基于PIC單片機(jī)的AGC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

【摘要】本文對(duì)基于PIC單片機(jī)的AGC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和研究，采用該控制系統(tǒng)能夠?qū)?shí)時(shí)閉環(huán)控制以及高速采集AGC現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的目標(biāo)完成，同時(shí)還具有較高的可靠性、較好的抗干擾性以及成本低的特點(diǎn)。該AGC系統(tǒng)控制裝置的有效運(yùn)用同時(shí)還可以促進(jìn)設(shè)備改造的成本實(shí)現(xiàn)較大程度的降低。

【關(guān)鍵詞】PIC單片機(jī)；AGC控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)研究

0.引言

目前我國(guó)在鋼鐵自動(dòng)化方面取得較大成績(jī)， 但亦有很多鋼鐵企業(yè)因液壓控制技術(shù)的提升而面臨響應(yīng)隨度跟不上的困境。采用PLC及高速閉環(huán)模塊的自動(dòng)化方式可達(dá)到要求，但其高成本、高維修費(fèi)另很多企業(yè)望而卻步，難以完成自動(dòng)化控制的更新?lián)Q代。本文以16位的PIC單片機(jī)做主控制器，開(kāi)發(fā)了一套板帶軋機(jī)厚度控制（AGC）系統(tǒng)，具有運(yùn)行速度快，編程靈活、實(shí)用性強(qiáng)、抗干擾強(qiáng)，成本低等特點(diǎn)。

1.AGC 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

AGC 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是由軋制力補(bǔ)償閉環(huán)、厚度監(jiān)控、厚度預(yù)控以及液壓缸位置閉環(huán)（APC）等共同構(gòu)成的，而AGC 系統(tǒng)的核心部分就是其中的液壓缸位置閉環(huán)。下位機(jī)控制器在實(shí)際AGC系統(tǒng)中的主要功能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，這項(xiàng)功能由相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路完成，并通過(guò)一些控制算法將軋件的具體出口厚度值計(jì)算出來(lái)，然后通過(guò)對(duì)伺服閥的驅(qū)動(dòng)控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)其厚度進(jìn)行調(diào)整[1]。

在軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，與數(shù)據(jù)相關(guān)的硬件有：用于測(cè)量缸位移、導(dǎo)向輥速度的編碼器、用于測(cè)量壓強(qiáng)值的壓力傳感器、測(cè)厚儀、操作箱、指示燈、伺服閥、上位機(jī)等。相對(duì)應(yīng)的接口電路在AGC系統(tǒng)當(dāng)中可以被分為五種，也就是編碼器信號(hào)輸入端口、控制量的輸出端口（也就是模擬量輸出端口）、模擬量輸入接口、數(shù)字量信號(hào)的接口、通信接口。

2.PIC 單片機(jī)

作為一種對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行控制的微控制器，PIC單片機(jī)屬于一種CPU，其具備了一定的分散作用。由于自身具備的很多優(yōu)點(diǎn)，如：精簡(jiǎn)指令集的技術(shù)、哈佛總線結(jié)構(gòu)、兩級(jí)流水線指令結(jié)構(gòu)、寄存器采用RAM結(jié)構(gòu)形式等，PIC系列單片機(jī)在醫(yī)療儀器、信號(hào)處理以及自動(dòng)化設(shè)備當(dāng)中得到了非常廣泛的運(yùn)用。本文采用PIC24H系列的PIC24HJ256GP610芯片，共有100個(gè)引腳， 256KB的閃存程序存儲(chǔ)器，完全能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)性能需求[2]。

3.輔助芯片F(xiàn)PGA

為了使軋鋼生產(chǎn)線的實(shí)際需求得到充分的滿(mǎn)足，AGC系統(tǒng)在板帶軋機(jī)當(dāng)中需要具備較多的外圍接口電路。然而這樣強(qiáng)大的數(shù)量資源在現(xiàn)有的處理芯片當(dāng)中并不具備。所以在對(duì)絕對(duì)值編碼器以及增量式編碼器的輸入信號(hào)進(jìn)行處理的時(shí)候，采用FPGA作為輔助芯片，利用FPGA作為輔助芯片不僅能夠?qū)纹瑱C(jī)處理單元以及I/O 接口數(shù)節(jié)省下來(lái)，同時(shí)還具備更快的數(shù)據(jù)處理速度以及更強(qiáng)的可靠性等一系列優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列是FPGA的中文名字，屬于一種能夠進(jìn)行編程的邏輯器件，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)者可以以實(shí)際系統(tǒng)的要求作為依據(jù)，然后再利用對(duì)相應(yīng)器件的編程從而保證邏輯功能的實(shí)現(xiàn)。作為一種半定制的專(zhuān)用集成電路，其不僅將定制電路的不足克服了，同時(shí)還有效的解決了以往的可編程器件缺少足夠的邏輯門(mén)數(shù)的缺陷。FPGA具有非常高的集成度，而且體積相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，同時(shí)其具備的數(shù)量龐大的內(nèi)部資源可以使各種系統(tǒng)的需求得到充分的滿(mǎn)足[3]。

4.模擬量接口電路硬件設(shè)計(jì)

在實(shí)際的工作過(guò)程中，AGC系統(tǒng)在進(jìn)行厚度控制的時(shí)候需要對(duì)壓力傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，并將其作為反饋量。電流形式是壓力傳感器對(duì)模擬量進(jìn)行輸出的主要形式，所以不能夠在AGC系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行直接輸入。因此必須要將其轉(zhuǎn)換成能夠使工業(yè)滿(mǎn)足的信號(hào)0～10V，再由并行12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX197轉(zhuǎn)換為成數(shù)字量，MAX197需要5V工作電壓，而本系統(tǒng)的單片機(jī)在數(shù)字輸入引腳上的電壓范圍為-0.3V到5.6V，那么MAX197的輸出與單片機(jī)可直接相連。

我們前面所提到的計(jì)算出來(lái)的輥縫值等為模擬量，用于驅(qū)動(dòng)伺服閥來(lái)控制液壓缸的抬高與降低，而單片機(jī)只能輸出數(shù)字量，那么就需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。本系統(tǒng)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7724，分辨率為12位，可實(shí)現(xiàn)4路模擬信號(hào)的同時(shí)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)由四路運(yùn)算放大器TL084進(jìn)行放大從而控制伺服閥驅(qū)動(dòng)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量，MAX197及DAC7724測(cè)量準(zhǔn)確度高，完全滿(mǎn)足AGC系統(tǒng)對(duì)精度的要求。

5.數(shù)字量接口電路硬件

處于在強(qiáng)電設(shè)備形成的電磁環(huán)境中的軋鋼現(xiàn)場(chǎng)，由于共地系統(tǒng)總線回流的狀況可能由很多環(huán)節(jié)的干擾而發(fā)生，這樣就會(huì)導(dǎo)致邏輯數(shù)據(jù)的變化，從而嚴(yán)重的影響到正常操作以及設(shè)備的安全性。在對(duì)電路之間電氣進(jìn)行隔離的時(shí)候，利用光電隔離的方法能夠保證抗干擾能力的有效提升。在電隔離的情況下，光電隔離電路可以將光作為對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳送的媒介，從而隔離輸入以及輸出信號(hào)，這樣就對(duì)系統(tǒng)噪聲起到了有效的抑制作用，從而將接地回路的干擾消除了，同時(shí)使數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)確性得到了保證，在該系統(tǒng)中隔離元件是TLP521-4，作為一種具有四通道的光電耦合器，TLP521-4的輸入輸出隔離很高，同時(shí)還具備了補(bǔ)償電壓、電流以及溫度的作用[4]。

6.結(jié)語(yǔ)

基于PIC單片機(jī)的AGC控制系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、抗干擾性好以及成本低廉的特點(diǎn)，同時(shí)電壓轉(zhuǎn)換電路還具有轉(zhuǎn)換精度高以及電路簡(jiǎn)單的特性，由于具有很高的可移植性，所以在其他的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]車(chē)海軍，楊文蜻，楊景明，等.基于FPGA的AGc系統(tǒng)位置檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2012（24）：32-35.

[2]XIASiqing，GAOHuaiAhighlineariytopeartionaltanseonduetanaeempifieusedonenveoptaeingpoweamplifie[J].ChineseJuonaofEeetonveiees，2012，35（5）：530-534.

[3]胡永紅.基于DPS的機(jī)載多功能采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009（12）：25-7.

[4]梁廷魁.RS485串行通訊在自動(dòng)生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（2）：21-22.