李志明 ，彭艷，于丙強(qiáng) ，劉宏民

(1.燕山大學(xué) 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島，066004 2.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島，066004；3.燕山大學(xué) 環(huán)境化學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島，066004)

冷軋帶鋼板形儀的種類繁多，其檢測原理各不相同；在板形檢測過程中按照帶鋼與板形輥是否接觸，可分為接觸式和非接觸式 2類[1]。目前，國際上許多著名的公司都有其各自的板形檢測設(shè)備，如接觸式的典型代表有瑞典ABB板形儀、德國SMS Demag和SundWing板形儀，非接觸式的典型代表有英國的VIDIMON板形儀、德國的SI-Flat板形儀等[1?4]。從冷軋帶鋼生產(chǎn)中的板形精度要求及我國的應(yīng)用情況來看，實(shí)際應(yīng)用的板形儀絕大多數(shù)都屬于接觸式分段測張板形儀，其中ABB板形儀占到了60%；近年來，SI-Flat板形儀在國內(nèi)外的普碳鋼、不銹鋼和有色產(chǎn)品的可逆冷軋機(jī)和冷連軋機(jī)中也得到了較為廣泛的應(yīng)用。板形儀的研制技術(shù)一直為國外企業(yè)所壟斷，是困擾我國提升板形檢測與控制水平的重大基礎(chǔ)性技術(shù)難題。自20世紀(jì)70年代末，國內(nèi)很多科研院所，就開展了板形儀的研究工作，雖然取得較大成績，但在工業(yè)生產(chǎn)中能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行的國產(chǎn)板形儀仍屬空白[1?2]。板形儀測量信號的精確性、采樣頻率、實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性等均與板形信號處理系統(tǒng)具有密不可分的關(guān)系[5]；板形信號處理性能直接影響著冷軋帶鋼板形閉環(huán)控制的效果。因此，對板形信號處理個環(huán)節(jié)展開深入研究，以期從本質(zhì)上提高板形信號處理系統(tǒng)的整體性能，對于自主研制性能達(dá)到、乃至超過國際先進(jìn)水平的冷軋帶鋼板形儀具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文作者以自主研制的接觸式分段測張板形輥[6-9]為研究對象，對板形信號處理系統(tǒng)展開深入研究，并相應(yīng)地研制了板形信號處理的硬軟件系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試、標(biāo)定后，將該套板形儀與現(xiàn)有AFC系統(tǒng)共同投入到了某廠1250HC冷軋機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)之中，并驗(yàn)證了板形信號處理系統(tǒng)的抗干擾能力、檢測精度、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性等。

1 板形信號處理系統(tǒng)架構(gòu)模型研究

1.1 傳統(tǒng)板形信號處理系統(tǒng)架構(gòu)模型的不足及成因

對于采用壓磁傳感的板形儀而言，其信號處理的通常做法是在板形信號傳輸及提取原理的基礎(chǔ)上[10]，設(shè)計(jì)模擬電路板，來實(shí)現(xiàn)板形信號的放大、濾波、提取等環(huán)節(jié)；設(shè)計(jì)峰值鎖存電路，來保持板形信號的正負(fù)峰值；然后，利用多塊數(shù)據(jù)采集板卡對鎖存的峰值信號進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到上位機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理[11?14]。按上述模式構(gòu)建的板形信號處理系統(tǒng)可稱之為“模擬電路板+數(shù)據(jù)采集卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型，如圖1所示。

在該模型中，由于冷軋機(jī)組控制室處于高壓電磁場的重疊包圍之中，模擬電路板及電信號極易受到外界干擾，導(dǎo)致信號處理過程中發(fā)生嚴(yán)重失真、異常等現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)抗干擾能力極差；利用多塊數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，其采樣頻率有限，采樣精度不高、系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)性差；上位機(jī)軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等工作，負(fù)載過大，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性較差。此外，激磁信號采用文獻(xiàn)[10]中所述的傳統(tǒng)方法產(chǎn)生，其幅頻特性易受外界溫度及噪聲的干擾，使得板形檢測精度受損?？傊鲜鰡栴}產(chǎn)生的根本原因在于整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)松散、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性差、抗干擾能力弱、上位機(jī)工作負(fù)載大等。

1.2 新型板形信號處理系統(tǒng)架構(gòu)模型

為提高板形信號處理系統(tǒng)的整體性能，針對“模擬電路板+數(shù)據(jù)采集卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型的不足及其成因，本文從增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性能、減輕上位機(jī)工作負(fù)載、提高激磁信號品質(zhì)等角度出發(fā)，提出 “信號處理板卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型，如圖2所示。

圖1 “模擬電路板+數(shù)據(jù)采集卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型Fig.1 System architecture model on analog circuit board,data acquisition card and upper machine software

在該模型中，將板形信號的前置放大、濾波、信號提取等功能均置于到PCB集成電路板中，以提高板形信號的抗干擾能力；以 DSP芯片作為控制核心部件，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、峰值計(jì)算、測頻、鑒向、與外設(shè)通訊等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的功能，極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并有效減輕上位機(jī)工作負(fù)載；采用文獻(xiàn)[10]提出的基于單片機(jī)的激磁信號產(chǎn)生方法產(chǎn)生幅頻特性穩(wěn)定的激磁信號和參考信號，保證板形信號在傳輸及提取過程中的品質(zhì)，避免精度損失。上位機(jī)軟件系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)以圖形方式直觀的顯示、存儲數(shù)據(jù)等功能。該系統(tǒng)架構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，上位機(jī)工作負(fù)載小，有效增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及可靠性，保證了板形信號處理的轉(zhuǎn)換精度要求。

1.3 新型系統(tǒng)架構(gòu)模型信號處理流程

在新系統(tǒng)架構(gòu)模型中，板形信號自產(chǎn)生，直至將板形信息以直觀形式展示給用戶，期間經(jīng)歷了多個處理環(huán)節(jié)，具體處理流程如圖3所示。

處理環(huán)節(jié)1～7均在板形信號處理板卡中實(shí)現(xiàn)；其中，處理環(huán)節(jié)4和處理環(huán)節(jié)5需借助光電編碼器的信號實(shí)現(xiàn)。處理環(huán)節(jié) 8～13在上位機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)和板形信號處理板卡之間，通過硬件通訊接口、按照制定的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；通訊接口的選取，應(yīng)考慮板形數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

圖2 “信號處理板卡+上位機(jī)軟件”系統(tǒng)架構(gòu)模型Fig.2 System architecture model on signal processing board and upper machine software

圖3 板形信號處理流程Fig.3 Processing flow of shape signal

在上位機(jī)軟件系統(tǒng)中，處理環(huán)節(jié) 9～12對板形檢測精度均有很大的影響。因此，對上述環(huán)節(jié)的處理方法及補(bǔ)償方法等進(jìn)行深入研究，采取切合實(shí)際的補(bǔ)償模型進(jìn)行信號補(bǔ)償，對于提高板形檢測精度很有必要。

2 板形信號補(bǔ)償

在冷軋帶鋼的板形檢測過程中，由于外界干擾對檢測信號影響很大，所以在線檢測板形信號與真實(shí)板形之間必有一定的偏差。為了提高板形檢測精度，需對影響板形在線檢測精度較大的因素進(jìn)行相應(yīng)地補(bǔ)償研究，從而最大限度消除其影響。

2.1 幅頻特性補(bǔ)償

由于板形信號處理板卡中采用了大量的二階濾波電路，隨著輸入信號的頻率變化，其輸出信號的幅值會發(fā)生相應(yīng)變化；主要反映在信號頻率增大時(shí)其幅值隨之減小。所以，有必要對板形信號的幅頻特性進(jìn)行必要補(bǔ)償。

為了更好地對板形信號的幅頻特性進(jìn)行補(bǔ)償，本文結(jié)合自主研制的接觸式分段測張板形輥研制了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由可移動機(jī)座、環(huán)形帶、測力計(jì)、導(dǎo)輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在工作臺上連接2個可移動機(jī)座，右側(cè)機(jī)座可通過旋緊或旋松螺栓實(shí)現(xiàn)環(huán)形帶的張力調(diào)整。在右側(cè)機(jī)座中，安裝滑動式轉(zhuǎn)輪及拉桿；拉桿上貼有應(yīng)變傳感器并連接電子測力器，用于測定拉力。此外，左側(cè)機(jī)座可以通過旋緊或旋松螺栓實(shí)現(xiàn)包角的調(diào)整，因此，該套裝置也可用于板形儀的包角補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 幅頻特性實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of amplitude-frequency characteristic experimental installation

A/D值為板形信號處理系統(tǒng)測得的、未轉(zhuǎn)化為電壓前的無量綱數(shù)值，它反映了測量單元所受徑向壓力；在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，將A/D值等效視為徑向壓力。首先設(shè)置額定載荷，通過變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，用上位機(jī)軟件系統(tǒng)記錄不同轉(zhuǎn)速下的信號電壓輸出A/D值。對于采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次曲線擬合，從而確定該測量單元的幅頻特性曲線。圖5所示為某測量通道的幅頻特性曲線，其中，y為板形信號處理板卡輸出的A/D值；x為板形輥的旋轉(zhuǎn)頻率；a，b及c為擬合系數(shù)。

圖5 板形信號的幅頻特性曲線Fig.5 Amplitude?frequency characteristic curve of shape signal

從圖5可以看出：隨著板形信號頻率的增加，在相同載荷作用下該通道輸出的板形信號幅值不斷降低。在板形輥旋轉(zhuǎn)頻率小于12 Hz時(shí)，即轉(zhuǎn)速小于600 m/min時(shí)，信號幅值變化較大；當(dāng)大于12 Hz時(shí)，輸出信號幅值趨于穩(wěn)定。

將實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次曲線擬合，設(shè)所得表達(dá)式為

由式(1)可知：當(dāng)板形輥旋轉(zhuǎn)頻率很低時(shí)，其輸出幅值近似為c；相應(yīng)地，幅頻特性補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)確定為過數(shù)值軸c點(diǎn)且與分類軸平行的直線，即y′=c。幅頻特性的補(bǔ)償量可確定為補(bǔ)償目標(biāo)與幅頻特性曲線的差值：

圖5所示僅為某測量單元在單一額定載荷下所測得的頻幅特性曲線。在實(shí)際補(bǔ)償前，應(yīng)首先測得幾個典型額定載荷的頻幅特性曲線，從而得到頻幅特性曲線族；在實(shí)際應(yīng)用中，依據(jù)所測載荷及其頻率范圍，通過插值算法確定最終的補(bǔ)償量。

2.2 帶鋼邊部覆蓋補(bǔ)償

在生產(chǎn)實(shí)際中，帶鋼寬度與板形輥有效測量寬度通常是不一致的；帶鋼邊部難以完全覆蓋邊部測量單元，僅能覆蓋測量單元的一部分，如圖6所示。在該情況下，若用邊部測量單元整個寬度計(jì)算其所測張應(yīng)力，則該通道的實(shí)測張應(yīng)力就會小于真實(shí)張應(yīng)力，從而影響帶鋼板形的檢測精度，因此，有必要對被帶鋼邊部部分覆蓋的測量單元的檢測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

圖6 邊部測量單元覆蓋情況示意圖Fig.6 Schematic of marginal measuring unit coated by clod strip

在理想狀態(tài)下，假設(shè)帶鋼中線與軋制中線(板形輥中線)重合，帶鋼寬度為B，測量單元寬度為b，邊部測量單元覆蓋寬度為bs，則板帶完全覆蓋的測量單元個數(shù)為n=[B/b]，其中：[·]表示取整運(yùn)算。邊部測量單元覆蓋寬度bs依據(jù)式(3)計(jì)算。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，帶鋼有時(shí)會發(fā)生向某一側(cè)跑偏的情況，因此，會出現(xiàn)帶鋼兩側(cè)對邊部2個測量單元不對稱覆蓋的情況。若按照式(3)計(jì)算邊部測量單元的覆蓋寬度則會產(chǎn)生較大的檢測誤差，因此，必須在此式(3)基礎(chǔ)上對帶鋼跑偏量進(jìn)一步修正。假設(shè)帶鋼向某一側(cè)的跑偏量為Δs，則帶鋼跑偏側(cè)的邊部測量單元覆蓋寬度bs′按式(4)計(jì)算，另一側(cè)的邊部測量單元覆蓋寬度bs″按式(5)計(jì)算。

其中，[·]表示取整運(yùn)算。

根據(jù)圣維南原理可知，作用在彈性體表面的載荷分布發(fā)生變化時(shí)，彈性體與溝槽接觸區(qū)域的壓力不受影響；壓磁傳感器的輸出信號只與傳感器所受到的帶鋼張力大小有關(guān)，而與張力分布情況無關(guān)；測量單元所受張力與輸出信號近似為線性關(guān)系?；谏鲜龇治?，完全覆蓋的測量單元無需補(bǔ)償；對未完全覆蓋的邊部測量單元進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，將測得的張應(yīng)力乘以一修正系數(shù)η，其值按式(6)計(jì)算。

定義 1/η為帶鋼對邊部測量單元的覆蓋率。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，若 1/η≤0.4，則放棄邊部測量單元的測量值，將其視為無效測量通道；反之，則按式(7)對板形輥邊部測量單元i測得的張應(yīng)力進(jìn)行帶鋼邊部覆蓋補(bǔ)償。

此外，對于板形檢測信號的補(bǔ)償問題，還應(yīng)考慮帶鋼包角補(bǔ)償、帶鋼橫向溫差補(bǔ)償、板形輥撓度補(bǔ)償及帶鋼卷形補(bǔ)償?shù)萚15?16]。

3 板形信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 板形信號處理板卡

項(xiàng)目要求為某廠1250HC冷軋機(jī)配備板形儀的同時(shí)，還要提供與原有AFC系統(tǒng)相匹配的通訊接口，以為其提供板形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)板形閉環(huán)控制。按照系統(tǒng)實(shí)際需求設(shè)計(jì)的信號處理板卡的邏輯結(jié)構(gòu)如圖7所示。

輥體出信號作為板形信號處理板的輸入信號。輸入信號經(jīng)鎖相放大電路處理后，重新得到壓力信號；經(jīng)高速模擬開關(guān)ADG406，進(jìn)入16位精度的A/D芯片 AD7665進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過磁藕隔離ADUM1400，通過16位數(shù)據(jù)總線與DSP芯片相連。板形信號處理板卡將板形輥旋轉(zhuǎn)1周內(nèi)采集的各路數(shù)據(jù)存放在與DSP芯片相連的隨機(jī)存取器RAM中。利用DSP芯片內(nèi)部的eQEP模塊，根據(jù)光電編碼器輸入的 QEPA，QEPB及零位信號獲取板形輥旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度、零位信號是否到達(dá)等信息。TMS320F28335 DSP芯片將板形輥一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的板形測量結(jié)果、旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)頻率、卷徑等數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議封裝后，發(fā)送至 USB接口，以供上位機(jī)軟件讀取。DSP處理后的板形數(shù)據(jù)經(jīng)過AD7841進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完畢后，用DA_READY信號(0～5V)觸發(fā)AFC系統(tǒng)讀取處理完畢的各通道信號。板形信號處理板與AFC系統(tǒng)通訊接口為DB50，采用0～10V單端電壓信號傳輸。

考慮軋制現(xiàn)場高壓設(shè)備眾多，電磁干擾嚴(yán)重，信號處理板中使用了大量的隔離器件、濾波電路，例如ADUM1400，ADMU1201和二階濾波電路等，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.2 激磁電源系統(tǒng)

圖7 板形信號處理板邏輯結(jié)構(gòu)Fig.7 Logical structure of shape signal processing board

為了適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的噪聲環(huán)境及避免電磁干擾，增強(qiáng)板形信檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研制了板形儀的激磁電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)由±15 V和±27 V線性電源各1塊、激磁信號電路板1塊、智能電壓、電流表各1塊組成，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 激磁電源系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.8 Logical structure of exciting power system

由圖8可知：激磁電源系統(tǒng)有2個激磁信號輸出端口。2路激磁信號均從智能電流表中引出，一路接至整輥鑲塊式板形檢測輥壓磁傳感器的激磁繞組，作為所測徑向壓力信號的載波信號；另一路接至板形信號處理板卡，作為參考信號提供給鎖相放大電路。

3.3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

綜合運(yùn)用多線程、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及控件安全等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套功能完善、性能穩(wěn)定的上位機(jī)軟件系統(tǒng)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)通過USB接口與板形信號處理板卡相連，在驅(qū)動程序的支持下可接收和下發(fā)數(shù)據(jù)包。按照通訊協(xié)議解析接收的數(shù)據(jù)包，獲得板形信息、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、卷徑等數(shù)據(jù)，經(jīng)信號補(bǔ)償、相應(yīng)運(yùn)算后以直觀的圖形方式將在線檢測板形信息實(shí)時(shí)顯示出來以供用戶觀測。按照通訊協(xié)議，封裝數(shù)據(jù)包并下發(fā)，可實(shí)現(xiàn)板形信號處理系統(tǒng)與AFC系統(tǒng)的通訊測試。上位機(jī)軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 上位機(jī)軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.9 Software functional structure of upper computer

4 板形儀的高精度動態(tài)標(biāo)定

4.1 標(biāo)定設(shè)備及原理

圖10 板形儀標(biāo)定裝置Fig.10 Calibration device for shape meter

板形儀的標(biāo)定是對板形信號的綜合系數(shù)補(bǔ)償，處于信號補(bǔ)償?shù)淖詈笠粋€環(huán)節(jié)。板形儀的標(biāo)定精度將會在很大程度上影響冷軋帶鋼板形的在線實(shí)測精度，因此，提高板形儀的標(biāo)定精度亦是提高板形檢測精度的關(guān)鍵問題之一。針對板形儀標(biāo)定實(shí)驗(yàn)載荷加載的特點(diǎn)，相應(yīng)地研制了動態(tài)標(biāo)定設(shè)備。該套板形儀標(biāo)定設(shè)備及其構(gòu)件見圖10所示，配備了3個標(biāo)定砝碼(10.05 kg)和1個驗(yàn)證砝碼(5 kg)。

標(biāo)定時(shí)，將砝碼放在拉桿上，通過壓輪滾動與板形輥見得接觸滾動來保持標(biāo)定桿及砝碼平衡，并通過壓輪將等效徑向壓力傳遞給板形輥。上述標(biāo)定設(shè)備與加載在測量單元上的徑向壓力之間的力學(xué)等效關(guān)系如圖11所示。

圖11 等效徑向壓力與標(biāo)定桿的關(guān)系Fig.11 Relation between equivalent radial pressure and calibration perch

設(shè)壓輪位置的等效質(zhì)量為m，其對測量單元輥面產(chǎn)生的徑向壓力(支撐力)為F；拉桿質(zhì)量為m0，壓輪質(zhì)量為m1，標(biāo)定桿質(zhì)量為m2，砝碼質(zhì)量為m3，標(biāo)定桿長為L，則根據(jù)杠桿平衡條件可得

其中，g為重力加速度。

進(jìn)而，可求得壓輪位置產(chǎn)生的等效質(zhì)量和徑向壓力：

用電子秤測量上述各有關(guān)構(gòu)件的實(shí)際質(zhì)量，利用式(9)和(10)，求得壓輪位置作用于輥面的等效質(zhì)量及等效徑向壓力；每增加一個標(biāo)定砝碼，輥面所受的徑向壓力也隨之改變。

4.2 標(biāo)定系數(shù)的確定及其精度檢驗(yàn)

設(shè)板形輥的測量單元i對應(yīng)的輥面受徑向壓力為F(i)，則壓磁傳感器產(chǎn)生的板形信號經(jīng)傳輸、提取后，得到相應(yīng)的電壓信號V(i)，再經(jīng)16位A/D轉(zhuǎn)換后，得到與V(i)對應(yīng)的數(shù)值。此處，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)就是通過實(shí)驗(yàn)尋求測量單元所受徑向壓力與A/D值之間的關(guān)系。

利用圖10所示的標(biāo)定設(shè)備對板形儀各測量通道進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。通過變頻器將板形輥轉(zhuǎn)速調(diào)至額定標(biāo)定速度(約90 m/min)；系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，讀取上位機(jī)軟件系統(tǒng)中顯示的標(biāo)定通道的 A/D值并記錄；此時(shí)，該值為測量通道的空載值；將標(biāo)定桿的壓輪對準(zhǔn)欲標(biāo)定通道測量單元的位置放置，記錄穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下該測量通道的A/D值。在拉桿下方，依次加載標(biāo)定砝碼(10.05 kg)個數(shù)至3個，再依次減少標(biāo)定砝碼個數(shù)至0個，讀取并記錄每增加或減少1個砝碼后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的A/D值。將相同載荷的2次A/D值平均后作為該通道的標(biāo)定值。

按上述步驟標(biāo)定完所有測量通道后，得到各個通道及其不同等效徑向壓力作用下A/D值之間的對應(yīng)數(shù)據(jù)。將各通道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)二次擬合，確定出各通道的A/D值與輥面所受徑向壓力之間的關(guān)系式。將二次擬合得到的各通道標(biāo)定系數(shù)輸入到上位機(jī)軟件系統(tǒng)中，即可在線測量板帶對板形檢測各通道的徑向壓力。再引入驗(yàn)證砝碼(5 kg)，檢驗(yàn)各通道的標(biāo)定精度。若某測量單元不能滿足標(biāo)定精度要求，則需重新進(jìn)行標(biāo)定。該套板形儀的標(biāo)定精度要求為2%。

5 工業(yè)應(yīng)用

板形信號處理系統(tǒng)是板形儀的重要組成部分，但無法對其單獨(dú)進(jìn)行工業(yè)驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定、通訊測試后，將該套板形儀與 AFC系統(tǒng)結(jié)合投入到了某廠1250HC可逆六輥冷軋機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)場之中，根據(jù)運(yùn)行狀況及產(chǎn)品質(zhì)量，對信號處理系統(tǒng)的抗干擾能力、板形檢測精度、板形閉環(huán)控制效果等進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證。

5.1 板形信號抗干擾能力及穩(wěn)定性驗(yàn)證

板形信號處理系統(tǒng)，尤其是其硬件系統(tǒng)，從板形信號處理板卡和激磁電源系統(tǒng)研制的各個環(huán)節(jié)均考慮了冷軋現(xiàn)場惡劣的干擾環(huán)境，并采取了相應(yīng)的隔離、濾波、接地等抗干擾措施。某廠1250HC冷軋機(jī)生產(chǎn)帶鋼時(shí)(鋼卷號為 A9911011000000，材質(zhì)為st12，帶材寬度為 1 045 mm，軋制速度為 238.57 m/min)，板帶覆蓋了板形檢測輥的2至22通道；通過上位機(jī)軟件系統(tǒng)顯示了各路波形。從實(shí)測波形中可以發(fā)現(xiàn)，未被板帶覆蓋的1及23通道的板形信號波形近似一條直線；被帶鋼覆蓋的各路板形信號波形平滑，無毛刺、失真等現(xiàn)象；圖12所示為11通道及20通道的實(shí)測板形信號的原始波形。

經(jīng)過在高速、大張力等復(fù)雜工況條件下的檢驗(yàn)，板形信號的狀態(tài)依然如上所述。當(dāng)系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)，各通道的信號無零漂現(xiàn)象發(fā)生。由此可見，該套板形信號處理系統(tǒng)能夠適應(yīng)現(xiàn)場工況及復(fù)雜的軋制條件，具有良好的抗干擾能力及穩(wěn)定性、無信號零漂現(xiàn)象發(fā)生，為高精度的板形閉環(huán)控制奠定了基礎(chǔ)。

5.2 板形檢測精度驗(yàn)證

圖12 實(shí)測板形信號原始波形Fig.12 Original waveform of real measurement shape signal

為了驗(yàn)證板形檢測精度，對多卷帶鋼的在線檢測與離線檢測的板形值進(jìn)行了對比。獲取離線檢測板形值的方法是取一定長度和寬度的帶鋼平鋪于平臺上，用米尺測量起浪長度(分辨率為0.5 mm)，用千分表測量起浪高度(分辨率為 1 μm)，得到實(shí)測陡度(浪高/浪長)，然后按有關(guān)定義計(jì)算板形(1I表示相對長度差為10?5)。獲取在線板形檢測值的方法是在軋制過程中，利用板形儀的上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)記錄在線檢測的板形數(shù)據(jù)，然后結(jié)合時(shí)間和帶長截取與離線檢測帶鋼段相應(yīng)的板形數(shù)據(jù)，計(jì)算板形。表1所示為開環(huán)與閉環(huán)狀態(tài)下板形檢測精度的對比。

從表1可以發(fā)現(xiàn)：無論是在開環(huán)狀態(tài)還是在閉環(huán)狀態(tài)下，在線檢測和離線測量值的對比誤差基本在5%以內(nèi)。這表明，在該板形儀研制過程中，所采取的提高板形檢測精度的各種關(guān)鍵性工作取得了良好效果，從而使其在線檢測精度很高。

表1 板形檢測精度對比Table 1 Shape measurement precision contrast

5.3 超薄帶鋼板形閉環(huán)控制實(shí)例

鋼卷號為A8899999，帶鋼寬度1 045 mm，成品厚度0.18 mm，壓下率18.6%，材質(zhì)為ST12，成品第5道次板形閉環(huán)控制長度方向板形值如圖13所示。由圖13可見，超薄帶鋼穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)，帶鋼板形偏差控制在6I以下，表明該板形儀的信號處理系統(tǒng)具有極高的檢測靈敏度、檢測精度及實(shí)時(shí)性，適用于超薄冷軋帶鋼產(chǎn)品的板形控制。

圖13 長度方向上的板形偏差曲線Fig.13 Shape deviation curve in length direction

6 結(jié)論

(1)針對傳統(tǒng)板形信號處理系統(tǒng)架構(gòu)方案的不足及其成因，提出了一種“信號處理板+上位機(jī)軟件系統(tǒng)”的系統(tǒng)架構(gòu)模型。該模型中，采用以DSP芯片為核心并配以外圍器件及電路的方法研制板形信號處理板卡，數(shù)據(jù)采集與處理、測頻、鑒向、與外圍設(shè)備通訊等實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的任務(wù)由信號處理板來完成，有效減輕上位機(jī)工作負(fù)載。該模型可有效增強(qiáng)板形信號處理系統(tǒng)的抗干擾能力、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及檢測精度。

(2)利用自主研制的有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過實(shí)驗(yàn)方法確定了板形信號的幅頻特性補(bǔ)償模型及標(biāo)定系數(shù)；通過理論分析，確定了適合帶鋼偏移軋制中心線情況的帶鋼邊部覆蓋補(bǔ)償模型。

(3)結(jié)合項(xiàng)目需求，自主設(shè)計(jì)并開發(fā)了板形信號處理系統(tǒng)，并最終投入到了1250冷軋機(jī)的工業(yè)現(xiàn)場。該板形信號處理系統(tǒng)各路信號平滑、穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，保證了信號處理及傳輸?shù)木燃皩?shí)時(shí)性要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取得了良好的板形檢測及控制效果。本文提出的板形信號處理系統(tǒng)架構(gòu)模型、板形信號補(bǔ)償?shù)难芯糠椒ǖ葘ξ覈灾餮兄聘咝阅艿陌逍涡盘柼幚硐到y(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義。

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