楊景明，孫杜娟，2，周豪騰，孟憲騰

（1.燕山大學(xué) 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004；2.吉林建筑大學(xué) 城建學(xué)院，長春 130000）

板帶軋機(jī)單片機(jī)AGC厚控系統(tǒng)的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)研究

楊景明1，孫杜娟1，2，周豪騰1，孟憲騰1

（1.燕山大學(xué) 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004；2.吉林建筑大學(xué) 城建學(xué)院，長春 130000）

板厚精度和板形精度是衡量板帶材的兩大質(zhì)量指標(biāo)，針對(duì)許多中小型鋼廠板厚控制精度不高，研發(fā)了一套基于PIC單片機(jī)的板帶軋機(jī)自動(dòng)厚度控制（AGC）系統(tǒng)的控制裝置。在前期控制裝置雛形的基礎(chǔ)上，做了一些改進(jìn)和工程實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)半模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該控制裝置具有很好的實(shí)用性。

板帶軋機(jī)；AGC控制系統(tǒng)；PIC單片機(jī)；中斷閉環(huán)控制；實(shí)驗(yàn)研究

0　引言

在我國所有鋼材品種中，冷軋薄板（帶）鋼仍然是國內(nèi)市場自給率和占有率最低的產(chǎn)品，文獻(xiàn)［1］對(duì)我國鋼材及設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，我國大部分冷軋機(jī)裝機(jī)水平不高，面臨著技術(shù)改造或更新?lián)Q代。文獻(xiàn)［2］介紹了軋機(jī)采用液壓系統(tǒng)的升級(jí)和發(fā)展，隨著液壓伺服系統(tǒng)及相應(yīng)控制技術(shù)的成熟，幾乎所有新上的板帶軋機(jī)都采用帶有液壓壓下功能的壓下裝置，以提高板帶精度和生產(chǎn)能力。由于液壓伺服壓下的響應(yīng)速度比電動(dòng)壓下響應(yīng)速度快一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此常規(guī)PLC難以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的控制，需要采用昂貴的控制模塊，此外好多控制算法難以實(shí)現(xiàn)靈活編程。經(jīng)過多年實(shí)踐，開發(fā)改進(jìn)了一套基于PIC單片機(jī)的板帶軋機(jī)AGC控制系統(tǒng)，采用FPGA作為輔助芯片，完成現(xiàn)場編碼器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與處理，文獻(xiàn)［3］介紹了FPGA處理現(xiàn)場信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)證明本套控制裝置可以做到1ms的采樣周期，滿足實(shí)時(shí)性要求，現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

1　AGC控制系統(tǒng)的整體介紹及前期工作

帶有液壓AGC功能的單機(jī)架可逆軋機(jī)一般由軋機(jī)本體、高壓站、低壓站、乳化液站、潤滑站等幾部分組成［4］，本文只對(duì)包含工藝控制的軋機(jī)本體部分做主要研究及介紹。軋機(jī)現(xiàn)場通常采用絕對(duì)值編碼器進(jìn)行位置信號(hào)檢測；采用壓力傳感器及張力計(jì)進(jìn)行壓力和張力信號(hào)采集，壓力和張力信號(hào)通常以4～20mA的電流信號(hào)輸出；厚度控制的反饋量采用測厚儀進(jìn)行測量，一般預(yù)定一個(gè)偏差范圍對(duì)應(yīng)一定的模擬量值，如±100μm對(duì)應(yīng)±10V（或±5V）；現(xiàn)場操作臺(tái)、操作箱的操作信號(hào)通過數(shù)字量輸入進(jìn)行采集，數(shù)字量輸出信號(hào)控制各種閥的動(dòng)作和指示燈的狀態(tài)顯示；最后通過上位機(jī)對(duì)軋鋼現(xiàn)場的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)人與AGC控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)對(duì)話。

通過對(duì)板帶軋機(jī)AGC系統(tǒng)的綜合分析，前期設(shè)計(jì)了AGC控制系統(tǒng)的硬件電路。如圖1所示：32路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出接口電路；8路模擬量輸入、4路模擬量輸出轉(zhuǎn)換電路；4路絕對(duì)值編碼器輸入、6路增量式編碼器輸入信號(hào)采集電路；與上位機(jī)通訊電路以及電源轉(zhuǎn)換電路［5］。全部引腳通過3只50線D型插頭引出，采用單一24V供電，附有一組RS485串行通訊接口。

圖1　基于單片機(jī)的AGC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過前期的軟、硬件設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)已初具雛形，但在軟件設(shè)計(jì)及后續(xù)工程實(shí)驗(yàn)過程中，仍然存在一些問題。

2　AGC控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件改進(jìn)

2.1數(shù)字量輸出DO

數(shù)字量輸出硬件電路參見文獻(xiàn)［5］，鎖存器SH74HC573實(shí)現(xiàn)單片機(jī)引腳的分時(shí)復(fù)用，使用光電耦合器隔離，接24V上拉電壓，最后通過達(dá)林頓管ULN2803A驅(qū)動(dòng)輸出。在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中多次發(fā)現(xiàn)達(dá)林頓管燒壞情況，最嚴(yán)重的一次，達(dá)林頓管一半以上燒成白灰狀。經(jīng)長時(shí)間烤電實(shí)驗(yàn)及問題排查，發(fā)現(xiàn)并解決了如下兩方面問題：

1）ULN2803與標(biāo)準(zhǔn)TTL電平兼容，而實(shí)測電路達(dá)林頓管輸入高壓達(dá)9.2V，低壓0.6V，所以換同系列達(dá)林頓管ULN2804。ULN2804是CMOS或PMOS兼容，可輸入6-15V高電平，且與ULN2803封裝相同。

2）達(dá)林頓管換同系列ULN2804后，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)還會(huì)有燒壞現(xiàn)象。從電流角度分析元器件燒壞問題，電路計(jì)算ULN2804最大輸入電流為Imax=（24-0）/R609，若按前期硬件電路設(shè)計(jì)，上拉電阻為5kΩ，實(shí)際達(dá)林頓管輸入最大電流Imax=4.8mA，而額定輸入電流為1mA，最大值1.45mA，可見其實(shí)際輸入電流遠(yuǎn)大于要求額定電流，所以應(yīng)加大上拉電阻阻值。根據(jù)歐姆定律，DO輸出端的上拉電阻由5kΩ換成20kΩ，經(jīng)烤電及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)林頓管不再出現(xiàn)燒壞現(xiàn)象，可正常工作。

2.2模擬量輸入AI

對(duì)于模擬量輸入AI，為了滿足最終控制系統(tǒng)的精度及實(shí)用性，對(duì)精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間都有著很高的要求。前期通過片外MAX197替代片內(nèi)AD，在一定程度上改進(jìn)了AD轉(zhuǎn)換的精度，當(dāng)然優(yōu)良的接口軟件編寫也至關(guān)重要，本文也對(duì)接口軟件進(jìn)行了規(guī)范化編寫及調(diào)試優(yōu)化。而為了達(dá)到控制系統(tǒng)1ms的采樣周期，對(duì)于控制系統(tǒng)8路的AI輸入，再考慮軟件濾波等，每一路AD采樣的時(shí)間至少是μs級(jí)，但實(shí)際調(diào)試測量整個(gè)電路板時(shí)，AD采樣部分時(shí)間明顯超出時(shí)間要求，為ms級(jí)。

經(jīng)軟件排查及單務(wù)語句時(shí)間測量，發(fā)現(xiàn)軟件查詢INT轉(zhuǎn)換成功狀態(tài)位這一句時(shí)間最長（3ms左右），但MAX197數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定其轉(zhuǎn)化時(shí)間為18μs，和實(shí)際測量時(shí)間差別很大，但是AD轉(zhuǎn)換的數(shù)值精度卻可以保證，因此排除芯片壞了的可能性。最終發(fā)現(xiàn)問題出在電容上，導(dǎo)致了芯片時(shí)鐘的錯(cuò)誤。

改進(jìn)后，AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為12μs，軟件濾波采用堆棧的思想對(duì)20次轉(zhuǎn)換結(jié)果求平均值，圖2為單通道AD轉(zhuǎn)換時(shí)間示波器截圖。

圖2　AD轉(zhuǎn)換時(shí)間示波器截圖

2.3模擬量輸出AO

控制器采用TI公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)模擬量輸出的功能。前期設(shè)計(jì)過程中該部分沒有得到令人滿意的精度和結(jié)果［5］。本文在前期硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了該部分的軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在DA轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意單片機(jī)PORTG口的取值，需要綜合考慮PORTG口對(duì)芯片DAC和單片機(jī)其他功能的作用，前期就是因?yàn)镻ORTG口取值不對(duì)，所以導(dǎo)致軟件設(shè)計(jì)的失敗。經(jīng)過軟件改進(jìn)和優(yōu)化，得到了高精度的DA轉(zhuǎn)換結(jié)果，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示（4路AO任選1路）。

表1　DA轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4編碼器信號(hào)接口

本AGC系統(tǒng)采用光電編碼器接收模塊來檢測位置信號(hào)和速度信號(hào)，即增量編碼器接收速度信號(hào)，絕對(duì)值編碼器接收位置信號(hào)，關(guān)于該部分的詳細(xì)說明可參閱文獻(xiàn)［6］。此處主要對(duì)絕對(duì)值編碼器信號(hào)采集的準(zhǔn)確度及現(xiàn)場試驗(yàn)的要求進(jìn)行了一定的優(yōu)化和改進(jìn)。

在實(shí)際軋機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)之前，需要對(duì)閉環(huán)用到的各部分接口電路進(jìn)行測試，只有各部分信號(hào)的準(zhǔn)確無誤才可保證后期閉環(huán)實(shí)驗(yàn)的成功?，F(xiàn)場對(duì)絕對(duì)值編碼器信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，發(fā)現(xiàn)用本套單片機(jī)AGC系統(tǒng)與PLC采集的數(shù)值相差甚遠(yuǎn)。分析排查后發(fā)現(xiàn)：

1）目前市面和大部分軋機(jī)現(xiàn)場的絕對(duì)值編碼器都是SSI格雷碼信號(hào)輸出的形式，系統(tǒng)前期也只針對(duì)格雷碼信號(hào)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理及傳輸，但我們現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)軋機(jī)的編碼器卻是MTS公司的R系列位移傳感器，其輸出信號(hào)為SSI二進(jìn)制編碼。

2）改進(jìn)增加編碼器二進(jìn)制信號(hào)輸出形式的處理后，對(duì)德國倍加福多圈編碼器AVM58N-011K1RHGN進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)和PLC采集信號(hào)仍然不完全相同，但出現(xiàn)規(guī)律性變化，采集數(shù)據(jù)成近乎成2倍關(guān)系，最終問題排查為前期軟件設(shè)計(jì)波特率設(shè)置錯(cuò)誤。

圖3 現(xiàn)場液壓缸位置信號(hào)采集

圖3為改進(jìn)后現(xiàn)場上位機(jī)通訊數(shù)據(jù)界面截圖，“缸位移實(shí)測值”為液壓缸位置，單位是μm，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，本套單片機(jī)控制器和PLC采集數(shù)據(jù)幾本一致，為60mm左右。

3　AGC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

板帶軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括模塊化的接口軟件設(shè)計(jì)和工藝軟件設(shè)計(jì)。健壯高效的接口程序不僅方便后期工藝程序的開發(fā)，也有利用系統(tǒng)用于其他開發(fā)，所以本文在規(guī)范優(yōu)化全部接口程序的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了工藝程序。

板帶軋機(jī)AGC厚控系統(tǒng)的工藝軟件設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)初始化、壓靠控制、開環(huán)控制、壓力閉環(huán)控制、位置閉環(huán)控制、厚度預(yù)控、厚度監(jiān)控、加減速補(bǔ)償、塑性剛度系數(shù)的辨識(shí)、泄荷控制、壓下調(diào)節(jié)、上下位機(jī)通訊等［7］，主程序如圖4所示。

中斷閉環(huán)控制是指壓力閉環(huán)［8］和位置閉環(huán)［8］控制，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)只能是兩種閉環(huán)中的一種在工作。當(dāng)人為選中一種模式工作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷該種模式的工作務(wù)件是否滿足，當(dāng)滿足不了時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到另一種模式。如位置閉環(huán)情況下，當(dāng)未達(dá)到設(shè)定位置時(shí)出現(xiàn)壓力超限，為了保護(hù)設(shè)備系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到壓力閉環(huán)，并保持在允許的壓力范圍內(nèi)提示報(bào)警。

限于兩種閉環(huán)控制的實(shí)時(shí)性要求，將他們放在單片機(jī)定時(shí)中斷中，中斷程序必須盡量精簡，避免出現(xiàn)中斷重疊產(chǎn)生死機(jī)。中斷閉環(huán)控制程序首先判斷處于何種閉環(huán)狀態(tài)，之后轉(zhuǎn)入不同的閉環(huán)，讀取相應(yīng)狀態(tài)下的設(shè)定值與實(shí)測值，并計(jì)算偏差，采用積分分離增量式PID控制算法控制輸出，最后兩種閉環(huán)計(jì)算結(jié)果都在相同的D/ A輸出。程序中PID控制的初始參數(shù)可以在上位機(jī)界面進(jìn)行修改，由通訊傳到下位機(jī)，軟件流程圖如圖5所示。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，在晶振為20M情況下，全部中斷程序運(yùn)行時(shí)間為0.7ms左右，高于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際軋制現(xiàn)場考慮，中斷時(shí)間可選擇范圍為1～5ms，建議選擇2ms定時(shí)中斷，既可以很好的滿足快速性要求，又可以給主函數(shù)更多的時(shí)間運(yùn)行其他函數(shù)。

限于篇幅所限，壓靠、壓下調(diào)節(jié)、厚度預(yù)控、厚度監(jiān)控等工藝軟件設(shè)計(jì)不具體介紹。

圖4　AGC主程序軟件流程圖

4　半模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證整套控制器設(shè)計(jì)的正確性，也為實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，特搭建類似位置系統(tǒng)的模擬二階系統(tǒng)進(jìn)行PID閉環(huán)控制，模擬二階系統(tǒng)電路如圖6所示，其中第二個(gè)運(yùn)算放大器只取積分環(huán)節(jié)，因?yàn)閷?shí)際軋機(jī)液壓缸位置閉環(huán)就是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。

模擬二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

時(shí)間常數(shù)T=0.01s，阻尼比ζ=0.25。

如前所述，厚度控制的內(nèi)環(huán)是位置內(nèi)環(huán)和壓力內(nèi)環(huán)，因?yàn)檐浖刂圃硐嗨?，此處只介紹位置內(nèi)環(huán)實(shí)驗(yàn)。由于液壓位置伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，通常采用數(shù)字P或PI控制［9］，本實(shí)驗(yàn)采用積分分離式PI控制算法實(shí)現(xiàn)位置內(nèi)環(huán)控制，具體調(diào)節(jié)和控制過程如下（實(shí)際示波器截圖）：

比例系數(shù)Kp調(diào)節(jié)過程如圖7所示。

圖5　中斷閉環(huán)控制軟件流程圖

圖6　模擬二級(jí)系統(tǒng)電路圖

圖7　比例系數(shù)Kp調(diào)節(jié)過程

積分系數(shù)Ki及積分分離線調(diào)節(jié)過程如圖8所示。

圖8　積分系數(shù)及積分分離線調(diào)節(jié)過程

通過積分分離式PI控制，如圖7、圖8所示，黑框?qū)?yīng)參數(shù)控制效果最好：超調(diào)量小，快速性好，且沒有穩(wěn)態(tài)誤差。此時(shí)系統(tǒng)各項(xiàng)調(diào)節(jié)參數(shù)分別為：Kp=0.2，Ki=0.04，積分分離限=5。由模擬系統(tǒng)和實(shí)際軋機(jī)液壓位置系統(tǒng)的相似性，證明本套控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，設(shè)計(jì)正確，可進(jìn)行實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)。

5　實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本套控制系統(tǒng)的可行性，特將該套控制系統(tǒng)在某薄板生產(chǎn)廠家進(jìn)行厚控實(shí)驗(yàn)，中斷閉環(huán)時(shí)間采用2ms。該廠650mm軋機(jī)采用moog伺服閥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，泵站壓力15MPa，來料鋼種為65錳，設(shè)定最大允許軋制力4500kN，軋制速度最大為4.5m/s；主機(jī)額定功率：400kW，額定電流：982A；左右卷曲額定功率：400kW，額定電流：982A；開卷機(jī)額定功率：400kW，額定電流：982A。

表2　成品質(zhì)量報(bào)表

表2給出了四種軋制規(guī)格下的產(chǎn)品合格率，可以看出10μm以內(nèi)的控制精度可以保證在95%以上，能夠滿足實(shí)際厚度控制的精度要求，證明該控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性控制效果較好，可用于實(shí)際生產(chǎn)。

圖9　電控室現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)調(diào)試圖

6　結(jié)論

通過實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)，證明該套單片機(jī)AGC控制系統(tǒng)可用于實(shí)際生產(chǎn)。系統(tǒng)選用的采樣周期為2ms，周期可以根據(jù)現(xiàn)場的情況選定（1～5ms左右），當(dāng)然本套板帶軋機(jī)單片機(jī)自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)后續(xù)還需要不斷的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和完善。

［1］ 謝東鋼，高林林.我國冷軋板帶材生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.重型機(jī)械，2011（4）：2-6.

［2］ Yang L， Yu B，Ding D， et al. Industrial shape detecting system of cold rolling strip［J］.Journal of Central South University，2012，19：994-1001.

［3］ Richard E. Haskell， Darrin M. Hanna.Digital Design Using Diligent FPGA Boards Verilog/active-HDL Edition［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010：12-15.

［4］ 孫一康，等.冷熱軋板帶軋機(jī)的模型與控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010：183-203.

［5］ 杜楠.基于單片機(jī)的AGC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］.燕山大學(xué)，2014.

［6］ 車海軍，楊文婧，楊景明，等.基于FPGA的AGC系統(tǒng)位置測量信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)［J］.電氣應(yīng)用，2012（6）：32-35.

［7］ 連家創(chuàng)，劉宏民，楊景明，等.板厚板型控制［M］.北京兵器工業(yè)出版社，1996：10-17.

［8］ 彭燕華，劉安平，等.現(xiàn)代熱連軋自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009（9）：262-292.

［9］ Ang K H， Chong G， Li Y. PID control system analysis， design，and technology［J］.Control Systems Technology，IEEE Transactions on，2005，13（4）：559-576.

Improvement and experiment research of the single-chip microcomputer AGC control system for strip rolling mill

YANG Jing-ming1， SUN Du-juan1，2， ZHOU Hao-teng1， MENG Xian-teng1

TP23.0

B

1009-0134（2016）10-0024-05

2016-04-29

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)與寶鋼集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目（U1260203）；河北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人才培育計(jì)劃資助項(xiàng)目（LJRC013）；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（F2016203249）

楊景明（1957 -），男，山西太原人，教授，博士，研究方向?yàn)橐苯饳C(jī)械綜合自動(dòng)化、智能控制和板帶板厚控制等。