PIC24單片機在軋機液壓缸行程檢測上的應(yīng)用

 工作輥卡板是軋機工作輥的一個關(guān)鍵定位裝置，安鋼1780MM精軋機組由7架精軋機組成，每架軋機的工作輥都有8個卡板進行固定，在換輥時這些卡板可以打開，卡板驅(qū)動由卡板液壓缸來實現(xiàn)。目前，卡板的開閉狀態(tài)都是通過磁感應(yīng)開關(guān)來檢測，由于軋機上水汽大并存在強磁場干擾，磁感應(yīng)開關(guān)在工作中會經(jīng)常丟失信號，引起停車事故，從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。為此，需要開發(fā)一套使用PIC24單片機，配合渦街流量計通過檢測液壓回路內(nèi)流體累積流量的方式實現(xiàn)液壓缸行程檢測的系統(tǒng)。

1 液壓缸行程檢測系統(tǒng)簡介

圖1是液壓缸行程檢測系統(tǒng)的檢測原理示意圖。從渦街流量計變送器得到的信號是由線圈或霍爾元件在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的具有正負半周的微弱電脈沖信號，其幅值非常小，一般在毫安級。系統(tǒng)中的整形單元將該微弱信號轉(zhuǎn)變成同頻率，單片機可以識別的正脈沖信號。

1.1 瞬時流量

瞬時流量正比于流量及輸出的脈沖頻率，如式(1)所示，式中，F(xiàn)t為體積流量，單位為m3/h;k為流量計儀表系數(shù)，單位為1/m3;f為流量計輸出頻率，單位為Hz。

當(dāng)頻率f在0和f1之間時，儀表系數(shù)k按k1計算。當(dāng)頻率f大于f8時，儀表系數(shù)k就按照k8計算。當(dāng)頻率在f1與f2之間時，儀表系數(shù)k=(f-f1)/(f2-f1)·(k2-k1)，依次類推。

1.2 頻率測量方法

通常頻率測量方法有兩種：測周法和測頻法。測頻法就是在一定的時間間隔內(nèi)，對輸入的周期信號脈沖計數(shù)，如圖2所示，按照普通測頻法的原理，會有誤差△n=±1。造成計數(shù)誤差的原因如下：

1)定時器啟動后，沒有遇上待測脈沖的下降沿，而要等t1時間后才開始計數(shù);

2)定時器時問到，不在待測脈沖的末尾，而提前了t2時間。

為了消除△n=±1誤差，系統(tǒng)中采用了新的測頻方法，采用式(3)進行。

f=n/t’ (3)

系統(tǒng)中，利用單片機的軟件可控性，使消除計數(shù)誤差△n變得簡單，計數(shù)時使用單片機的兩個定時器，一個定時，一個計數(shù)。計數(shù)器由外部信號控制啟動，且與待測脈沖信號同步，這樣就消除了普通測頻法中t1的影響。在新測頻法中，當(dāng)定時時間t到了以后，CPU采樣到最后一個脈沖后，此時計數(shù)值為n，n個脈沖的時間為t’，這樣就消除了普通測頻法中t2的影響。這種測量方法的誤差≤1%。對定時時間t的選取小于1 s，這樣就保證對頻率信號的響應(yīng)時間小于1 s。

2 PIC24單片機高速脈沖捕捉功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)中選用PIC24系列單片機是Microchip新的產(chǎn)品系列，該芯片是一款高性能16位RISC單片機，其采用先進的哈弗構(gòu)架，工作時鐘在32 MHz頻率下，指令速度高達16MIP S。

在設(shè)計中，使用PIC單片機的16位捕捉輸入通道，高速捕捉渦街流量計發(fā)出的脈沖信號，采用上文闡述的脈沖測量方法，通過編程實現(xiàn)液壓缸行程測量。圖3為PIC24單片機輸入捕獲的功能框圖。

在本系統(tǒng)的控制程序中，首先設(shè)置ICxCON控制器中捕獲預(yù)分頻，以及邊沿檢測邏輯(上升沿檢測)。當(dāng)在捕獲通道ICx有輸入信號符合邊沿檢測條件時，這時將把捕獲信號的數(shù)值存入FIFO讀/寫緩存區(qū)。如果應(yīng)用程序需要讀取捕獲的數(shù)值，可以根據(jù)捕獲中斷ICxIF標(biāo)志判斷捕獲事件，從16位定時器TMRy、TMRx中讀取捕獲通道信號的數(shù)值就可以計算捕獲通道信號的大小，信號的寬度信息。

C語言程序中，設(shè)置為輸入捕獲模式1，每捕獲4個上升沿，進行一次中斷，設(shè)置定時器2為基準(zhǔn)時間，為了避免異常中斷，屏蔽了IC1CON功能。實現(xiàn)代碼如下：

IPC0bits.IC1IP=1; //設(shè)置輸入捕獲寄存器為第一級優(yōu)先級

IFS0bits.IC1IF=0; //清除IC1中斷狀態(tài)標(biāo)志

IEC0bits.IC1IE=1; //使能IC1中斷

IC1 CON=0X0000; //關(guān)閉輸入捕獲模式1

IC1 CON=0X00A4; //打開輸入捕獲模式1

3 硬件設(shè)計與功能實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件設(shè)計采用PIC24FJ128GA單片機芯片，配合相應(yīng)檢測電路實現(xiàn)，液晶顯示單元由驅(qū)動器HD44100和8位LCD構(gòu)成。

1)單片機的T0CK1是其計數(shù)器0的輸入端口，這里用來作為放大整形脈沖信號的輸入檢測端。

2)單片機的0SC1腳相連的是RC震蕩器的外界電阻和電容。

3)單片機的RB2、RB4、RB6作為按鍵的IO輸入口。

4)液晶驅(qū)動模塊使用HD44100，其采用靜態(tài)驅(qū)動方式。

5)每0.5 s計算一次瞬時流量(0.5 s內(nèi)的平均值)，每5 s將累積流量值保存入E2PROM一次。

4 軟件設(shè)計與功能實現(xiàn)

軟件主要包括主程序，信號采集、測量、濾波程序、顯示程序和讀寫E2PROM程序等其它子程序。

4.1 主程序

主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)上電初始化，實現(xiàn)鍵盤處理，動態(tài)計算，刷新顯示等功能。其中，數(shù)據(jù)處理模塊主要是完成信號頻率與設(shè)定頻率的比較、儀表系數(shù)k值的確定，瞬時流量的計算、累計流量的計算等功能。

4.2 中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序由相應(yīng)的中斷源提出申請，MCU實時響應(yīng)。服務(wù)程序調(diào)用后，首先判斷當(dāng)前中斷類型，然后進行相應(yīng)的處理。圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

5 應(yīng)用效果

為了解決1780熱軋機組工作輥卡板缸信號頻閃的問題，在每個卡板缸的進油端安裝一臺流量計，流量計的脈沖信號進入上文的檢測系統(tǒng)，對卡板缸的狀態(tài)進行在線檢測。

每個液壓缸對應(yīng)開閉流量值可以在首次使用時通過按鍵進行設(shè)定，并在系統(tǒng)中設(shè)置了最小流量，從而避免小信號的干擾。經(jīng)長時間試用，卡板缸的狀態(tài)信號穩(wěn)定性得到很大改善，減少了維護人員更換機上接近開關(guān)的工作量，保證了正常的軋制節(jié)奏。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種新型的軋機液壓缸行程檢測技術(shù)，并以一款產(chǎn)品為例，詳細闡述了其檢測原理、軟硬件設(shè)計方案，最后以一個具體的應(yīng)用為對象，分析了該系統(tǒng)在實際工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用效果。