馮巧葉，王景存，盧仁智

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

在冷軋帶鋼的連續(xù)生產(chǎn)線和后續(xù)處理線中，帶鋼在運送過程中極易偏離機組中心線，如不及時檢測和糾正，將導(dǎo)致板帶損壞和生產(chǎn)損失，嚴重時甚至斷帶停產(chǎn)。CPC對中控制系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)線上是一個十分重要的控制環(huán)節(jié)，它能夠?qū)崟r檢測帶鋼的運動情況并加以糾正，確保生產(chǎn)安全正常運行。

目前國內(nèi)外CPC對中控制系統(tǒng)主要分電感式、電容式和光電式。都有自己的特點，但都受到現(xiàn)場條件的制約。國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)用到的電感式對中檢測系統(tǒng)幾乎全部為國外進口的產(chǎn)品。本文在參照國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的電感式對中檢測系統(tǒng)，由電感差動式位移測量、STM32高速單片機處理數(shù)據(jù)、液壓糾偏裝置等組成，已成功運行于某大型鋼鐵企業(yè)，達到了設(shè)計要求。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

CPC自動對中控制系統(tǒng)是對高速運行的帶鋼邊部位置進行連續(xù)檢測、控制的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當帶鋼的被檢測邊的位置發(fā)生變化時，系統(tǒng)就會將檢測到的帶鋼邊緣位置偏差信號輸入到控制放大器，經(jīng)控制器處理后輸出信號到液壓糾偏系統(tǒng)，操作油缸移動卷取機，使帶鋼保持在合適的位置上[1]。

本系統(tǒng)為滿足某鋼鐵企業(yè)需求而設(shè)計，要求被測帶鋼的中心偏差范圍為-150 mm～150 mm，帶鋼厚度為0.3 mm～2.5 mm，最大線速度為2 m/s。系統(tǒng)檢測精度在±2 mm，控制精度在±5 mm。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)式測量，如圖1所示。在框架上邊有2個對稱的發(fā)射線圈，框架下邊對應(yīng)有2個接收線圈。電感式傳感器將帶鋼位置轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將信號進行放大、濾波、整流等處理后送至控制器STM32。STM32將收集到的帶鋼位置信號處理后經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換、功率放大后送至液壓糾偏系統(tǒng)，調(diào)整帶鋼的位置。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of system

系統(tǒng)檢測裝置采用電磁感應(yīng)原理。當2個發(fā)射線圈中通以可控正弦交變電壓時，在發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，則在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢E0。

式中：N為接收線圈的匝數(shù)；t為時間；φ0為發(fā)射線圈的磁通量；K1為發(fā)射線圈和接收線圈的結(jié)構(gòu)常數(shù)。當發(fā)射和接收線圈安裝好后，K1是個固定值。當有帶鋼通過時，接收線圈中的磁通量減小了φ，即

式中：K2為常數(shù)；B為磁感應(yīng)強度；h為帶鋼厚度；b為帶鋼寬度。所以接收線圈的感應(yīng)電動勢與帶鋼在線圈內(nèi)的寬度變化量成反比[2]。

當被控帶鋼處于中間位置時，兩邊接收線圈輸出相同。當被控帶鋼向左跑偏時，左側(cè)接收線圈的輸出信號減小，右側(cè)接收線圈的輸出信號增加。由于輸出信號的幅度較小，因此采用差動放大、濾波、整流等措施保證系統(tǒng)的檢測精度。

2 硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件控制部分包括傳感器設(shè)計、信號調(diào)理、單片機控制、液壓驅(qū)動部分等。

2.1 電磁感應(yīng)式傳感器

傳統(tǒng)的電感線圈是指用漆包銅線或沙包銅線一圈一圈地繞制在空心或有鐵、磁心的絕緣骨架上的一種電子元件。常見的繞法有：①亂繞法，是指用手工或繞線機不需排列地將銅線亂繞在絕緣骨架上；②排繞法，是指用一般繞線機或排線繞線機將銅線每一圈整齊地排列繞制在絕緣骨架上。此方法特點是繞制工藝煩瑣、品質(zhì)因數(shù)Q值低、分布電容大、耐壓較高、電感量大，多用于低、中壓，低頻場合；③間繞法，是指用手工或繞線機將銅線每一圈間留有相同間隔地整齊繞制在絕緣骨架上的繞線方法。

本系統(tǒng)中因電感式對中傳感器是由2個發(fā)射線圈和2個接收線圈組成，且采用差動方式連接，所以2個發(fā)射線圈和2個接收線圈的結(jié)構(gòu)必須對稱。為了保證傳感器在生產(chǎn)過程中的一致性，減少人為因素的影響，本系統(tǒng)中的電磁感應(yīng)式傳感器摒棄了導(dǎo)線繞制形式，設(shè)計成印刷電路板方式，體積小、靈敏度高、且一致性好，可有效地減小漏磁現(xiàn)象。經(jīng)過大量的實驗最終確定PCB傳感器的規(guī)格為72 cm×10 cm，電感量為68 mH，如圖2所示。

圖2 PCB傳感器原理圖Fig.2 Schematic diagram of PCB sensor

高頻振蕩電源為2組發(fā)送傳感器提供穩(wěn)定勵磁電流，它由2個獨立振蕩電源組成，分別連接2個發(fā)送電感。采用高頻作為勵磁電源，其目的是為了提高檢測靈敏度和測量距離。勵磁電源頻率為40 kHz（50 Vp-p，20 W），穩(wěn)定度為 50 ppm/℃。

2.2 交流放大和帶通濾波

由于電磁傳感器的輸出信號伴隨著大量的噪聲，普通放大電路和差分放大電路無法滿足系統(tǒng)要求。本設(shè)計選用了基于AD623的三運放儀表放大電路。AD623能夠?qū)崿F(xiàn)在放大的同時有效地降低噪聲。圖3為AD623放大和帶通濾波電路。

圖3 交流放大和帶通濾波電路Fig.3 AC amplifier and band-pass filter

輸入電阻從推薦的20 k減小到10 k，可增加信號帶寬和減低電阻噪聲。并且依然可起到有效的輸入保護作用。C14、C22、C23與輸入電阻 R2、R5構(gòu)成抗干擾電路。利用電磁感應(yīng)式傳感器采集到的信號中包含一些無用信號，混在有用信號里直接影響檢測的準確性和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)所需信號的中心頻率為40 kHz。為此選用二階的Sallen-key帶通濾波器，通帶范圍在35 kHz～45 kHz，可有效濾除干擾信號。Sallen-key帶通濾波電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)為

式中，K=1+R8/R7，是放大器的增益[3]。設(shè)置合理的參數(shù)，可以使該帶通濾波器的中心頻率為40 kHz，帶通為10 kHz。

2.3 相敏檢波和直流放大

相敏檢波電路將帶通電路送來的信號與參考信號（正弦波）對比，利用參考信號與輸入的有用信號具有相關(guān)性，而參考信號與噪聲互不相關(guān)，從而達到抑制噪聲的目的，同時判斷信號的相位。信號經(jīng)過相敏檢波電路的處理后送至后端直流放大電路。圖4為相敏檢波和直流放大電路。

2.4 MCU處理單元

MCU系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖5所示。主要組成為電磁感應(yīng)式傳感器、信號處理、STM32處理器、觸摸屏、DAC轉(zhuǎn)換及功率放大和液壓糾偏系統(tǒng)等。

電路增益G由AD623外接電阻R3確定。

圖4 相敏檢波和直流放大電路Fig.4 Phase sensitive detection and DC amplifier

圖5 MCU系統(tǒng)組成框圖Fig.5 Block diagram of MCU system

STM32具有功耗控制及眾多外設(shè)。設(shè)計時可充分利用其片上資源，節(jié)省了硬件投資。利用STM32內(nèi)置的A/D可對信號進行采集和處理，其自帶的USB接口可對數(shù)據(jù)進行快速傳輸。此外，該芯片最高工作頻率可達72 MHz，運算能力強，保證了程序快速完成數(shù)據(jù)處理工作，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率。

1）通訊部分

STM32F103VC具有UART串行通信接口，內(nèi)置分數(shù)波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收可共用可編程波特率，最高達4.5Mb/s，支持LIN、調(diào)制解調(diào)器操作、DMA等[4]。

2）DAC轉(zhuǎn)換及功率放大

STM32片上DAC為12位，為提高控制精度，本系統(tǒng)選用美國BB公司生產(chǎn)的16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片DAC714。DAC714采用單通道、串行通訊方式，實現(xiàn)±10 V、±5 V和0～10 V模擬電壓輸出。通過對外部連接的增益（OFFS）和雙極性偏移（GADJ）電位計調(diào)整，實現(xiàn)對輸出電壓的精度控制。

DAC輸出的電壓在±10 V內(nèi)，電流很小，在毫安級，不足以驅(qū)動伺服閥，所以必須進行功率放大。采用集成芯片tda2040，經(jīng)放大后，功率可達約50 W～70 W，足以驅(qū)動伺服閥。

3 軟件設(shè)計

本CPC自動對中控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計大致可分為2部分：一是STM32控制程序的設(shè)計；二是觸摸屏的程序設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

STM32為控制器的核心，實現(xiàn)了系統(tǒng)的初始化、對中操作及自動運行等功能，同時經(jīng)串口與觸摸屏相結(jié)合，實現(xiàn)信息的錄入顯示。由于為閉環(huán)控制，系統(tǒng)采用了PID控制算法，其流程如圖6所示。

圖6 STM32主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart of STM32

3.2 觸摸屏程序設(shè)計與說明

觸摸屏主要用于顯示與系統(tǒng)相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)，并對突發(fā)情況報警。本系統(tǒng)采用迪文公司的串口液晶顯示屏，其主要特點是用戶幾乎不用編程，在組態(tài)好顯示界面后只需傳送參數(shù)即可完成畫面切換、顯示、動畫等功能。其主要應(yīng)用組態(tài)畫面為

1）登錄頁面：設(shè)備上電，顯示系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備商的各種廠商信息，具備密碼訪問功能。

2）狀態(tài)顯示畫面：顯示當前設(shè)備的狀態(tài)信息、傳感器的偏差位移、功放輸出、手動調(diào)整參數(shù)等。

3）參數(shù)設(shè)置畫面：該畫面用于各種調(diào)試校正工作以及參數(shù)的設(shè)置。

4）報警畫面：用戶記錄所有發(fā)生的歷史報警信息以及發(fā)生報警的時間和取消報警的時間。

5）使用說明畫面：用戶可通過該畫面獲得各種操作幫助，更好地熟悉以及使用該系統(tǒng)。

4 測試結(jié)果及分析

為了評價基于電感式檢測傳感器的CPC帶鋼糾偏自動對中控制系統(tǒng)中電感式檢測裝置的性能，在帶鋼偏移量為±150 mm的條件下進行了性能測試，選出其中一組實驗結(jié)果列于表1中。

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

由實驗室模擬實驗可知，其控制精度優(yōu)于±2mm，電感式檢測裝置的線性度優(yōu)于1.5%，滿足實際生產(chǎn)線中糾偏控制系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)語

基于電感式傳感器的CPC對中自動控制系統(tǒng)，采用STM32做為控制核心大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。特別是采用特殊的PCB電感式傳感器，提高了系統(tǒng)一致性，有效減少了漏磁現(xiàn)象。信號經(jīng)過多次處理，濾除了干擾信號，確保了信號的準確性和穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定高效地運行。

[1]劉寧，王躍民.帶鋼糾偏系統(tǒng)（CPC）分析及其應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2009（8）：75-78.

[2]鄒鳳欣，楊溪林，高增雪，等.基于電感式位置檢測原理帶鋼糾偏控制方法[J].冶金自動化，2006，30（4）：37-39，57.

[3]楊志明，馬義德，張新國.現(xiàn)代電路理論與設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[4]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理及實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.