劉 豐，杜鳳山，肖海榮

(1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004;2.河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北秦皇島 066004;3.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 引言

在金屬薄板帶材的軋制過程中，實時檢測被軋制板帶的應(yīng)力分布情況是非常重要的。如果薄板帶在軋制生產(chǎn)線上的應(yīng)力分布不均勻，軋制完成的帶材會發(fā)生扭曲、起浪等現(xiàn)象，嚴重影響帶材質(zhì)量甚至于成為廢品。

目前，國內(nèi)薄板帶軋制生產(chǎn)線上的板形檢測設(shè)備均來自進口，國際上能提供板形儀的公司主要有瑞典ABB公司、德國BFI公司等［1－3］。進口的板形儀價格昂貴，維修維護成本很高，且很多情況下不適用國內(nèi)自主生產(chǎn)的軋制生產(chǎn)線需求。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的薄板帶軋制質(zhì)量檢測板形儀是我國鋼鐵工業(yè)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

在國內(nèi)外的板形儀設(shè)計方案中，有少量型號是采用非接觸測量方式，但是這種方式精度比較低，信號容易失真［4］。接觸式板形儀檢測信號是直接信號，板形檢測精度高，信號保真性能好，仍然是主要的板形檢測手段。在國內(nèi)外廣泛采用的接觸式板形儀實現(xiàn)方案中，板形儀檢測輥內(nèi)多個應(yīng)力傳感器的輸出信號多是經(jīng)過機械滑環(huán)從轉(zhuǎn)動部分引到非轉(zhuǎn)動部分，然后在非轉(zhuǎn)動部分用DSP采集板進行數(shù)據(jù)采樣，最后再通過PC機根據(jù)采樣的板形數(shù)據(jù)來實現(xiàn)軋制過程的精確控制［5－6］。機械滑環(huán)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是在高速旋轉(zhuǎn)條件下會因為磨損等原因容易損壞，需要經(jīng)常更換，影響生產(chǎn)效率的同時也提高了維護成本。

針對我國鋼鐵加工領(lǐng)域的實際需求，燕山大學(xué)軋機研究所近年來開始自主研發(fā)能夠適應(yīng)國內(nèi)薄板帶軋制生產(chǎn)線需求的板形儀。采用具有更好動態(tài)特性和響應(yīng)靈敏度的壓電傳感器［7－8］作為板形應(yīng)力檢測元件;用FPGA技術(shù)實現(xiàn)多路模擬信號采集、處理與無線編碼的控制邏輯;通過無線方式實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的信號傳遞。在滿足高速板型儀對信號采集與處理系統(tǒng)實時性要求的同時有效地解決了采用機械滑環(huán)方案存在的相關(guān)問題。項目研究成果對于提升我國板帶軋制技術(shù)的整體水平具有重要的意義。

1 板型儀工作原理

板形儀的作用是用來檢測薄板帶軋制過程中薄板帶材上的應(yīng)力分布情況，進而利用獲取的應(yīng)力分布信息實時地實現(xiàn)軋制線上軋輥的控制。板形儀在軋制線上的安裝形式如圖1所示，板形儀被安裝在軋制生產(chǎn)線的軋制出口處。薄板帶在軋輥和傳動輥的帶動下從左到右高速運動，板帶經(jīng)過板形儀時會對板形儀內(nèi)的壓電傳感器產(chǎn)生動態(tài)的應(yīng)力作用，通過對壓電傳感器的輸出信號進行檢測即能夠反映軋制過程中薄板帶內(nèi)部的應(yīng)力分布信息，從而為軋制系統(tǒng)提供板形反饋信息。

圖1 板帶軋制生產(chǎn)線中的板形儀安裝位置

圖2為所設(shè)計的板形儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。整個板形儀系統(tǒng)可以分成旋轉(zhuǎn)部分和固定部分。圖2中虛線框內(nèi)的部分是安裝在軸承上跟隨被軋制板帶旋轉(zhuǎn)的檢測輥主體部分，本文所設(shè)計的信號采集與處理系統(tǒng)安裝在檢測輥軸頭部分，隨檢測輥主體一起旋轉(zhuǎn)。虛線外左邊部分是無線接收單元和工業(yè)計算機系統(tǒng)，其作用是接收來自信號采集及處理系統(tǒng)無線發(fā)射過來的板帶信息，并通過軋機系統(tǒng)控制模型生成軋制生產(chǎn)線的自動控制命令。

在檢測輥主體部分，10個壓電傳感器被交替地布置在檢測輥圓周上，上半部分的5個傳感器和下半部分的5個傳感器各自成一條直線。這種布置方法的好處是:一方面可以在檢測輥轉(zhuǎn)過一周的過程中對板形進行兩次檢測;另一方面也減少了需要同時采樣的模擬信號通道數(shù)量，降低A/D轉(zhuǎn)換器及信號處理系統(tǒng)的速度要求，更容易滿足高速軋制生產(chǎn)線的實時性需求。這種方法的一個缺點是同一直線上的傳感器距離比較遠，對板帶應(yīng)力檢測的細密程度降低，但是通過后續(xù)的數(shù)學(xué)處理方法進行預(yù)測和插補，仍然可以滿足工業(yè)板帶生產(chǎn)過程中對板形檢測精度的需要。

圖2 板形儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 信號采集系統(tǒng)的設(shè)計、分析與實現(xiàn)

2.1 信號采集與處理系統(tǒng)整體方案

針對高速板帶軋制系統(tǒng)中板形儀對信號采集處理系統(tǒng)的實時性和可靠性要求，本文用FPGA和高速A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計實現(xiàn)了一套多路模擬信號實時采集、處理和無線發(fā)射系統(tǒng)，并進行了試驗驗證。

為了完成對檢測輥內(nèi)10路壓電傳感器模擬輸出信號的實時采樣和處理，本文設(shè)計了如圖3所示的板形儀信號采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由隨檢測輥轉(zhuǎn)動部分和固定部分組成，其中隨檢測輥轉(zhuǎn)動部分包括壓電傳感器、電荷放大器、高速模擬多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA和無線發(fā)射裝置。

圖3 板形儀信號采集與處理系統(tǒng)框圖

其詳細工作過程為:位于檢測輥內(nèi)一條直線上的每一路壓電傳感器輸出的信號經(jīng)放大器放大后進入高速模擬多路開關(guān)，然后通過FPGA控制邏輯逐通道選擇某一路模擬開關(guān)導(dǎo)通，將被采樣信號接入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器在FPGA的時序驅(qū)動下完成信號采樣，并暫存到FPGA片內(nèi)的RAM陣列中。上述采樣過程只有當輥體內(nèi)的壓電傳感器轉(zhuǎn)動到板帶作用范圍內(nèi)時才開始啟動，檢測輥的位置信息通過外光電編碼器來確定。當壓電傳感器轉(zhuǎn)動離開板帶作用范圍時停止采樣。在有效作用范圍內(nèi)，每一個模擬通道都將完成85次的采樣，待所有通道的數(shù)據(jù)采樣完成后，在FPGA內(nèi)部完成每一通道的數(shù)據(jù)排序、濾波和最大值提取，最后再通過無線發(fā)射裝置將采樣處理結(jié)果發(fā)送到工控機。當檢測輥內(nèi)另外一組傳感器進入到板帶作用范圍時，再進行新的信號采集處理和無線發(fā)射工作。

2.2 信號采樣方案設(shè)計

在板帶軋制過程中，為了保證板形檢測的同時性，位于同一條直線上的5個傳感器在理論上要求同時采樣，且采樣時刻需要在檢測輥轉(zhuǎn)動到板帶壓力最大處進行。

在實際板帶軋制過程中，板帶對檢測輥壓力最大的位置是無法確定的。所以本系統(tǒng)采取的方法為:如圖4所示，當位于某一條直線上的壓電傳感器進入到板帶作用包角范圍內(nèi)(本項目中機械設(shè)計部分的板帶對檢測輥包角為15°)即開始采樣，采樣觸發(fā)脈沖由編碼器輸出的脈沖生成。每次編碼器脈沖到來即開始一條直線上5個傳感器的一次信號采樣，在下一個編碼器脈沖到來之前需要完成5個通道的采樣以及數(shù)據(jù)的存儲。最后當傳感器轉(zhuǎn)出板帶包角的時刻開始進行數(shù)據(jù)處理和無線編碼發(fā)送，這一過程必須在位于檢測輥圓周另外一邊的一組傳感器進入板帶包角之前全部完成。

為了滿足高速數(shù)據(jù)采集的要求，本文選用了ADG716高速開關(guān)作為模擬通道選擇芯片，其開關(guān)時間為30 ns，導(dǎo)通電阻為4 Ω;A/D轉(zhuǎn)換器選擇AD9240，其分辨率為14位，最大工作時鐘為10 MHz，4級流水線結(jié)構(gòu);主邏輯控制芯片采用Spartan3系列的XC3S250E FPGA實現(xiàn)。

圖4 應(yīng)力傳感器的采樣范圍區(qū)間

試驗中設(shè)計的板形儀檢測輥周長為1 m，最大設(shè)計轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，即轉(zhuǎn)速為40 r/s;在板形儀檢測輥軸頭安裝2 048脈沖/圈的光電編碼器用來確定檢測輥的轉(zhuǎn)動位置，編碼器每脈沖的時間間隔可以按照下式計算

即在最大設(shè)計轉(zhuǎn)速下，檢測輥轉(zhuǎn)動過程中大約每12.2 μs編碼器就會輸出一個計數(shù)脈沖，在下一個計數(shù)脈沖到來之前的12.2 μs時間內(nèi)，信號采集系統(tǒng)需要完成當前位于板帶作用區(qū)內(nèi)的5個傳感器的信號采樣和存儲工作。根據(jù)板形檢測系統(tǒng)的實際要求，5個傳感器通道逐個進行采樣，那么A/D轉(zhuǎn)換器的流水線機制無法發(fā)揮作用，每個通道開始時都要重新開始采樣，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)(本文中A/D轉(zhuǎn)換器主驅(qū)動時鐘設(shè)計為8 MHz)，4級流水線完成一個通道的采樣共耗時0.5 μs，則在12.2 μs時間內(nèi)完成5個數(shù)據(jù)通道還是有很大的時間余量的，能夠滿足系統(tǒng)工作對采樣速度的要求。

2.3 FPGA主控系統(tǒng)設(shè)計

圖5是設(shè)計的FPGA控制系統(tǒng)內(nèi)部功能單元劃分模塊圖，各功能模塊用VHDL語言描述設(shè)計。其中模擬多路開關(guān)控制和A/D轉(zhuǎn)換器控制部分用來根據(jù)芯片的工作時序生成驅(qū)動時鐘，完成多模擬通道切換和數(shù)據(jù)采集。FPGA片內(nèi)RAM陣列控制和數(shù)據(jù)排序單元負責將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行臨時存儲和后期的最大應(yīng)力值提取。采樣數(shù)據(jù)編碼單元將處理結(jié)果通過無線發(fā)射邏輯單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機上的無線接收單元上。采用Zigbee芯片CC2530實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)射，F(xiàn)PGA通過串口方式同CC2530進行數(shù)據(jù)通信。

圖5 FPGA控制系統(tǒng)內(nèi)部功能單元模塊圖

圖6是FPGA主控制系統(tǒng)的控制流程圖。具體控制過程簡單描述為:FPGA系統(tǒng)上電后，等待進入有效采樣范圍的觸發(fā)脈沖到來，當傳感器進入采樣包角范圍內(nèi)后，等待編碼器的采樣脈沖。當有脈沖到來時即開始依次對該位置上5個模擬通道進信號采集和存儲，然后等待編碼器的下一個采樣脈沖到來，進行下一輪數(shù)據(jù)采樣和存儲。直到檢測輥轉(zhuǎn)出了板帶應(yīng)力作用區(qū)時采樣過程結(jié)束，開始進行信號處理和無線編碼傳輸。然后等待另外5個傳感器進入到檢測包角范圍內(nèi)時也進行同樣的處理。

圖6 FPGA信號采集處理系統(tǒng)工作流程圖

3 試驗研究

按照上述設(shè)計方案，設(shè)計完成了一套基于FPGA的高速壓電板形儀信號采集與處理系統(tǒng)，并成功應(yīng)用到自主研發(fā)的某型號薄板帶高速板形儀試驗系統(tǒng)中(所設(shè)計的信號采集處理系統(tǒng)安裝在檢測輥的軸頭隨軸轉(zhuǎn)動)。

圖7為試驗中通過示波器直接測量檢測輥內(nèi)某一應(yīng)力傳感器在輥體對應(yīng)位置受到?jīng)_擊時的響應(yīng)信號波形。在板形儀的具體工業(yè)應(yīng)用需求中，只要求獲取每一個模擬通道所受的最大應(yīng)力量值即可，不要求完全獲知整個沖擊過程的應(yīng)力變化過程。這實際上降低了信號采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲量和無線傳輸速率的要求。

圖7 檢測輥內(nèi)某一應(yīng)力傳感器的響應(yīng)輸出信號波形

表1給出了在某一個應(yīng)力傳感器上施加不同壓力時信號采樣系統(tǒng)無線發(fā)射過來的經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明:所設(shè)計的FPGA信號采集與無線傳輸系統(tǒng)能夠可靠地實現(xiàn)板帶應(yīng)力的實時檢測，信號采樣與處理后的精度能夠滿足板形儀設(shè)計參數(shù)的實際需求。

表1 信號采集系統(tǒng)應(yīng)力檢測試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對高速壓電板形儀對板形信號檢測需求的實際特點，設(shè)計完成了一套基于FPGA的高速模擬信號采集、處理與無線通信系統(tǒng)。有效地解決了高速旋轉(zhuǎn)體上多路模擬信號的采集與處理，通過無線通信方式克服了采用滑環(huán)引出模擬信號所存在的諸多缺點。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計轉(zhuǎn)速為2 400 r/min的高速板形儀的實際要求，已經(jīng)在某型號高速冷軋板形儀系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

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