李志明 ，彭艷，于丙強 ，劉宏民

(1.燕山大學 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島，066004 2.燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島，066004；3.燕山大學 環(huán)境化學與工程學院，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用情況來看，實際應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)品的可逆冷軋機和冷連軋機中也得到了較為廣泛的應用。板形儀的研制技術一直為國外企業(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性技術難題。自20世紀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、實時性及穩(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到、乃至超過國際先進水平的冷軋帶鋼板形儀具有重要的理論及現(xiàn)實意義。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，并相應地研制了板形信號處理的硬軟件系統(tǒng)。經(jīng)實驗室測試、標定后，將該套板形儀與現(xiàn)有AFC系統(tǒng)共同投入到了某廠1250HC冷軋機的工業(yè)生產(chǎn)之中，并驗證了板形信號處理系統(tǒng)的抗干擾能力、檢測精度、實時性和穩(wěn)定性等。

1 板形信號處理系統(tǒng)架構模型研究

1.1 傳統(tǒng)板形信號處理系統(tǒng)架構模型的不足及成因

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上[10]，設計模擬電路板，來實現(xiàn)板形信號的放大、濾波、提取等環(huán)節(jié)；設計峰值鎖存電路，來保持板形信號的正負峰值；然后，利用多塊數(shù)據(jù)采集板卡對鎖存的峰值信號進行 A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到上位機內(nèi)部進行處理[11?14]。按上述模式構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+上位機軟件”系統(tǒng)架構模型，如圖1所示。

在該模型中，由于冷軋機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，導致信號處理過程中發(fā)生嚴重失真、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)采集卡實時采集數(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；上位機軟件系統(tǒng)負責實時數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等工作，負載過大，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性及實時性較差。此外，激磁信號采用文獻[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)構松散、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性差、抗干擾能力弱、上位機工作負載大等。

1.2 新型板形信號處理系統(tǒng)架構模型

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+上位機軟件”系統(tǒng)架構模型的不足及其成因，本文從增強系統(tǒng)抗干擾性能、減輕上位機工作負載、提高激磁信號品質(zhì)等角度出發(fā)，提出 “信號處理板卡+上位機軟件”系統(tǒng)架構模型，如圖2所示。

圖1 “模擬電路板+數(shù)據(jù)采集卡+上位機軟件”系統(tǒng)架構模型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，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、峰值計算、測頻、鑒向、與外設通訊等實時性較強的功能，極大地增強系統(tǒng)的實時性，并有效減輕上位機工作負載；采用文獻[10]提出的基于單片機的激磁信號產(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。上位機軟件系統(tǒng)僅負責以圖形方式直觀的顯示、存儲數(shù)據(jù)等功能。該系統(tǒng)架構模型，結(jié)構緊湊，抗干擾能力強，上位機工作負載小，有效增強了整個系統(tǒng)的實時性、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)架構模型信號處理流程

在新系統(tǒng)架構模型中，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現(xiàn)。處理環(huán)節(jié) 8～13在上位機軟件系統(tǒng)實現(xiàn)。上位機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)議實現(xiàn)互聯(lián)；通訊接口的選取，應考慮板形數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

圖2 “信號處理板卡+上位機軟件”系統(tǒng)架構模型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)的處理方法及補償方法等進行深入研究，采取切合實際的補償模型進行信號補償，對于提高板形檢測精度很有必要。

2 板形信號補償

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行相應地補償研究，從而最大限度消除其影響。

2.1 幅頻特性補償

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)生相應變化；主要反映在信號頻率增大時其幅值隨之減小。所以，有必要對板形信號的幅頻特性進行必要補償。

為了更好地對板形信號的幅頻特性進行補償，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的實驗裝置。該實驗裝置主要由可移動機座、環(huán)形帶、測力計、導輪等組成，其結(jié)構如圖4所示。在工作臺上連接2個可移動機座，右側(cè)機座可通過旋緊或旋松螺栓實現(xiàn)環(huán)形帶的張力調(diào)整。在右側(cè)機座中，安裝滑動式轉(zhuǎn)輪及拉桿；拉桿上貼有應變傳感器并連接電子測力器，用于測定拉力。此外，左側(cè)機座可以通過旋緊或旋松螺栓實現(xiàn)包角的調(diào)整，因此，該套裝置也可用于板形儀的包角補償實驗研究。

圖4 幅頻特性實驗裝置結(jié)構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；在實驗數(shù)據(jù)處理時，將A/D值等效視為徑向壓力。首先設置額定載荷，通過變頻器改變電機的轉(zhuǎn)動速度，用上位機軟件系統(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)點進行二次曲線擬合，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，即轉(zhuǎn)速小于600 m/min時，信號幅值變化較大；當大于12 Hz時，輸出信號幅值趨于穩(wěn)定。

將實驗測得的數(shù)據(jù)點進行二次曲線擬合，設所得表達式為

由式(1)可知：當板形輥旋轉(zhuǎn)頻率很低時，其輸出幅值近似為c；相應地，幅頻特性補償?shù)哪繕舜_定為過數(shù)值軸c點且與分類軸平行的直線，即y′=c。幅頻特性的補償量可確定為補償目標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。在實際補償前，應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；在實際應用中，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償量。

2.2 帶鋼邊部覆蓋補償

在生產(chǎn)實際中，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算其所測張應力，則該通道的實測張應力就會小于真實張應力，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)果進行補償。

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：[·]表示取整運算。邊部測量單元覆蓋寬度bs依據(jù)式(3)計算。

在實際生產(chǎn)過程中，帶鋼有時會發(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)基礎上對帶鋼跑偏量進一步修正。假設帶鋼向某一側(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)計算，另一側(cè)的邊部測量單元覆蓋寬度bs″按式(5)計算。

其中，[·]表示取整運算。

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，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，而與張力分布情況無關；測量單元所受張力與輸出信號近似為線性關系?；谏鲜龇治觯耆采w的測量單元無需補償；對未完全覆蓋的邊部測量單元進行補償時，將測得的張應力乘以一修正系數(shù)η，其值按式(6)計算。

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，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測得的張應力進行帶鋼邊部覆蓋補償。

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

3 板形信號處理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 板形信號處理板卡

項目要求為某廠1250HC冷軋機配備板形儀的同時，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)，實現(xiàn)板形閉環(huán)控制。按照系統(tǒng)實際需求設計的信號處理板卡的邏輯結(jié)構如圖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ADG406，進入16位精度的A/D芯片 AD7665進行 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，以供上位機軟件讀取。DSP處理后的板形數(shù)據(jù)經(jīng)過AD7841進行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)場高壓設備眾多，電磁干擾嚴重，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Fig.7 Logical structure of shape signal processing board

為了適應現(xiàn)場惡劣的噪聲環(huán)境及避免電磁干擾，增強板形信檢測系統(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)構如圖8所示。

圖8 激磁電源系統(tǒng)邏輯結(jié)構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 上位機軟件系統(tǒng)

綜合運用多線程、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及控件安全等關鍵技術，設計并開發(fā)了一套功能完善、性能穩(wěn)定的上位機軟件系統(tǒng)。上位機軟件系統(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)信號補償、相應運算后以直觀的圖形方式將在線檢測板形信息實時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)，可實現(xiàn)板形信號處理系統(tǒng)與AFC系統(tǒng)的通訊測試。上位機軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構如圖9所示。

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

4 板形儀的高精度動態(tài)標定

4.1 標定設備及原理

圖10 板形儀標定裝置Fig.10 Calibration device for shape meter

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

標定時，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。上述標定設備與加載在測量單元上的徑向壓力之間的力學等效關系如圖11所示。

圖11 等效徑向壓力與標定桿的關系Fig.11 Relation between equivalent radial pressure and calibration perch

設壓輪位置的等效質(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，標定桿質(zhì)量為m2，砝碼質(zhì)量為m3，標定桿長為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構件的實際質(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；每增加一個標定砝碼，輥面所受的徑向壓力也隨之改變。

4.2 標定系數(shù)的確定及其精度檢驗

設板形輥的測量單元i對應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)對應的數(shù)值。此處，標定實驗的主要任務就是通過實驗尋求測量單元所受徑向壓力與A/D值之間的關系。

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

按上述步驟標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值之間的對應數(shù)據(jù)。將各通道的實驗數(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系式。將二次擬合得到的各通道標定系數(shù)輸入到上位機軟件系統(tǒng)中，即可在線測量板帶對板形檢測各通道的徑向壓力。再引入驗證砝碼(5 kg)，檢驗各通道的標定精度。若某測量單元不能滿足標定精度要求，則需重新進行標定。該套板形儀的標定精度要求為2%。

5 工業(yè)應用

板形信號處理系統(tǒng)是板形儀的重要組成部分，但無法對其單獨進行工業(yè)驗證。經(jīng)實驗室標定、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可逆六輥冷軋機的生產(chǎn)現(xiàn)場之中，根據(jù)運行狀況及產(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)控制效果等進行了嚴格驗證。

5.1 板形信號抗干擾能力及穩(wěn)定性驗證

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，并采取了相應的隔離、濾波、接地等抗干擾措施。某廠1250HC冷軋機生產(chǎn)帶鋼時(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；通過上位機軟件系統(tǒng)顯示了各路波形。從實測波形中可以發(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通道的實測板形信號的原始波形。

經(jīng)過在高速、大張力等復雜工況條件下的檢驗，板形信號的狀態(tài)依然如上所述。當系統(tǒng)不運行時，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)能夠適應現(xiàn)場工況及復雜的軋制條件，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。

5.2 板形檢測精度驗證

圖12 實測板形信號原始波形Fig.12 Original waveform of real measurement shape signal

為了驗證板形檢測精度，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)，得到實測陡度(浪高/浪長)，然后按有關定義計算板形(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軟件實時記錄在線檢測的板形數(shù)據(jù)，然后結(jié)合時間和帶長截取與離線檢測帶鋼段相應的板形數(shù)據(jù)，計算板形。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，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、檢測精度及實時性，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)架構方案的不足及其成因，提出了一種“信號處理板+上位機軟件系統(tǒng)”的系統(tǒng)架構模型。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、與外圍設備通訊等實時性要求很強的任務由信號處理板來完成，有效減輕上位機工作負載。該模型可有效增強板形信號處理系統(tǒng)的抗干擾能力、實時性、穩(wěn)定性及檢測精度。

(2)利用自主研制的有關實驗設備，通過實驗方法確定了板形信號的幅頻特性補償模型及標定系數(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償模型。

(3)結(jié)合項目需求，自主設計并開發(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，保證了信號處理及傳輸?shù)木燃皩崟r性要求，運行穩(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)架構模型、板形信號補償?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)具有重要的指導意義。

[1]梁勛國,矯志杰,王國棟,等.冷軋板形測量技術概論[J].冶金設備,2006(6): 36?39.LIANG Xun-guo,JIAO Zhi-jie,WANG Guo-dong,et al.The technology of flatness measurement in cold rolling[J].Metallurgical Equipment,2006(6): 36?39.

[2]王向麗,李謀渭,張少軍.分段輥測張式板形儀性能及發(fā)展趨勢研究[J].冶金自動化,2008,32(3): 39?42.WANG Xiang-li,LI Mou-wei,ZHANG Shao-jun.Research on performance and perspective of tension measuring type shape meter with segmented rolls[J].Metallurgical Industry Automation,2008,32(3): 39?42.

[3]Keck R,Neuschütz E.German system brings accuracy to flatness measurement[J].Iron and Steel International,1980,53:215?220.

[4]Mücke G,Gorgels F.Flatness measurement for high quality cold strip production[J].MPT International,2007,1: 70?75.

[5]LIU Yu-li,JIN Xiao-guang,LIAN Jia-chuang.Elastic plastic 3D deformation and stress analysis of Strip rolling[J].Journal of Iron and Steel Research International,1998,5(2): 29?34.

[6]劉宏民,于丙強,華仲新,等.分片壓磁式板形儀.中國:ZL200610048380.1[P].2008?10?01.LIU Hong-min,YU Bing-qiang,HUA Zhong-xin,et al.Multi-roll-Piece piezomagnetic sensor type shape meter.China:ZL200610048380.1[P].2008?10?01.

[7]YU Bing-qiang,LIU Hong-min,YANG Li-po,et al.A new type of contact shape meter and its industry application[C]//2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.Piscataway: IEEE,2009: 1058?1061.

[8]LI Zhi-ming,PENG Yan,YU Bing-qiang,et al.A shape measurement system for cold-rolled steel strip based on DSP[C]// Qiu R,Zhao H.2009 WASE International Conference on Information Engineering.Piscataway: IEEE,2009: 257?260.

[9]于丙強,楊利坡,劉宏民,等.冷軋帶鋼接觸式板形儀研制及其工業(yè)應用[J].儀器儀表學報,2010,31(4): 904?911.YU Bing-qiang,YANG Li-po,LIU Hong-min,et al.Development and industry application of contact shape meter with new structure[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2010,31(4): 904?911.

[10]LI Zhi-ming,PENG Yan,YU Bing-qiang,et al.A new method of generating excited signal and its application in the piezomagnetic type shape meter[C]//Qiu R,Zhao H.2010 WASE International Conference on Information Engineering.Piscataway: IEEE,2010: 146?148.

[11]楊峑,陳先霖,歐陽金明.冷軋機板形在線連續(xù)檢測問題研究[J].鋼鐵研究,1993(5): 20?22.YANG Quan,CHEN Xian-lin,OUYANG Jin-ming.On-line continuous measurement on profile of cold rolled strip[J].Research on Iron & Steel,1993(5): 20?22.

[12]胡國棟,王琦,鄒本友.磁彈變壓器差動輸出式冷軋帶材板形儀[J].鋼鐵,1994,29(4): 56?59,33.HU Guo-dong,WANG Qi,ZOU Ben-you.Differential output shape meter of magneto-elastic transformer for cold rolling strip[J].Iron and Steel,1994,29(4): 56?59,33.

[13]楊景明,王振臣.板形檢測輥輸出信號的通道處理方法[J].自動化儀表,1997,18(5): 34?37.YANG Jing-ming,WANG Zhen-chen.The signal processing method for output of the detecting rolls with plate shape[J].Process Automation Instrumentation,1997,18(5): 34?37.

[14]何海濤.900HC冷軋機板形儀測控系統(tǒng)的研制[J].計算機測量與控制,2003,11(7): 496?497,518.HE Hai-tao.Development of the strip shape meter control system for 900HC cold rolling mill[J].Computer Measurement& Control,2003,11(7): 496?497,518.

[15]YU Bing-qiang,SUN Ya-bo,LIU Hong-min,et al.Compensation model for shape measuring of cold strip rolling[J].Journal of Iron and Steel Research,International,2010,17(6):21?26.

[16]Usamentiaga R,García D F.Compensation for uneven temperature in flatness control systems for steel strips[C]//Conference of the 2006 IEEE.Piscataway: IEEE,2006:521.