電氣控制原理設(shè)計(jì)

2.1 保溫罩電氣控制需求分析

熱鋼坯吊裝靠行車操作，這就要求保溫車留給吊具較大空間。分析后發(fā)現(xiàn)，保溫罩全部打開(kāi)雖能滿足鋼坯吊裝需求，但仍存在三方面問(wèn)題：其一，吊裝時(shí)起不到保溫作用，無(wú)法減少熱量散失；其二，空間局限性，展開(kāi)面積超過(guò)了車間允許值；其三，在全開(kāi)時(shí)開(kāi)角過(guò)大，長(zhǎng)期過(guò)大的拉力會(huì)影響油缸壽命。

鑒于上述原因，筆者為保溫罩設(shè)計(jì)了左右側(cè)門（圖2）：保溫罩上翻板開(kāi)啟后，側(cè)門再打開(kāi)；關(guān)閉時(shí)，側(cè)門先關(guān)閉，上翻板再關(guān)閉。這就無(wú)需大角度開(kāi)啟保溫罩。為確保動(dòng)作先后順序及自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)并達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)目的，不采用行程開(kāi)關(guān)作位置檢測(cè)，而使用精確的延時(shí)控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的自動(dòng)化。計(jì)算得出各動(dòng)作油缸伸縮時(shí)間如表1所示。

圖2 鋼坯保溫車

表1 各動(dòng)作油缸伸縮時(shí)間 s

如果控制好側(cè)板和上翻板的開(kāi)閉過(guò)程，再加上語(yǔ)音提醒、故障報(bào)警等必要輔助設(shè)備，該保溫罩就能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

2.2 保溫罩控制動(dòng)作分析及其主控面板

保溫罩打開(kāi)時(shí)共有6個(gè)動(dòng)作：聲光提醒開(kāi)啟、左側(cè)門開(kāi)，右側(cè)門開(kāi)、左上翻動(dòng)板開(kāi)、右上翻板開(kāi)、關(guān)閉聲光提醒?？刂脐P(guān)閉也有6個(gè)動(dòng)作：開(kāi)啟聲光提醒、關(guān)閉左側(cè)門、關(guān)閉右側(cè)門、關(guān)閉左翻板、關(guān)閉右翻板、關(guān)閉聲光提醒。因有些動(dòng)作可同時(shí)執(zhí)行，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使左右兩側(cè)門同時(shí)開(kāi)閉，左右兩翻板同時(shí)開(kāi)閉。

保溫罩主控面板作為控制監(jiān)視窗口，操作按鈕、指示燈等須一應(yīng)俱全。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制面板含有：3個(gè)指示燈（H1—運(yùn)行、H2—手動(dòng)、H3—自動(dòng)），2個(gè)選擇開(kāi)關(guān)（自動(dòng)／手動(dòng)、打開(kāi)／關(guān)閉），6個(gè)按鈕（啟動(dòng)、急停按鈕及4個(gè)強(qiáng)制按鈕）。面板設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 保溫罩控制面板

2.3 保溫罩電氣原理設(shè)計(jì)

圖4 ATmega48引腳分布

本文以ATMega48作為保溫罩的可編程微控制器，并利用Altium designer設(shè)計(jì)該MCU的控制原理圖，根據(jù)需求，其32只引腳分配如圖4所示。其中，引腳PB0－PB2用于保溫罩電源接通、啟動(dòng)、停止；引腳PB3－PB5用于ISP在線下載技術(shù)，方便程序調(diào)試及修改；引腳PD0－PD7驅(qū)動(dòng)顯示7段數(shù)碼管顯示當(dāng)前繼電器輸出情況；引腳PC0－PC5采用低電平輸出可吸收40mA電流，確保可靠驅(qū)動(dòng)繼電器；時(shí)鐘采用外接低功率晶振，提高系統(tǒng)時(shí)鐘精度。

圖5為保溫罩部分IO接口電路。采用貼片光耦（EL817S）對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行隔離后送入貼片三極管（PMBT2222），再驅(qū)動(dòng)繼電器線圈并采用肖特基二極管（SS14）作為繼電器線圈的續(xù)流二極管。

保溫罩IO接口電路共需要驅(qū)動(dòng)7只小型繼電器（由上至下為K1－K7），每只繼電器兩組觸點(diǎn)。K1＼K2分別用于控制左右側(cè)板開(kāi)閉，繼電器K3＼K4分別用于控制上翻板開(kāi)閉；K5用于聲光報(bào)警；K6＼K7用于啟動(dòng)及緊急停機(jī)操作。

圖5 保溫罩部分IO接口驅(qū)動(dòng)電路

3 保溫罩PCB板制作及性能測(cè)試

3.1 保溫罩PCB板制作

在Altium Designer上設(shè)計(jì)好保溫罩電路原理并經(jīng)過(guò)相關(guān)測(cè)試后，使用Altium Designer PCB功能設(shè)計(jì)出PCB布線圖。根據(jù)安裝空間及電磁兼容性等要求，設(shè)計(jì)出保溫罩PCB板（圖6）。

圖6 保溫罩PCB電路板

送往PCB制造廠家制作出保溫罩電路控制板，最后安裝并燒制編寫(xiě)好的程序，待下一步測(cè)試。

3.2 保溫罩控制板性能測(cè)試

啟動(dòng)保溫罩鑰匙開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)通電，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始正常工作，綠色指示燈H1亮起。如果選擇自動(dòng)方式，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)撥到“自動(dòng)”，H2亮（一般選此功能），再選擇“打開(kāi)”或“關(guān)閉”。

如果選“打開(kāi)”，將按步驟實(shí)現(xiàn)如下功能：聲光提示響起并延時(shí)5s后，左右上翻板開(kāi)始上翻并經(jīng)過(guò)T1延時(shí)后（T1＝上翻板伸出時(shí)間×裕量K，K取1.2～1.5，此處取1.3），再打開(kāi)側(cè)板經(jīng)過(guò)T2延時(shí)后（T2＝側(cè)板伸出時(shí)間×裕量K ，K 取1.2～1.5，此處取1.3），聲光提醒音關(guān)閉，至此打開(kāi)過(guò)程完成可進(jìn)行鋼坯吊裝。

如果選“關(guān)閉”，將按步驟實(shí)現(xiàn)如下功能：聲光提示將響起延時(shí)5s后，側(cè)板開(kāi)始收回，經(jīng)過(guò)T3延時(shí)后（T3＝側(cè)板縮回時(shí)間×裕量K，K 取1.2～1.5，此處取1.3），左右上翻板開(kāi)始縮回并經(jīng)過(guò)T4延時(shí)后（T4＝上翻板縮回時(shí)間×裕量K，K取1.2～1.5，此處取1.3），聲光提醒關(guān)閉，至此裝運(yùn)過(guò)程完成，可開(kāi)始運(yùn)輸。

如果選手動(dòng)，H3亮，那么所有動(dòng)作需手動(dòng)完成。系統(tǒng)在接受相應(yīng)指令后進(jìn)行動(dòng)作，無(wú)論哪個(gè)動(dòng)作，只要?jiǎng)幼鏖_(kāi)始，聲光提醒就會(huì)開(kāi)啟，按鈕松開(kāi)，聲光提醒則同時(shí)關(guān)閉。手動(dòng)操作與強(qiáng)制按鈕復(fù)用，此時(shí)不需選擇“打開(kāi)”還是“關(guān)閉”，直接操作相應(yīng)按鈕，在“自動(dòng)”時(shí)該按鈕功能被禁止。

系統(tǒng)會(huì)自我診斷并檢測(cè)故障，如果運(yùn)行燈（H1）變?yōu)榧t色時(shí)，按下強(qiáng)制按鈕也能實(shí)現(xiàn)緊急情況的處理，如此時(shí)系統(tǒng)正常則該信號(hào)不起作用，聲光提醒也不會(huì)報(bào)警。

4 總結(jié)

目前已有10臺(tái)套鋼坯保溫車用于鋼坯熱裝熱送。通過(guò)近幾個(gè)月的跟蹤觀察，該車各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使用效果理想。用戶在使用保溫車熱裝熱送后，棒材車間鋼坯入爐前溫度由之前的400℃左右提高到750℃以上，加熱1t鋼坯，煤氣消耗下降了25m3，按年熱裝熱送能力200萬(wàn)t計(jì)算，每年可節(jié)約煤氣約5 000萬(wàn)m3，減少鋼材氧化燒損約3 000t，每年增效超千萬(wàn)元，節(jié)能增效明顯。

［1］ ATMEL.AVR Atmega48數(shù)據(jù)手冊(cè)［S］.美國(guó)：ATMEL公司.

［2］ 謝龍漢.AltiumDesigner原理圖與PCB設(shè)計(jì)及仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 譚浩翔.C語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.