金属板带轧制特殊仪表测控技术

特殊仪表测控技术在板带轧制中的应用湘投金天钛金公司彭一江1.引言随着工业生产的高速发展和科学技术的不断进步，当今先进工业生产步入了大规模、快节奏、连续化生产的时代。现代化企业生产日趋复杂的工艺流程，更高更严的产品质量要求，对工厂现场自动化、信息化水平提出了更新更高的要求，因而，自动化仪表检测和控制的应用场合也越来越广。常规工业自动化仪表经过数十年的发展，已经步入了系列化、标准化、智能化、规模化生产和应用的成熟技术阶段，基本满足各类工业现场生产工艺常规物理参数的检测需要。而越来越高的产品质量要求以及越来越精的产品品种开发，使得各种满足特定工艺过程测控的特殊仪表应运而生，方兴未艾，显示出广阔的发展前景。1.1自动化仪表发展趋势自动化仪表总的趋势是向多功能、集成化、高性能、高精度方向发展，人们不断利用新的物理化学原理，采用新方法、新技术、新材料设计开发各类新型元器件、装置和系统，取得了前所未有的喜人发展态势。在检测方面，应用射线、激光、超声波、微波、红外线、核磁共振、超导等原理开发的各种新型传感检测器不断推出；广泛采用计算机技术、信息技术、网络技术、通信技术和人工智能技术，实现仪表检测上的高稳定性、可靠性、准确性、快速性和功能上的自动化、智能化、多功能化；设计水平和制造加工精度的提高也使得仪表结构和外形上趋于小型化、轻量化；各类集成化、智能化、低成本、高性能和更便于使用与维修的实用型仪表越来越多地应用于工业现场。在调节方面，除一般的经典比例、积分、微分调节规律外，人们正在研究前馈、大滞后、非线性、相关和计算值调节等技术，以适应多回路复杂对象的自动化控制的需要。专家系统、模糊控制、神经网络等人工智能理论和应用技术也逐步步入了实际工程应用。此外数字、字符、图象显示技术的发展，HMI技术使人与计算机的联系更为简便。以微型计算机为核心的综合测控装置正在进一步发展。1.2自动化仪表组成及原理自动化仪表是由若干自动化元件构成的，具有特定功能的自动测量与控制装置。一般同时具有数种功能，如测量、显示、记录或测量、控制、报警等。自动化仪表本身是一个系统，又是整个自动化系统中的一个子系统。自动化仪表是一种“信息机器”，其主要功能是信息形式的转换，将输入信号转换成输出信号进而实现系统控制的目标。自动化仪表一般工作原理：物理量→电（光）量感应→电（光）量转换→信号放大→信号处理→信号传输→监视显示/控制信号1.3常规工业自动化仪表类型常规工业自动化仪表按其功能一般分为:检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行器、计算仪表、设定值发生器、信号转换器。1.检测仪表检测仪表是指能感受被测变量大小的一类仪表之总称，常称为一次仪表。如传感器、变送器等。常用的有流量测量仪表、电磁流量计、温度变送器等。2.显示仪表显示仪表用来指示、记录被测变量的数值，或者对生产过程的不正常状态发出警报。常称为二次仪表。显示仪表的种类很多，依其显示方式可以分为模拟式、数字式以及图形显示等三种类型。3.调节仪表调节仪表亦称控制仪表，是按照一定控制规律自动控制被控变量的仪表。用于实现闭环控制的调节仪表通常称为调节器。根据控制作用的不同，可分为微分、比例、积分及比例积分微分调节器等。4.执行器执行器亦称为终端控制元件，其作用是根据调节器发出的控制信号，改变能量或物料的输送量，以达到调节温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。执行器通常包括执行机构和调节机构两个部分。如常用的调节阀，是一种根据控制信号来调整流体通路的口径，以改变流体流量的执行器。5.计算仪表计算仪表是能够对一个或多个输入变量进行数学运算的仪表。根据其输出与输入变量之间的运算关系，一般分为加法器、乘法器、开方器等。6.设定值发生器设定值发生器亦称给定单元，可发出一个以时间或另一变量为函数的信号，以设定被控变量的预期值。如设定值(给定值)随时间按一定规律变化，即可以实现时间程序控制。7.信号转换器能够将一种信号转换成另一种信号(一般为标准信号：1~4mA或1~5V)的仪表称为信号转换器，如毫伏信号变送器等。另外，将标准电流信号转换成标准气压信号的转换器称为电一气转换器，反之则称为气一电转换器。1.4常规仪表的应用检测仪表主要用于检测工业生产过程的参数，如温度、压力、流量、物位、机械量、流程分析等，有时也带有记录和调节功能。其中工业检测最为常见的重要工艺参数为：四大工艺参数：温度、压力、流量、物位。显示仪表将检测仪表的输出信号显示出来以供观察的仪表，与检测仪表、变送器和传感器配套使用。按显示方式不同分为模拟式显示仪表、数字式显示仪表和字符图像显示仪等。调节仪表又称调节器，它的作用是将生产过程中的被测参数与设定参数进行比较，然后按一定调节规律发出调节信号给执行器。调节仪表按调节方式不同分为断续调节器和连续调节器；按结构形式又分为基地式、单元组合式和组装式；按工作能源和介质分为自力式、电动式、气动式和液动式。有的调节仪表也带有检测和显示部分。执行器又称执行机构，它根据来自调节仪表的调节信号和调节规律，用于直接调节工业生产过程的输入、输出量，如电动阀、气动阀、伺服电机等。集中控制装置用于对分散参数进行集中检测和控制，按预定的程序进行控制或对被测量进行处理。集中控制装置包括巡回检测装置、顺序控制器和数据处理装置等。1.5特殊仪表工业自动化仪表按其应用特性和场合又可分为常规仪表和特殊仪表。特殊仪表是指根据某种特定工艺或生产装置特殊设计制造的非常规仪表。特殊仪表是金属板带轧制测控技术发展的必然产物。特殊仪表在线测控优势：直接、实时、全程、无损、准确。1.5.1特殊仪表采用的相关技术特殊仪表利用的主要技术：γ射线、X射线、激光、超声、光电、磁电、CCD技术等1.5.2特殊仪表在金属板带轧制中的作用应用场合：•外形尺寸、外观形状测控——厚度、宽度、凸度、板形•位置状态测控——边部扫描、纠偏、物料跟踪•运动状态测控——速度、加速度•表面质量检测——缺陷、划痕等等•内部质量和组织性能检测——夹杂，裂缝等•成分分析检测——材料及工艺介质成分等1.5.3金属板带轧制中常用的特殊仪表板带轧制工业现场在线检测常用的特殊仪表：X射线测厚仪；激光测速仪；磁电板形仪；光电测位仪；超声探伤仪；等等。2.特殊仪表在金属板带轧制中的应用市场的激烈竞争—高效率高质量的要求—轧制生产检测手段的发展—特殊仪表应用普及金属板带材是广泛应用于国民经济各部门的重要材料。板带的材料性能、几何尺寸、表面质量和内在质量是其主要质量指标，而板带的几何尺寸精度包括厚度和板形两项主要内容。2.1几种典型板带轧制特殊仪表•X射线测厚仪•激光测速仪•板形仪•磁电张力计•磁尺位移仪•表面质量检测仪2.2典型应用场合•厚度检测•速度检测•凸度和板形测量•张力检测•表面质量检测•内部质量检测3.X射线测厚仪X射线测厚仪是利用X射线穿透作用与吸收衰减原理开发的。它采用模块化设计，配置灵活，维护简便，经济且性能指标优异。作为一种在线板材厚度测量的精密仪器，X射线测厚仪在整个轧机的AGC控制系统中占有非常重要的地位。它为AGC系统提供实时厚度偏差信号，信号的正确和灵敏度直接影响了轧制板材的厚度质量。X射线测厚仪的在线应用，为板带生产提供了精确，高速的非接触式厚度检测手段。3.1X射线应用原理1895年伦琴发现用高速电子冲击固体时，有一种新射线从固体上发出来—XRay。γ射线X射线紫外光可见光红外光微波无线电波λ/nm0.01104007605×1058×105MHz波长频率短高长低3.2X射线发生装置3.3X射线测厚仪工作原理高压发生器的电源产生高压，加在X-射线管上的高压在加热的阴极和阳极之间建立一个电场。阴极发射的电子在这个电场中加速。它们高速撞击阳极，在撞击的过程中电子释放能量，与此同时产生X-射线。测厚仪基于X射线被板带吸收的原理。X射线源产生一个事先可以设定强度的辐射。处在X射线束中的任何金属都会吸收来自X射线源的部分辐射。没被金属吸收的X射线被传感器检测。传感器将所接收的辐射转换成电压。该电压与所接收到的X射线的强度成正比。传感器X射线源发射与吸收的关系遵循下列公式：ln(I/I0)=-μρS式中：ln=自然对数函数I=通过板带后的X射线的强度μ=板带的质量吸收系数ρ=板带的密度S=板带的厚度I0=放射源产生的X射线的强度令u=μρ，则：I=I0*e-us图3.3测厚仪的测量原理3.4X射线测厚仪在板带控制中的应用厚度偏差是冷轧板带最重要的尺寸精度指标，特别是用于制管的冷轧板带材尤为重要。现代制管生产线具有高效生产率,模具公差很小，要求冷轧带材必须保证尽量小的纵向和横向厚度偏差。工艺上一般要求带材厚度横向偏差小于厚度的±1%、纵向偏差小于±1.5%,冲片的重量偏差小于±2%,边部减薄小于3%。因此，厚度在线检测是实现其精确控制的基础。3.4.1板带厚度检测与控制HGC××＋ATCmATCmPHCaHhPhPCaC流量AGC的手段前馈AGC控制、反馈AGC控制张力和流量AGC控制3.4.2X射线测厚仪的组成图3.4.2测厚仪基本组成结构图板带轧制工艺中采用的X射线测厚仪，其外观组件主要由主控制柜、接线箱、报警灯、冷却器、C形架等几大部分组成。如图3.4.2所示。3.4.3X射线板带厚度测控系统统计模型f(x)工艺参数质量指标优化算法-+4.激光测速仪4.1激光的产生英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(LASER)---受激扩大的发射光处于激发态的原子，如果在入射光子的作用下，引起高能态向低能态跃迁，这种辐射叫做受激辐射。原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等都跟入射光子完全一样，并使光得到加强，这就是激光产生的机理。若一外来光子作用原子，且能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时在两个能态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这种连续反复的受激辐射会产生大量相同性质的光子，放大后形成激光。γ射线X射线紫外光可见光红外光微波无线电波λ/nm0.01104007605×1058×105MHz波长频率短高长低4.2激光测速的基本原理激光多普勒测速的原理：用一束单色激光照射到运动体表面，测出其散射光相对于入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移，进而确定运动体的运动速度。图4.2激光多普勒测速仪基本原理图4.2.1激光测速基本公式式中：fD=多普勒频率l=激光波长K=两束激光交叉角度的一半多普勒原理指出：速度可根据频率变化或多普勒作用求得，公式如下：fDV=————l2sinK根据上式，检测仪表只要测量到从传感器接收到的信号频率，就能确定移动物体的速度。测量的方法可分为两类：参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。V=C.fD因为激光的波长和半角K为常数，合并为一个常数C，上面的公式可以写成：4.2.2频率计数法频率计数法原理:计算n个脉冲的时间,计算出多普勒频移的平均周期,从而计算出频移。n为设定的脉冲数目,N为时钟数目,T为时钟周期。图4.2.2频率计数法信号处理原理图Δf=1TN=nNfn4.3激光多普勒测速仪工作原理图4.3激光多普勒测速仪工作原理激光多普勒测速仪LDV(Laserdopplervelocimeter)的工作原理如图4.3所示,通过光调整仪AOM,将一束激光束分为两束光强相等的光束,其中一束被一个频率为40MHz高频信号调制,系统测出带材的零速度及运动方向。两束激光交叉后,形成一个测量区,当带材通过此测量区时,两束光便产生散射光,经过混频,在光探测器上接收到的散射光,经信号处理便获得多普勒移动频率,移动频率最终被转换为带材速度和速度方向。4.4激光多普勒测速仪的组成激光多普勒测速仪组成:（1）激光器（2）入射光学单元（3）频移系统（4）接受光学单元（5）信号数据处理器图4.4激光多普勒测速仪组成4.5激光测速仪在板带轧制中的应用激