板帶軋機單片機AGC厚控系統的改進與實驗研究

楊景明，孫杜娟，2，周豪騰，孟憲騰

（1.燕山大學 工業計算機控制工程河北省重點實驗室，秦皇島 066004；2.吉林建筑大學 城建學院，長春 130000）

板帶軋機單片機AGC厚控系統的改進與實驗研究

楊景明1，孫杜娟1，2，周豪騰1，孟憲騰1

（1.燕山大學 工業計算機控制工程河北省重點實驗室，秦皇島 066004；2.吉林建筑大學 城建學院，長春 130000）

板厚精度和板形精度是衡量板帶材的兩大質量指標，針對許多中小型鋼廠板厚控制精度不高，研發了一套基于PIC單片機的板帶軋機自動厚度控制（AGC）系統的控制裝置。在前期控制裝置雛形的基礎上，做了一些改進和工程實驗研究，經半模擬和現場試驗表明，該控制裝置具有很好的實用性。

板帶軋機；AGC控制系統；PIC單片機；中斷閉環控制；實驗研究

0　引言

在我國所有鋼材品種中，冷軋薄板（帶）鋼仍然是國內市場自給率和占有率最低的產品，文獻［1］對我國鋼材及設備現狀進行了研究，我國大部分冷軋機裝機水平不高，面臨著技術改造或更新換代。文獻［2］介紹了軋機采用液壓系統的升級和發展，隨著液壓伺服系統及相應控制技術的成熟，幾乎所有新上的板帶軋機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能力。由于液壓伺服壓下的響應速度比電動壓下響應速度快一個數量級以上，因此常規PLC難以實現對液壓伺服系統的控制，需要采用昂貴的控制模塊，此外好多控制算法難以實現靈活編程。經過多年實踐，開發改進了一套基于PIC單片機的板帶軋機AGC控制系統，采用FPGA作為輔助芯片，完成現場編碼器信號的數據采集與處理，文獻［3］介紹了FPGA處理現場信號的優勢。實驗證明本套控制裝置可以做到1ms的采樣周期，滿足實時性要求，現場運行穩定、可靠。

1　AGC控制系統的整體介紹及前期工作

帶有液壓AGC功能的單機架可逆軋機一般由軋機本體、高壓站、低壓站、乳化液站、潤滑站等幾部分組成［4］，本文只對包含工藝控制的軋機本體部分做主要研究及介紹。軋機現場通常采用絕對值編碼器進行位置信號檢測；采用壓力傳感器及張力計進行壓力和張力信號采集，壓力和張力信號通常以4～20mA的電流信號輸出；厚度控制的反饋量采用測厚儀進行測量，一般預定一個偏差范圍對應一定的模擬量值，如±100μm對應±10V（或±5V）；現場操作臺、操作箱的操作信號通過數字量輸入進行采集，數字量輸出信號控制各種閥的動作和指示燈的狀態顯示；最后通過上位機對軋鋼現場的各項參數進行實時監控，實現人與AGC控制系統的實時對話。

通過對板帶軋機AGC系統的綜合分析，前期設計了AGC控制系統的硬件電路。如圖1所示：32路數字量輸入、16路數字量輸出接口電路；8路模擬量輸入、4路模擬量輸出轉換電路；4路絕對值編碼器輸入、6路增量式編碼器輸入信號采集電路；與上位機通訊電路以及電源轉換電路［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　基于單片機的AGC系統硬件結構圖

經過前期的軟、硬件設計，本系統已初具雛形，但在軟件設計及后續工程實驗過程中，仍然存在一些問題。

2　AGC控制系統的硬件電路和軟件改進

2.1數字量輸出DO

數字量輸出硬件電路參見文獻［5］，鎖存器SH74HC573實現單片機引腳的分時復用，使用光電耦合器隔離，接24V上拉電壓，最后通過達林頓管ULN2803A驅動輸出。在現場實驗中多次發現達林頓管燒壞情況，最嚴重的一次，達林頓管一半以上燒成白灰狀。經長時間烤電實驗及問題排查，發現并解決了如下兩方面問題：

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

2）達林頓管換同系列ULN2804后，現場實驗還會有燒壞現象。從電流角度分析元器件燒壞問題，電路計算ULN2804最大輸入電流為Imax=（24-0）/R609，若按前期硬件電路設計，上拉電阻為5kΩ，實際達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，可見其實際輸入電流遠大于要求額定電流，所以應加大上拉電阻阻值。根據歐姆定律，DO輸出端的上拉電阻由5kΩ換成20kΩ，經烤電及現場實驗驗證，達林頓管不再出現燒壞現象，可正常工作。

2.2模擬量輸入AI

對于模擬量輸入AI，為了滿足最終控制系統的精度及實用性，對精度和轉換時間都有著很高的要求。前期通過片外MAX197替代片內AD，在一定程度上改進了AD轉換的精度，當然優良的接口軟件編寫也至關重要，本文也對接口軟件進行了規范化編寫及調試優化。而為了達到控制系統1ms的采樣周期，對于控制系統8路的AI輸入，再考慮軟件濾波等，每一路AD采樣的時間至少是μs級，但實際調試測量整個電路板時，AD采樣部分時間明顯超出時間要求，為ms級。

經軟件排查及單務語句時間測量，發現軟件查詢INT轉換成功狀態位這一句時間最長（3ms左右），但MAX197數據手冊規定其轉化時間為18μs，和實際測量時間差別很大，但是AD轉換的數值精度卻可以保證，因此排除芯片壞了的可能性。最終發現問題出在電容上，導致了芯片時鐘的錯誤。

改進后，AD轉換時間為12μs，軟件濾波采用堆棧的思想對20次轉換結果求平均值，圖2為單通道AD轉換時間示波器截圖。

圖2　AD轉換時間示波器截圖

2.3模擬量輸出AO

控制器采用TI公司的數模轉換芯片實現模擬量輸出的功能。前期設計過程中該部分沒有得到令人滿意的精度和結果［5］。本文在前期硬件電路設計的基礎上進行了該部分的軟件設計和優化。在DA轉換軟件設計時需要注意單片機PORTG口的取值，需要綜合考慮PORTG口對芯片DAC和單片機其他功能的作用，前期就是因為PORTG口取值不對，所以導致軟件設計的失敗。經過軟件改進和優化，得到了高精度的DA轉換結果，具體實驗數據如表1所示（4路AO任選1路）。

表1　DA轉換實驗數據

2.4編碼器信號接口

本AGC系統采用光電編碼器接收模塊來檢測位置信號和速度信號，即增量編碼器接收速度信號，絕對值編碼器接收位置信號，關于該部分的詳細說明可參閱文獻［6］。此處主要對絕對值編碼器信號采集的準確度及現場試驗的要求進行了一定的優化和改進。

在實際軋機進行現場的閉環實驗之前，需要對閉環用到的各部分接口電路進行測試，只有各部分信號的準確無誤才可保證后期閉環實驗的成功。現場對絕對值編碼器信號進行采集時，發現用本套單片機AGC系統與PLC采集的數值相差甚遠。分析排查后發現：

1）目前市面和大部分軋機現場的絕對值編碼器都是SSI格雷碼信號輸出的形式，系統前期也只針對格雷碼信號進行了數據處理及傳輸，但我們現場實驗軋機的編碼器卻是MTS公司的R系列位移傳感器，其輸出信號為SSI二進制編碼。

2）改進增加編碼器二進制信號輸出形式的處理后，對德國倍加福多圈編碼器AVM58N-011K1RHGN進行數據采集，發現和PLC采集信號仍然不完全相同，但出現規律性變化，采集數據成近乎成2倍關系，最終問題排查為前期軟件設計波特率設置錯誤。

圖3 現場液壓缸位置信號采集

圖3為改進后現場上位機通訊數據界面截圖，“缸位移實測值”為液壓缸位置，單位是μm，現場實驗表明，本套單片機控制器和PLC采集數據幾本一致，為60mm左右。

3　AGC控制系統的軟件設計

板帶軋機厚度控制系統的軟件設計包括模塊化的接口軟件設計和工藝軟件設計。健壯高效的接口程序不僅方便后期工藝程序的開發，也有利用系統用于其他開發，所以本文在規范優化全部接口程序的基礎上設計了工藝程序。

板帶軋機AGC厚控系統的工藝軟件設計主要包括參數初始化、壓靠控制、開環控制、壓力閉環控制、位置閉環控制、厚度預控、厚度監控、加減速補償、塑性剛度系數的辨識、泄荷控制、壓下調節、上下位機通訊等［7］，主程序如圖4所示。

中斷閉環控制是指壓力閉環［8］和位置閉環［8］控制，實際系統運行時只能是兩種閉環中的一種在工作。當人為選中一種模式工作時，系統會自動判斷該種模式的工作務件是否滿足，當滿足不了時會自動切換到另一種模式。如位置閉環情況下，當未達到設定位置時出現壓力超限，為了保護設備系統會自動切換到壓力閉環，并保持在允許的壓力范圍內提示報警。

限于兩種閉環控制的實時性要求，將他們放在單片機定時中斷中，中斷程序必須盡量精簡，避免出現中斷重疊產生死機。中斷閉環控制程序首先判斷處于何種閉環狀態，之后轉入不同的閉環，讀取相應狀態下的設定值與實測值，并計算偏差，采用積分分離增量式PID控制算法控制輸出，最后兩種閉環計算結果都在相同的D/ A輸出。程序中PID控制的初始參數可以在上位機界面進行修改，由通訊傳到下位機，軟件流程圖如圖5所示。

經實驗測量，在晶振為20M情況下，全部中斷程序運行時間為0.7ms左右，高于系統實時性要求，根據本系統實際軋制現場考慮，中斷時間可選擇范圍為1～5ms，建議選擇2ms定時中斷，既可以很好的滿足快速性要求，又可以給主函數更多的時間運行其他函數。

限于篇幅所限，壓靠、壓下調節、厚度預控、厚度監控等工藝軟件設計不具體介紹。

圖4　AGC主程序軟件流程圖

4　半模擬實驗

為了驗證整套控制器設計的正確性，也為實機實驗奠定基礎，特搭建類似位置系統的模擬二階系統進行PID閉環控制，模擬二階系統電路如圖6所示，其中第二個運算放大器只取積分環節，因為實際軋機液壓缸位置閉環就是一個積分環節。

模擬二階系統的開環傳遞函數為：

時間常數T=0.01s，阻尼比ζ=0.25。

如前所述，厚度控制的內環是位置內環和壓力內環，因為軟件控制原理相似，此處只介紹位置內環實驗。由于液壓位置伺服系統的響應速度很快，通常采用數字P或PI控制［9］，本實驗采用積分分離式PI控制算法實現位置內環控制，具體調節和控制過程如下（實際示波器截圖）：

比例系數Kp調節過程如圖7所示。

圖5　中斷閉環控制軟件流程圖

圖6　模擬二級系統電路圖

圖7　比例系數Kp調節過程

積分系數Ki及積分分離線調節過程如圖8所示。

圖8　積分系數及積分分離線調節過程

通過積分分離式PI控制，如圖7、圖8所示，黑框對應參數控制效果最好：超調量小，快速性好，且沒有穩態誤差。此時系統各項調節參數分別為：Kp=0.2，Ki=0.04，積分分離限=5。由模擬系統和實際軋機液壓位置系統的相似性，證明本套控制系統可實現閉環，設計正確，可進行實機實驗。

5　實機實驗

為了驗證本套控制系統的可行性，特將該套控制系統在某薄板生產廠家進行厚控實驗，中斷閉環時間采用2ms。該廠650mm軋機采用moog伺服閥控制執行機構，泵站壓力15MPa，來料鋼種為65錳，設定最大允許軋制力4500kN，軋制速度最大為4.5m/s；主機額定功率：400kW，額定電流：982A；左右卷曲額定功率：400kW，額定電流：982A；開卷機額定功率：400kW，額定電流：982A。

表2　成品質量報表

表2給出了四種軋制規格下的產品合格率，可以看出10μm以內的控制精度可以保證在95%以上，能夠滿足實際厚度控制的精度要求，證明該控制系統可靠穩定，實時性控制效果較好，可用于實際生產。

圖9　電控室現場實驗調試圖

6　結論

通過實機實驗，證明該套單片機AGC控制系統可用于實際生產。系統選用的采樣周期為2ms，周期可以根據現場的情況選定（1～5ms左右），當然本套板帶軋機單片機自動厚度控制系統后續還需要不斷的實驗改進和完善。

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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

國家自然科學基金委員會與寶鋼集團有限公司聯合資助項目（U1260203）；河北省高等學校創新團隊領軍人才培育計劃資助項目（LJRC013）；河北省自然科學基金項目（F2016203249）

楊景明（1957 -），男，山西太原人，教授，博士，研究方向為冶金機械綜合自動化、智能控制和板帶板厚控制等。