水平连铸机电液伺服微机控制系统

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此系统用于铸造Φ90mm钢棒的水平连铸机。因为水平连铸机的拉坯工艺相当复杂，所以需要首先简单介绍其工艺要求和控制系统的特点。

(1)水平连铸机工艺要求和控制系统特点

A．拉坯曲线

为了保证拉坯过程顺利进行，同时又具有较高的铸坯质量，拉坯动作应该有拉和推两个过程，有时也在拉与推之间加入一个停过程。不但如此，还需要对拉坯频率、推拉时间比，推拉程位移比和平均拉速四个参数进行调整。目前国内外采用的理论拉坯曲线如图34．5－4所示。

Φ90mm水平连铸机采用图34．5－4中(a)所示的准正弦拉坯曲线。它由不同频率和幅值的两个正弦曲线分别取前半周期t₁和后半周期t₂组合而成。t₁为拉坯过程，t₂为推坯过程。由于拉程速度为正且幅值大，而推程速度为负幅值很小，因此拉程位移S₁远大于推程位移S₂，这样连续不断拉推，便可将铸坯从结晶器中拉出。

拉、推过程速度方程如下：

拉程

由上图可以看出，在拉、推的转换瞬间加速度有突变，对应的拉推加速度值分别为

图中各环节的传递函数为

很明显，图34．5－6所示的速度闭环控制系统如果不加校正环节则为0型系统，当加入PI校正器后便成为Ⅰ型系统。

两辊由一个系统控制，上、下辊两套系统采用了参数匹配方式来解决它们的同步问题。两辊同步的方框图，见图34．5－7。

(3)电液伺服速度控制系统的分析与设计

根据前面所述的技术要求可进行必要的计算。

A．液压马达、伺服阀和测速机的选择

拉辊的驱动结构简图见图34．5－8。

1－拉辊；2－减速器；3－联轴器；4－阀控马达

根据机械传动关系，可以求得马达的最大角速度和角加速度分别为

其中：J₁、．J₂、J₃、J₄分别为马达、联轴节、减速机、拉辊的转动惯量。

最大动力矩T_d、最大静力矩T_M和总力矩T_L分别为

马达的最高转速为

(4)微机系统的选择和软件的开发

A．微机系统的选择

BITBUS是INTEL公司1984年推出的一种分布式智能控制总线，其电气特性为RS－485，数据链路层采用IBM SDLC(同步数据链控制)协议，控制方式采用命令／响应方式。BITBUS由一个主节点和多达250个从节点组成，最大分布距离可达13．2km。数据传输率分为三种：62．5kbps、375kbps和0．5～2．4Mbps，其中主节点iPCX344板为IBM PC系统总线(并行)和位总线(串行)之间提供了互连通道。从节点主要有模拟控制板iRCB44／20和数字控制板iRCB44／10。从节点在远离中央机(主机)的位置完成8个分时操作的智能I／O处理任务(其中任务0由系统用于实现通讯服务，其余7个任务供用户使用)。iRCB44／20板上装有一个在12MHz时钟频率下工作的8044BEM，它是一个双处理器结构的微控制器，由8051单片机和SIU串行接口单元及双口RAM组成。另外，板上固化了iDCX51实时多任务操作系统，同时还带有16路12位A／D和2路12位D／A转换器。

在水平连铸机中，微机系统的功能是完成对拉坯信号的产生，拉坯工艺参数的采集、判断、显示、打印以及存贮。普通微机应用于工业现场时可靠性难以保证，而工业PC价格昂贵，因此选用BITBUS、普通微机并带有一个iRCB44／20模拟控制板的分布式系统，不仅可以完成全部功能，而且有较高的性能价格比。图34．5－11为水平连铸机微机控制系统图。

B．控制软件开发

根据水平连铸机工艺要求，在起铸和结尾拉坯时，拉坯频率和平均速度不断变化，而在正常拉坯时，要能人工通过键盘对拉坯曲线参数进行微小调整，因此将拉坯曲线的计算由上位机完成，通过位总线传给下位机的外部RAM中，在下位机设置一个最高优先级的任务TASK1读取RAM中的数据等间隔逐点由D／A输出，即可完成拉坯曲线的产生。同时设置另一次优先级的任务TASK2，由A／D采集拉坯工艺参数，也放在RAM中经位总线由上位机读取，并判断、报警、显示、打印以及存贮。这样分配任务，既便于拉坯曲线的产生，又减轻了下位机的任务，能输出较多点数而提高曲线质量，并且当上位机发生故障时，下位机仍可按最新的曲线输出而不受影响。

INTEL公司提供的BITBUS软件接口仅支持ASM86汇编语言和PLM／86语言，为此上位机软件我们用ASM86语言编写，下位机软件用ASM51汇编语言编写。图34．5－12为上位机软件程序框图。

(A)定点不定间隔法产生拉坯曲线由拉坯速度方程可得

(C)上位机多任务分时操作的实现

上位机有多个任务按不同时间间隔运行，为此在软件编制时将每个任务作为一个模块，通过DOS功能调用，循环读取系统时间进行判断，根据每个任务的时间间隔统一调度管理所有任务，从而实现了DOS系统下简单的多任务分时操作功能。图34．5－14为这一方法的程序框图。

(D)事故处理方法

上位机每秒钟对三重点温度和冷却水量判断一次。为了防止因采得粗大误差点而造成误断，软件中采用综合滤波方法，即连续采集五组工艺参数，去掉其中最大值和最小值，再对其余3个值求平均，将此值作为该参数值进行判断、显示、打印以及存贮。对冷却水量只要判断其是否小于预先设定的门限值。就可以决定是否停拉和报警。而三重点温度的判断却比较复杂，由于三重点温度受钢水温度、冷却水量、进水温度等参数影响，每次拉坯的正常值不一定相同，所以不能用事先设定门限值的办法来判断，这里采用固定窗口数据比较法。根据拉坯工艺，当三重点温度突然下降30℃时要停拉数秒再拉坯，并重新判断三重点温度。这里的“突然”是一个模糊概念，不能指定确切的时间，但根据实际情况一般不超过10秒，因此只要确定一个包含最近11个数(其中i=0，1，…，10)的数据窗，分别计算

δ_i=x_i－x₀ j=1，2，…，10

就可得到1秒，2秒，…，10秒钟时三重点温度的变化，若有一个值大于30℃，则进行报警，并停拉数秒。判断下一点时刷新数据窗，即只要“扔”掉第0点，后面的点分别前移，按上述方法重新判断即可。若连续停拉了三次，则三重点温度已无法恢复，说明坯壳已拉漏，此时进行退包处理。

(5)电液伺服速度控制系统

A．系统静态特性

系统的静态特性主要指伺服阀的流量特性和测速机的静态特性。由系统静态特性可以确定伺服阀的流量系数、零偏电流，同时可以测试马达转速与测速电机输出电压的静态增益等数值。

图34．5－15为测速机经严格标定后，供油压力P_s=18MPa时的系统静特性。

由静态测试结果可知，系统A和系统B反馈元件的性能十分接近，但伺服阀都存在零偏，且流量增益不一致。所以在系统动态调试时必须注意这一特点。

B．系统的动态特性分析

单个拉辊水平连铸机速度闭环控制系统的结构图如图34．5－16所示。

(A)系统开环频率特性

伺服阀相对于马达来说可简化成一个比例环节。这样在系统未引入PID校正器时的开环传递函数为

开环频率特性和横轴的交点即穿越频率ω_c可以近似认为系统的通频带。因此，ω_c越大，系统的动态品质越好。从图34．5－17可知阀控马达系统开环频率特性以－40dB／dec穿越横轴，一般来说系统是不稳定的，即使稳定，其稳定裕度也太小。但在低增益情况下系统还有可能稳定工作。然而此时稳态误差较大，因此从水平连铸机的要求来说，必须提高开环增益来达到提高系统频带，减小稳态误差的目的，同时满足两拉辊同步控制精度。显然这与阀控马达系统稳定工作条件相矛盾，因而单靠调节系统增益是很难满足上述要求的，这样就必须引入校正环节，使系统开环频率特性以－20dB／dec穿越横轴，才能保证在系统频宽基本不变的条件下增大开环增益，也就减小了稳态误差。

常用的校正方式有串联校正和反馈校正。当控制系统有滞后现象存在时，引入反馈校正效果较差，同时反馈校正比串联校正复杂。因此选择了串联校正的方式。在工程上PID校正器作为一种简单、实用、可靠的校正器，应用得非常广泛，因此选择了PID校正器。此时校正器的电路如图34．5－18所示。

这是一个有源滞后校正网络，其传递函数为

T₂=R₂C=0．001 s

反馈系数 根据水平连铸机工艺要求，当输入信号电压u_c=7．8V时，马达转速为1500rpm，此时测速机转速为，测速机输出电压u_c=43V，这样由测速机输出电压直接反馈来组成闭环控制系统显然是不合理的，因此必须对测速机输出电压进行衰减。反馈系数应满足下列不等式：

由系统的开环波德图可将系统分为三个频率段：

低频段(ω＜0．1) 系统呈现比例环节特性，幅值高达

20lgK′=52．8 dB

中频段(0．1≤ω＜200) 系统呈现一阶惯性环节特征，曲线以－20dB／dec的斜率穿越横轴，穿越频率ω_c近似为

(C)系统的同步精度

直接测量两系统的同步误差比较困难，为此设计了一专门测试装置，如图34．5－21所示。该装置的指针由减速机拖动，指针将电阻环上代表角位移的电压信号输入X－Y函数记录仪。由图34．5－22所示X－Y函数记录仪的输出波形就可以测得两系统的同步误差。

相邻两锯齿波之间的水平距离T_A或T_B表示拉辊转360°所需时间，由T_A和T_B可算得平均拉速

在图34．5－23所示的数字式控制系统中，“从节点#1”是BITBUS远程模拟控制板iRCB44／20，其功能与模拟系统相同，主要用来完成控制系统指令信号的产生、工艺参数的采集等功能。“从节点#2”是一个STD总线系统，由STD44／10板、A／D板、D／A板、两块码盘测速板和同步误差测量板组成。其中STD44／10板是STD系统的CPU板，同时也完成BITBUS中的通讯功能；A／D板用来采集指令信号，分辨率为12位，－10～+10V输入；D／A板用来控制伺服阀功率放大器，分辨率也是12位，－10～+10V输出；两系统的测速板用来记取光电编码盘的脉冲数，并折算成转速值，由STD CPU板进行读取；同步误差测量板则用来测量一段时间内两系统的位置同步误差。由于在水平连铸机系统中，测速范围大，从－2500～+2500r／min，采样时间为2～5ms，现有的计数板无法满足测速要求，因此，需要设计高精度、宽范围、快响应的STD测速板。另外，由于数字式控制系统的研制过程中没有减速机，两系统同步误差的测量不能采用模拟系统中的测量方法，也需要开发同步误差测量板。其余模板均为STD标准板。

B．光电编码盘数字式测速装置

目前使用较多的数字测速装置有光电式、磁电式传感器等计取齿轮盘齿数，再用频率电压转换计将数字量转换成模拟量输出或直接以BCD码方式输出转速值。显然，由于齿轮盘齿数的限制，中间环节太多，使得这种转速测量装置精度低，特别是低速时尤为严重，而且响应慢，不拟用于控制回路。另一方面，齿轮盘与光电传感器的安装比较困难。而脉冲编码器用来测速时，正好弥补了这一缺点。本系统采用了以8031单片机为核心，用脉冲编码器为检测元件的数字式测速装置。

(A)脉冲编码器

日本Fanuc公司生产的A860－0300－T001系列脉冲编码器采用圆光栅，通过光电转换，将轴的转角转换成电脉冲信号，经长线驱动元件SN75113驱动，输出均为差分形式的A、B、C三种信号，其中A、B信号相位相差90°，C信号每转产生一个，作为零标志，可用于定零位和计算转数。电源电压为+5V，三种输出信号的高电平大于3．5V，低电平小于0．5V。选用2000P型脉冲编码盘，即每转输出2000个标准脉冲数。编码器的响应频率为100kHz，允许的最大转速为6000r／min。

(B)测速原理的选择

脉冲编码器转动时将发出与转速成正比的脉冲序列。根据对脉冲序列的不同处理方法可分以下几种测速法：

M(测频)法 用计数器计取规定时间内码盘发出的脉冲数，计算得到码盘转速。

T(测周)法 测量相邻两个码盘脉冲时间间隔，计算得到码盘转速。

M／T(测频／测周)法 在码盘脉冲的上升沿(或下降沿)到来时，计数器开始分别对码盘脉冲和高频时基脉冲计数，在定时到了后的第一个码盘脉冲上升沿(或下降沿)停止计数，根据计数器计取的码盘脉冲个数和高频时基脉冲个数计算得到码盘转速。

变M／T法 与M／T法的不同之处在于：事先规定了计取的码盘脉冲数，一旦计数到时，计数器便停止，根据码盘脉冲数和高频时基脉冲数计算得到转速，而规定计取的码盘脉冲数是随转速而变化的。

比较以上几种测速方法可以看出，由于存在±1的计数误差，所以M法在低速时、T法在高速时精度不高，M／T法虽有很高的检测精度，但存在著定时时间的选择问题，同时码盘脉冲的同步计数实现起来比较困难。而变M／T法则通过使用8031单片机和INTEL公司可编程计数芯片8253(或8254)实现起来比较方便，并可以得到较高的测量精度和较大的测速范围，完全适合水平连铸机速度控制系统的要求。因此用变M／T法来实现转速测量。

(C)变M／T法的硬件实现

8031单片机以其优良的性能，低廉的价格得到了广泛的应用。因此选用8031单片机与8253可编程计数器组成的系统作为码盘转速变M／T法测量的硬件环境，转速检测原理如图34．5－24所示。

图34．5－24中计数用的高频时基信号CLK是利用单片机的时钟电路经开关管3DK4放大、74LS293分频后得到的2MHz高频脉冲信号。接收码盘脉冲信号的长线接收器为MC3486，实际上与码盘长线驱动器SN75113匹配的长线接收器应该是SN75115，但SN75115在国内市场供应很少，因此，用功能相当的MC3486芯片替代。MC3486是一个具有三态输出的四RS422／423传输线接收器，一个芯片中有四个接收器，共用一个电源，但彼此独立。其输出与TTL兼容。每个接收器都具有一个内部延迟电路，用来改善噪声电压的允许范围和克服在缓慢变化时输出的不稳定性，当控制管脚为低电平时，输出为高阻抗状态，MC3486原理如图34．5－25所示。

经MC3486输出的两路信号相位相差90°，为了提高测量精度，经异或门74LS86倍频后再进入8253计数器。另外，在水平连铸机工作过程中，有正、反两个方向旋转，因此必须有一个判向电路，由于码盘顺时针方向旋转时，A信号超前于B信号90°，反之当码盘逆时针方向旋转时，A信号滞后于B信号90°。根据码盘的这一特点，利用D触发器74LS74可构成判向电路。D触发器的判向真值表如表34．5－3所示，其时序如图34．5－26所示。

表34．5－3 D触发器判向真值表

D．计数电路工作过程

本测速装置采用8253可编程计数器实现码盘脉冲和高频时基脉冲的计数。8253计数器有3个独立的16位计数通道，每个通道有六种工作方式，可通过软件写不同的控制字来设置。在这里，将计数器通道#0设置成方式0(计完最后一个脉冲OUT0变高，同时停止计数)，用于计取码盘脉冲，计数通道#1和#2串联使用，用于计取高频时基脉冲，其工作在方式2(速率发生器)。计数电路的工作过程如下：

·CPU向计数通道#0写入所要计取的码盘脉冲数，随即由P1．2口发出测速起动信号使D触发器U9：A的CD端置1，同时计数器#0的门控信号GATE0置1，允许计数器计数；

·发出测速起动信号后，当码盘第一个脉冲的前沿到来时，将所要计取的码盘脉冲数M0打入计数通道#0开始计数，同时OUT0变低，也就打开了计数通道#1和#2的门控端GATE1和GATE2，允许计数，码盘脉冲的前沿到来时，也使D触发器U9：A的输出端Q变为1，这样经“与非门”U5：B后，高频时基信号可进入计数通道#1的CLK1端，开始计数；

·门控信号GATE0置1和D触发器U9：A的Q端置1之间存在著时间差，两信号经“异或门”U8：B产生一个正脉冲，该脉冲的下降沿使计数通道#2初始化，为计数通道#1溢出时串联计数作好了准备；

·当计数器通道#0计取的码盘脉冲到M0个时，OUT0变高，经反相器后关闭计数通道#1和#2的门控端使其停止计数；

·CPU通过判断P1．1口，可知计数器通道#0是否计数到，一旦计数到，则立即关闭测速起动信号P1．2。然后读取计数通道#1和#2中的高频时基脉冲数，计算得到相应转速值和下一次需要计取的码盘脉冲数；

·当码盘脉冲计数未到，而通道#2溢出产生中断时，CPU进入中断服务程序，通过读取计数通道#0中所剩码盘脉冲个数计算转速。显然串行计数可有效的减小测速装置的“死区”。

E．测速软件的编制

测速软件采用MCS51汇编语言编写，并编译成目标代码固化在EPROM中运行。

(A)转速的计算

设在时间t秒码盘轴的角位移量为θ弧度，则码盘转速为

F．测速误差分析

本测速装置存在如下几种误差：

计数误差 计数误差是指计取的高频时基脉冲数可能存在±1的误差。由于本系统中高频时基信号的频率为2MHz，而检测时间为3ms，此时计数误差引起的测速相对误差不超过±0．0167%。

时标误差 由于晶体振荡器不稳定，造成其输出信号的不稳定，但这一误差非常小，可以忽略不计。

码盘信号的误差 由于码盘光栅分度不均匀，码盘支撑架的振动，波形处理、传输以及接收电路引起的误差，经分析这一原因引起的相对误差一般在±0．1%以内。

转速计算中的舍入误差 由于本系统中采用双字节整数运算，转速值也是以双字节整数输出的，因此，由运算引起的最大绝对误差不超过0．5r／min。

从以上误差分析可知，码盘数字测速系统具有很高的检测精度。

G测速板的STD总线接口

水平连铸机数字控制系统的调节功能由位总线的从节点#2来完成，而节点#2又是一个STD总线系统，因此，为了实现转速数字量的直接反馈，测速板也应符合STD总线标准，也就是说，必须将测速板设计成STD模板形式。STD总线有56条，其中包括8条数据总线，16条地址总线，22条控制总线和10条电源线。因此STD各模板的接口电路除了具有总线缓冲外，还应有板译码器，有的还应有口译码器。由于测速板的速度值采用双字节，而STD总线只有8条数据线，所以必须有口译码，同时还必须有锁存能力，以便测速板上的CPU8031和STD系统的CPU相互间无制约。码盘测速软件流程框图，见图34．5－27。

采用74LS373实现了数据的锁存功能。74LS244、74LS245实现总线缓冲。74LS688实现板译码，由地址选择开关或跨接器选择板地址后，连续的两个地址为转速值高、低字节，勿需查询或等待。

本测速装置中，转速测量值的双字节中高位字节的最高位代表转动方向，所以测量范围为－32767～+32767。测速板的STD总成接口见图34．5－28。