轧钢厂厚板钢板长度测量现状与问题研究

轧钢厂厚板钢板长度测量现状与问题研究

夏偲禹  杨映熙  杨燕

重庆钢铁股份有限公司  重庆 401220

摘要：多年来，国内外对于钢板长度的在线测量技术进行不断有益探索，现阶段“激光多普勒测速原理”是国内外对于钢板长度在线测量的较成熟的技术。但受限于测量原理，其存在有效检测高度位置需精确定位，在一些工况变化较大的环境存在无法快速适应正常检测的瓶颈，可能造成劳动强度增大、生产效率降低。

关键词：激光多普勒测速原理；钢板长度检测；检测高度自适应

0 引言

1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cummins）[1]首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪（LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展[2-3]。轧钢厂厚板线钢板长度是轧钢工艺质量控制的最终把控环节，一般采用仪表全面测量+人工抽检形式。而钢板激光测长仪（下文简称“测长仪”）是实现成品钢板长度在线检测的重要设备。测长仪对辊道上经过的成品钢板长度进行测量，再与L2级该钢板目标长度进行比对，偏差大于允许值的在人机界面（下文简称“HMI”）输出报警，提示质检人员对该板进行人工复尺，以保证出厂钢板产品长度尺寸的合格率。

1 厚板线测长仪情况概述

重钢轧钢厂4100mm厚板线自动化程度较高，钢板物料信息跟踪系统为过程自动化控制系统（下文简称“L2”），钢板传动控制系统为西门子PLC S7-400（下文简称“L1”），本文涉及测长仪采用激光多普勒测速原理实现对速度的高精度测量。如图1所示,两束同源激光在测量区域相交后，干涉产生一个条纹立体空间; 取钢板经过的截面如上小图,在该区域内，形成明暗交错的条纹带。被测量钢板经过该区域的条纹带时,钢板表面的微小结构颗粒结构将产生明暗交错的漫反射光信号,该信号被仪表的光子探测器转化为频率的电信号,该频率与板带速度相关，同时通过速度可得钢板长度。

图1：激光测长仪的检测原理示意图

2测长仪在厚板线存在的问题

由激光测长仪检测原理可知，理论检测区域是两束激光的相交区域，高度范围约40mm，检测精度有保障的实际检测区域为相交区域面积较大的中间区域，高度范围约20mm（如图2所示）。根据现场使用经验，本文涉及测长仪最佳测量距离（即激光发射器与钢板表面的距离）为1000mm（±10mm）。而厚板线生产钢板厚度范围为8~120mm，在生产过程中，遇产品型号改变时，测长仪无法适应钢板厚度的变化而无法正常测量，需维护人员人工适应性调节激光发射器的高度后才能正常测量，人工调节测长仪高度的时间可计算为降低生产效率。

图2：同源激光相交检测区域示意图

3 分析及解决，逐步改善完善

3.1第一次改进，丝杆螺母副和手轮

测长仪存在的问题矛盾点主要在其有效测量区间较产品规格区间小，无法全覆盖所有产品规格。其支架固定激光发射器的连接螺栓孔设计为条状孔，方便人工松开连接螺栓后在条状孔范围内上下调节。

解决此问题矛盾点，需给测长仪附加一套方便上下调节的机构即可。因此，初步设计在激光发射器与固定支架间增加1套直线运动轴承，并在轴承螺杆上设手轮及锁紧装置。（如图3所示）

图3：测长仪增设丝杆螺母副调节高度示意图

如上的改进可以简化人工调节激光发射器高度的操作流程（由松连接螺栓、调整高度、紧连接螺栓的三步操作流程缩减为操作手轮一步操作流程）。这样改进后，实际操作中，工人不知调整到多少高度可以正常工作，必须将钢板移动至测长仪下方，目测或使用卷尺定位高度，再操作手轮调节，生产效率仍有潜力可挖掘。

3.2第二次改进，激光测距和步进电机闭环控制

进一步的，开始思考探索能否在此基础上升级扩展出能实现自动调整适合测长仪测量的高度的改进方案。首先，需要给系统配置“眼睛”，检测当前实际高度，选用激光测距仪，制作安装支架与激光发射器物理连接且水平同步；其次，选用步进电机替代手轮，作为丝杆螺母副升降进行动作的执行机构；再次，在L1控制系统里建立一个简单PID控制回路，PV引用激光测距仪信号，MV引用至步进电机执行，SV设置为最佳测量距离1000mm。（如图4所示）

图4：使用PID闭环控制测长仪高度示意图

如上，进一步的改进给测长仪高度调整建立了一个简单PID闭环控制回路，以激光测距仪检测数据为被调参数PV，以步进电机带动丝杆螺母副为执行机构MV，将设定值SV设为最佳检测效果的距离1000mm。此次改进后试投用发现，生产时需将钢板头部移动至检测点内，升降调节器检测到钢板上表面与激光发射器的距离后调节器才开始作用，高度调整好后，操作工需将高度控制器切为手动使高度固定不动，再手动将钢板退出检测点，再操作钢板正向运动检测长度。这样，每一批不同厚度规格的钢板进入检测点前，操作还是需要人工介入操作高度控制器。

3.3第三次改进，利用L2下发数据，提前进行自适应调节

根据上述改进后的试投用情况，再次进行分析、梳理改进方案。利用本有的L2级信息网，将即将进入检测点的钢板厚度数据提前下发至L1系统，经计算模块（厚度+1000mm）计算出激光测长仪对被测钢板的最佳测量距离，将距离信号发送至PID控制单元外给定值(CSV)。（如图5所示）

图5：引入L2下发厚度数据提前调整测长仪高度示意图

如此，钢板在进入检测点之前测长仪已经自动根据钢板厚度提前调整到最佳检测高度，无需操作工手动介入，测长仪检测高度调整达到全自动自适应的效果。

4 结语

设计测长仪对不同厚度钢板检测高度自适应功能时，根据现场操作工反馈情况多次试错，考虑问题不能理想化，也不要急功近利、追求一步到位。

参考文献

[1]Yeh,Y.and Cummins,H.Z.localised fluid-flow measurements with a He-Ne laser spectrometer.Appl.Phys.Letter.1964, 176-178.

[2]沈熊.激光多普勒测速技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2004：23-26.

[3]孙渝生.激光多普勒测量技术及运用[M].伤害科学文献出版社，1995.