連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

肖俊生 左鴻飛 李文濤 王志春

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

結(jié)晶器是連鑄過(guò)程中的鑄坯成型設(shè)備，其振動(dòng)使連續(xù)鑄鋼成為可能，而振動(dòng)方式對(duì)鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有著重要影響[1-3]。連鑄結(jié)晶器振動(dòng)方式經(jīng)歷了同步振動(dòng)、梯形振動(dòng)、正弦振動(dòng)和非正弦振動(dòng)[4-5]。非正弦振動(dòng)方式因其對(duì)提高拉坯速度、鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率等具有顯著效果，逐漸成為結(jié)晶器振動(dòng)主要應(yīng)用規(guī)律[6-7]。結(jié)晶器振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式主要有機(jī)械振動(dòng)和電液伺服振動(dòng)兩種，機(jī)械振動(dòng)方式主要通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪、橢圓齒輪和雙偏心連桿等機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種振動(dòng)規(guī)律。這種機(jī)械振動(dòng)方式存在非正弦振動(dòng)波形實(shí)現(xiàn)困難、長(zhǎng)期使用機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損后振動(dòng)波形變形及參數(shù)在線不可調(diào)等缺點(diǎn)[8-9]。電液伺服振動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)非正弦振動(dòng)，具有波形參數(shù)任意可調(diào)、可實(shí)時(shí)在線修改、精度高、可實(shí)現(xiàn)多種振動(dòng)方式工作等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用已越來(lái)越普遍[10-12]。

本文設(shè)計(jì)一種連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，振動(dòng)控制器采用32位微處理器STM32實(shí)現(xiàn)，控制器產(chǎn)生結(jié)晶器振動(dòng)波形數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)采集結(jié)晶器位移數(shù)據(jù)，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出控制信號(hào)給液壓伺服機(jī)構(gòu)；同時(shí)采集閥芯位置、液壓缸壓力、拉速等信息，并將所采數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)波形、振動(dòng)工作狀態(tài)的監(jiān)控及各種參數(shù)的設(shè)置工作。整個(gè)系統(tǒng)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)通訊，一臺(tái)上位機(jī)可同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)結(jié)晶器振動(dòng)控制器的工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1，整個(gè)系統(tǒng)采用離散控制系統(tǒng)“集中管理、分散控制”的設(shè)計(jì)思路，主要包括上位機(jī)監(jiān)控中心、振動(dòng)控制器、液壓伺服系統(tǒng)及振動(dòng)臺(tái)。上位機(jī)監(jiān)控中心完成對(duì)多臺(tái)(本系統(tǒng)設(shè)計(jì)最多6臺(tái))控制器的運(yùn)行監(jiān)控管理工作，主要包括結(jié)晶器振動(dòng)波形、振動(dòng)工作狀態(tài)的監(jiān)控及各種參數(shù)的設(shè)置工作。各振動(dòng)控制器相互獨(dú)立運(yùn)行，主要產(chǎn)生振動(dòng)波形數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)采集結(jié)晶器位移數(shù)據(jù)，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出控制信號(hào)給液壓伺服系統(tǒng)；同時(shí)采集閥芯位置、液壓缸壓力、拉速等信息，并將所采數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給上位機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)通訊，具有實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 振動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

2.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

結(jié)晶器振動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。核心控制器采用32位高性能ARM Cortex-M4處理器STM32F407，該處理器時(shí)鐘高達(dá)168 MHz，支持FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算)，自帶多路12位ADC，且具有CAN、以太網(wǎng)接口等多種通信接口[13]，非常符合本系統(tǒng)應(yīng)用要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能模塊主要包括25位SSI振動(dòng)位移信號(hào)模塊、16位DA及V/I轉(zhuǎn)換控制信號(hào)輸出模塊、4～20 mA模擬量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、觸摸屏、CAN通信和Modbus TCP/IP通信接口。

振動(dòng)控制器主要工作參數(shù)：波形頻率40～360 次/min，振幅0～±6.0 mm，偏斜率0～±0.4，控制精度±0.5 mm，控制輸出：±10 mA DC。

為了保證結(jié)晶器振動(dòng)時(shí)內(nèi)外弧的同步性，2路SSI振動(dòng)位移信號(hào)及2路控制輸出在硬件上都設(shè)計(jì)了同步控制信號(hào)，從硬件上保證了振動(dòng)的同步性。振動(dòng)位移傳感器采用MTS公司Temposonics-RD4型位移傳感器，該傳感器采用磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非接觸式位移測(cè)量，輸出25位格雷碼，測(cè)量范圍0～200 mm，測(cè)量精度達(dá)0.002 mm?？刂戚敵霾捎?6位高速DA芯片AD5660實(shí)現(xiàn)，AD5660輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)高精度隔離轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為-10～+10 mA的電流控制信號(hào)，這樣方便實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)傳，也提高了信號(hào)的抗干擾能力。

2.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件采用C51編程實(shí)現(xiàn)。主流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化后，按照預(yù)設(shè)參數(shù)生成振動(dòng)波形，接著采集位移及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并處理上位機(jī)命令，如果收到啟動(dòng)命令，則進(jìn)行PID運(yùn)算并輸出控制信號(hào)，然后將位移信息、控制器狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。為了防止出現(xiàn)振動(dòng)波形突變給機(jī)械設(shè)備造成沖擊，程序中設(shè)定每次振動(dòng)啟動(dòng)或停止時(shí)都從預(yù)設(shè)的“零位中心點(diǎn)”開(kāi)始，且只有結(jié)晶器處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)才允許修改振動(dòng)波形參數(shù)。

3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在界面上可以直觀看到結(jié)晶器內(nèi)外弧的設(shè)定曲線和實(shí)時(shí)振動(dòng)曲線，也可選擇同時(shí)顯示內(nèi)外弧的實(shí)時(shí)振動(dòng)曲線以便觀察其同步性。同時(shí)對(duì)液壓缸壓力、拉坯速度等進(jìn)行顯示，也可對(duì)波形偏斜率、振動(dòng)頻率及振幅等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行在線修改。如果發(fā)生了報(bào)警信息，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)以聲光報(bào)警的方式提醒操作者。

由于整個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)種類(lèi)多、數(shù)據(jù)量大，為了提高數(shù)據(jù)處理速度，軟件架構(gòu)采用發(fā)送循環(huán)/接收循環(huán)并行模式[14]。程序架構(gòu)如圖4所示，程序首先對(duì)CAN模塊進(jìn)行初始化并啟動(dòng)CAN收發(fā)功能，如果啟動(dòng)CAN模塊正常，則進(jìn)入兩個(gè)并行while循環(huán)，發(fā)送循環(huán)負(fù)責(zé)將上位機(jī)要下發(fā)的命令數(shù)據(jù)組織成完整的CAN報(bào)文，并通過(guò)發(fā)送模塊發(fā)送到CAN總線上；接收循環(huán)通過(guò)CAN接收模塊接收控制器發(fā)來(lái)的報(bào)文并解析，同時(shí)將解析后的數(shù)據(jù)送前面板顯示，這樣可保證收發(fā)同步進(jìn)行提高通信效率。當(dāng)收發(fā)任務(wù)完成后程序退出while循環(huán)，并執(zhí)行CAN模塊注銷(xiāo)釋放工作，進(jìn)而結(jié)束整個(gè)程序。

4 CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控中心與各控制器通過(guò)CAN總線完成通信，CAN總線采用非破壞總線仲裁技術(shù)，具有抗干擾性強(qiáng)、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)非常適合本系統(tǒng)應(yīng)用[15]。上位機(jī)將振動(dòng)波形參數(shù)、控制器啟停、手/自動(dòng)等命令發(fā)送給控制器；同時(shí)，控制器將產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)及其他工作狀態(tài)參數(shù)通過(guò)CAN總線上傳到上位機(jī)。

系統(tǒng)CAN通信應(yīng)用層協(xié)議參照SAEJ1939及CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn),采用11位識(shí)別碼信息幀格式，11位標(biāo)識(shí)符定義如表1所示。

表1 11位標(biāo)識(shí)符定義表

表1中各部分意義如下:

(1)P:優(yōu)先級(jí)，由2位組成，分4級(jí)，0為最高級(jí)，3為最低級(jí);

(2)PS:參數(shù)意義，共5位，如00011代表PID參數(shù)設(shè)置命令;

(3)ID:設(shè)備編號(hào)，共4位，可表示15臺(tái)控制設(shè)備，其中，1111代表全局命令，所有控制器都接收。

系統(tǒng)中根據(jù)需要設(shè)計(jì)了10種報(bào)文，根據(jù)命令發(fā)送方式不同又分為觸發(fā)性報(bào)文和周期性報(bào)文，上位機(jī)下發(fā)的命令、控制器發(fā)送的命令響應(yīng)、報(bào)警信息等為觸發(fā)報(bào)文，控制器上傳的狀態(tài)信息、振動(dòng)位移數(shù)據(jù)信息為周期性報(bào)文。如控制器狀態(tài)信息報(bào)文，其發(fā)送周期為100 ms，格式如表2。

表2 狀態(tài)信息報(bào)文格式

其中消息內(nèi)容為：

第一字節(jié)：拉速信息

第二字節(jié)：液壓閥1位置

第三字節(jié)：液壓閥2位置

第四字節(jié)：液壓閥1狀態(tài)

第五字節(jié)：液壓閥2狀態(tài)

第六字節(jié)：保留

5 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在某公司提供的結(jié)晶器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，其中一組振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖5所示：振動(dòng)波形為非正弦波，頻率4.5 Hz，振幅2 mm，偏斜率0.4，振動(dòng)中心點(diǎn)為52 mm位置。圖中右下角曲線顯示的為設(shè)定位移曲線和實(shí)測(cè)振動(dòng)位移曲線，從圖5中可以看出實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線和設(shè)定曲線形態(tài)完全一致，實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線比設(shè)定曲線在時(shí)間上存在一些滯后，這跟實(shí)際情況是完全相符的。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出，該振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于設(shè)定振動(dòng)曲線的跟蹤效果良好，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置修改方便、運(yùn)行平穩(wěn)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)波形的生成、實(shí)際振動(dòng)位移的采集、振動(dòng)控制輸出、參數(shù)設(shè)置及系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控。系統(tǒng)在實(shí)際結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、界面友好，操作簡(jiǎn)便、擴(kuò)展性強(qiáng)且成本低，具有很好的推廣價(jià)值。