X 光測厚儀在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

郝艷強(qiáng)

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司天津301500）

0 引言

軋鋼生產(chǎn)線上的板材厚度測量是生產(chǎn)線必不可少的一道工序，公司原板材厚度測量為現(xiàn)場操作人員使用千分尺測量，這種測量方式的缺點(diǎn)：生產(chǎn)線上環(huán)境溫度為850～900 ℃，工作環(huán)境惡劣；測量時需要和線上的其他操作崗位聯(lián)系將生產(chǎn)線暫停，降低了生產(chǎn)效率；人為測量誤差大；千分尺為強(qiáng)檢表需要定期校驗(yàn)、更換、到特定部門進(jìn)行檢定，費(fèi)用高。為避免上述缺點(diǎn)我們使用了線上實(shí)時測量板材厚度的儀表—測厚儀，測厚儀在安裝時設(shè)有壓縮空氣管道，用來吹掃探頭，設(shè)有水管道，循環(huán)沖洗探頭周圍的氧化鐵皮及沉渣，使測量環(huán)境保持低溫、清潔，減少了運(yùn)行人員的維護(hù)量；整套設(shè)備安裝在設(shè)有導(dǎo)軌的小車中，測厚儀出現(xiàn)問題時可以直接將測厚儀轉(zhuǎn)換到離線狀態(tài)，將小車退離生產(chǎn)線后對測厚儀進(jìn)行檢修不會影響生產(chǎn)的節(jié)奏；測厚儀自身帶有校驗(yàn)功能，在每支板材經(jīng)過前十幾秒時間內(nèi)進(jìn)行自校驗(yàn)保證每次測量的準(zhǔn)確度。測厚儀的使用使軋鋼生產(chǎn)的板材質(zhì)量得到保障。

1 測厚儀的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

我廠帶鋼熱軋生產(chǎn)線應(yīng)用的測厚儀為瑞美公司生產(chǎn)的RM215 系列X 射線測厚儀，組成包括：主控柜（主處理器模塊、AI/AO 模塊、串口模塊、DI/DO 模塊、系統(tǒng)電源、終端模塊、工程師站）、操作站、C 型架、射線源和探頭等組成。主控柜包含主要的電氣系統(tǒng)和控制回路，并集成一個工程師站。主控柜相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的CPU，RM 215 系列X 射線測厚儀通過實(shí)時反饋絕對厚度或偏離目標(biāo)厚度值來參與板材的軋制控制。

1.2 工作原理

X 光測厚儀通過計(jì)算X 射線穿過被測板材的衰減值來檢測對象的厚度。被測板材經(jīng)過測厚儀位置時，射線通過放射源穿過被測材質(zhì)后進(jìn)入信號探測器，射線的強(qiáng)度會有所衰減。對于同種材質(zhì)的板材，如果厚度越大，那么射線的衰減就會越大，利用這一原理來檢測通過板帶材的厚度。同時也滿足了軋線生產(chǎn)線上測量厚度實(shí)時、在線等要求。

2 厚度的控制方式

軋機(jī)液壓壓下系統(tǒng)的壓下量控制由“壓力AGC”及“監(jiān)控AGC”兩部分組成。

2.1 壓力AGC

壓力AGC 是指在當(dāng)前機(jī)架咬鋼信號（當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到電流值）到達(dá)后一定時間t，在此時間內(nèi)采集n 次檢測數(shù)值，并計(jì)算出n 次檢測數(shù)值的平均值。t 是在程序設(shè)計(jì)時設(shè)定，約1000 毫秒，編程技術(shù)人員是根據(jù)鋼材張力、軋制速度、設(shè)備參數(shù)等確定的。

其中：

每個機(jī)架頭部平均軋制力

平均輥縫值

將每個機(jī)架頭部平均軋制力P*和平均輥縫值S*作為鎖定值，此后根據(jù)每時刻的外界擾動軋制力△Pd，計(jì)算輥縫值進(jìn)行厚度的自動控制調(diào)節(jié)。壓力AGC 被分為絕對壓力AGC 和相對壓力AGC：絕對壓力AGC 的軋制力與輥縫值是由L2 級設(shè)定；相對壓力AGC 的軋制力與輥縫值是由現(xiàn)場傳感器測量的實(shí)際值反饋。

2.2 監(jiān)控AGC

監(jiān)控AGC 是正在軋制的帶鋼頭部進(jìn)入測厚儀檢測范圍內(nèi)經(jīng)過一定的延時時間t 后（延時時間由編程人員根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際參數(shù)設(shè)定），通過F9 出口安裝的測厚儀實(shí)時測量厚度數(shù)值計(jì)算出平均值，由監(jiān)控AGC 計(jì)算出各個機(jī)架的軋制負(fù)荷從而分配各個機(jī)架的輥縫給定值。監(jiān)控AGC 控制方式是以末架優(yōu)先的原則，按逆軋制方向來選擇機(jī)架的投用。監(jiān)控AGC 分為絕對與相對兩種控制方式：絕對方式是HMI 或過程機(jī)設(shè)定的目標(biāo)厚度為鎖定值，計(jì)算出對應(yīng)零厚差的輥縫調(diào)節(jié)量；相對方式是以精軋出口測厚儀采集的平均厚度差作為鎖定目標(biāo)值，此后根據(jù)一定的采樣周期，采樣共同厚度差的變化，計(jì)算輥縫調(diào)整值，進(jìn)行厚度自動調(diào)節(jié)。

2.3 控制的實(shí)現(xiàn)

板材在通過輥縫被軋輥?zhàn)冃诬埑鰰r，輥縫的大小和形狀決定了板材縱向?qū)挾群蜋M向厚度的變化，實(shí)際輥縫在軋制過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響會有所變化，從而影響到板材的厚度變化，針對這些因素研究出板材厚度的自動化控制系統(tǒng)。

2.3.1 前潰AGC 控制

根據(jù)實(shí)時測量的輥縫和軋制力以及入口厚度，計(jì)算出口軋件的厚度和塑性系數(shù)并送入寄存器。第i+1 機(jī)架的入口厚度通過跟蹤第i 機(jī)架出口厚度得到，第i 機(jī)架根據(jù)存放于寄存器中的第i+1 機(jī)架出口厚度和塑性系數(shù)來預(yù)估帶鋼在本機(jī)架出口帶鋼厚度偏差，并通過液壓壓下系統(tǒng)HGC 提前調(diào)節(jié)輥縫來消除來料厚度和塑性系的變化對本機(jī)架軋制厚度帶來的不利影響。如圖1 所示。

圖1 AGC 控制原理示意圖

2.3.2 厚度計(jì)式AGC 控制

厚度計(jì)式AGC 的基本原理是把軋機(jī)本身當(dāng)做測厚儀，根據(jù)PLC 實(shí)時采集到的軋制力和輥縫值，利用彈跳方程間接計(jì)算出帶鋼厚度。將實(shí)測的彈跳厚度與頭部鎖定的彈跳厚度之間的差值送入AGC控制器中，控制器的輸出附加到液壓壓下控制系統(tǒng)中調(diào)整軋機(jī)的輥縫大小。厚度計(jì)式AGC 在彈跳方程的基礎(chǔ)上引入了彈性曲線和塑性曲線，軋機(jī)在軋制過程中進(jìn)行彈性變形，根據(jù)軋機(jī)的剛性、軋制時的彈跳現(xiàn)象、彈跳值、軋機(jī)的剛性系數(shù)制成的軋機(jī)彈性變形曲線；根據(jù)板帶在軋制過程中的彈性變形和塑性變形得到軋機(jī)的工作特性曲線。圖2 為軋機(jī)的工作特性曲線[2]。

為消除由當(dāng)前實(shí)測軋制力變化量△P0和輥縫變化量△S0造成的厚差△h，需要輥縫在當(dāng)前值S基礎(chǔ)上改變△S 量，由下公式計(jì)算：

圖2 軋機(jī)的工作特性曲線

公式中：M 為軋機(jī)剛度，Q 為軋件塑性系數(shù)。

則輥縫總改變量△S*由下公式計(jì)算：

3 厚度控制的優(yōu)化

3.1 軟件上的控制優(yōu)化

監(jiān)控AGC 的控制方式是利用精軋末機(jī)架出口安裝的測厚儀實(shí)時監(jiān)測出口厚度，并將實(shí)時監(jiān)測的厚度值反饋到監(jiān)控AGC 運(yùn)算控制器中，控制器的輸出實(shí)時計(jì)算值用作在監(jiān)控AGC 控制的機(jī)架輥縫的大小設(shè)定上[3]。我廠使用的厚度控制即為監(jiān)控AGC 控制。該厚度控制方式存在的一個弊端是測厚儀的安裝位置距離實(shí)際控制的機(jī)架輥縫較遠(yuǎn)，即測厚儀檢測出來的厚度變化量與產(chǎn)生厚度變化的輥縫控制量不是同時發(fā)生，存在明顯的滯后現(xiàn)象，所以實(shí)際出機(jī)架軋出的板材厚度波動不能得到及時的反映，導(dǎo)致監(jiān)控AGC 的控制也存在一個時間滯后，針對監(jiān)控AGC 時間滯后的現(xiàn)象我們做了兩方面的改善。

（1）在軋制同一規(guī)格的板材時，開始的幾根坯料使用人工干預(yù)的方法，軋制下一根坯料時將上一根人工干預(yù)量記憶到程序中，自動分配到各個參與監(jiān)控AGC 控制的機(jī)架中。

（2）為防止在第一步的人工干預(yù)量超出軋制調(diào)節(jié)范圍，我們在程序中做了人工調(diào)節(jié)的限幅控制，即在每個掃描周期內(nèi)人工干預(yù)值不得超出一定范圍（根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，經(jīng)多次模擬實(shí)驗(yàn)得出該控制范圍0.05 mm），且在一根坯料的整個軋制過程中不能超出一定的范圍（根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)多次模擬實(shí)驗(yàn)得出該控制范圍-0.1 mm～0.1 mm）。程序段如圖3監(jiān)控AGC 控制程序段。

圖3 監(jiān)控AGC 控制程序段

3.2 硬件上的保護(hù)

測厚儀在生產(chǎn)過程中的作用不可估量，現(xiàn)場環(huán)境由于水汽、氧化鐵皮、溫度及粉塵的影響可導(dǎo)致測量精度下降甚至嚴(yán)重失真，最終導(dǎo)致軋廢率升高。測厚儀價格相比較別的儀表價格昂貴，其中裝載X-ray 放射源和探測源的C 型架是它的核心組成部分，在軋線出口堆鋼或飛鋼時有將C 型架彈起的可能，進(jìn)而損壞測厚儀的核心部件。為保護(hù)測厚儀不被現(xiàn)場的工作環(huán)境和生產(chǎn)事故影響，我們發(fā)明的測厚儀的保護(hù)罩，并申請了發(fā)明專利，發(fā)明專利的名稱為“一種保護(hù)罩結(jié)構(gòu)”。

如圖4 所示，保護(hù)罩外壁為夾層設(shè)計(jì)，冷卻水經(jīng)過110 管口進(jìn)入夾層后由120 管口流出以達(dá)到為保護(hù)罩降溫冷卻的目的；300 為保護(hù)罩的基礎(chǔ)部位，100 為保護(hù)罩與基礎(chǔ)連接的底座，防止飛鋼或堆鋼時C 型架被廢鋼掀起；200 為C 型架隨軌道進(jìn)入或退出的通廊也是保護(hù)罩的主體部位；400 為保護(hù)罩的吊裝孔，待板材軌道檢修時將保護(hù)罩吊離現(xiàn)場。該保護(hù)罩投用以后，測厚儀的檢修維護(hù)量明顯減少，保護(hù)罩對現(xiàn)場的水汽有一定的隔離作用，使測厚儀的測量值更準(zhǔn)確，對板材的質(zhì)量控制更加精確。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對測厚儀結(jié)構(gòu)原理的介紹到厚度的自動控制理論以及我們對其進(jìn)行的軟件與硬件的改善，最終保證并提高了監(jiān)控AGC 的使用功能和控制精度，使軋制的帶鋼厚度均勻，提高了板材的質(zhì)量及成材率。發(fā)明專利“一種保護(hù)罩結(jié)構(gòu)”的投入使用，使測厚儀測量系統(tǒng)免受外力損壞，節(jié)省了該設(shè)備的維護(hù)維修更換的費(fèi)用，降低了使用成本，在生產(chǎn)中有一定的實(shí)用價值。

圖4 一種保護(hù)罩結(jié)構(gòu)