热轧机多功能测量系统.doc

热轧机多功能测量系统热轧机多功能测量系统Richard R. Jackson、Paul E Kelly和Derek W AdamsThermo Fisher Scientific Co., Ltd新研制开发出的辐射测量系统基于“立体视觉”原理，能对大量产品厚度相关参数进行测量，结果准确可靠，可满足对新型热轧生产的控制、监视和评估需求。此款X射线测量系统采用独特的传感器设计和多处理实时计算机系统，可以测量板带厚度、厚度分布、温度分布、宽度、板带位置、速度、弯度和平直度，并且其准确度和响应时间均达到行业标准专用仪器的水平。您只需在生产线上安装一台内装所有传感器元件的C形架，即可测量上述各项参数。多功能仪极为坚固耐用，具备可接入，系统冗余和快速在线故障诊断（可远程接入）等特点，保证了故障停机时间最短。1、系统架构传感器包含一个带有水套冷却的不锈钢C形架（见图1），C形架上臂装有两个高功率X射线源，下臂装有连续排列的探测器阵列。标准配置中包括扫描高温计，还可选择安装激光测速仪。C形架在线运行期间不需要移动，但在维护时可以移动到离线位置。两个射线源交替照射整个板带宽度，每次照射时间为5 ms（毫秒）。交替照射通过反相位耦合的旋转快门来实现。专门设计的射线探测器组装在32通道的模块中。探测器元件构成连续的高效闪烁器和定制光电二极管阵列，6 mm一节。每个模块自带独立的电子器件包，包括每个探测器配一个的20位模数转换器。图1 C形架和传感器布置图这可确保每个探测器元件产生的高灵敏度模拟信号不受热轧现场高噪声电平的影响。典型的系统配置有16个连续模块，共含512个探测器，构成线性探测器阵列，探测器之间无间距（见图2）。每次照射5 ms所产生的信号将在每个模块中进行数字化，之后再通过高速同步串行链路传送到多处理器计算机系统。2、厚度和板形测量每照射5 ms，计算机就会根据每个探测器提供的原始厚度分布计算一次还原厚度，然后通过对当前和之前的测量结果的分析来定位板带边缘的当前空间位置板带（见图3）。沿连接两个边部的直线即可计算出厚度分布(板型)。板带在板带横向方向每隔5 mm对来自两个射线源的测量视图进行一次合并，板带综合考虑这一段板带的倾斜角度，从而给出一个与位置或斜度无关的板带横向厚度分布测量值（凸度）。对热轧测厚系统的首要要求是快速输出低噪声的中心线厚度测量值，以用于自动厚度控制（AGC）2 线性探测器阵通过每5 ms对板带中心部分截面（通常使用的是100 mm）的厚度求一次平均值。连续平均值是根据输出之前最后三次采样计算出的值，这样就能给出优于0.2的厚度噪声指标，且数位等效于10ms的模拟输出响应时间。如果要求响应时间长于或短于此值，用户可以自行进行调整。部分控制系统还要求提供实时凸度和楔度输出。此测量系统通过对每5 ms测一次的厚度分布作进一步的分析后，可以输出凸度和楔度，但此分析结果是基于更小的横向截面。通常，此分析需要的响应时间更长，凸度和楔度值要经过更长的连续平均求值才能输出。此时间也同样可由用户进行调整，但通常设定为200 ms。了解这一点非常重要，这是每5 ms测量一次的厚度平均值，而不是对厚度分布先求出平均值，然后再拆解计算得出的结果。这样即可提供连续实时输出。3、宽度和位置测量根据上述5 ms照射一次计算出的结果，我们知道，当前板带边部位置的分辨率要高于1 mm。图3 厚度和板形测量高精度是通过对每个边部的最后一个探测器进行插值计算得到的，板带因而我们能直接输出板带宽度、位置和高度测量值，其准确度与传统的立体光学测量设备相当。与其他测量值一样，这些测量值在经过用户可调步长的滑动平均之后才会输出，请记住，这是5 ms内的平均计算值，而不是边部位置。因此宽度输出不受位置或斜度的影响，板带甚至当板带还进卷取张力时，板带非常靠近头部的测宽值仍然有效板带。4、温度测量扫描高温计实时输出的模拟信号直接在测厚仪计算机中进行数字化。高温计每秒扫描25次，每40 ms更新一次温度分布值。根据这些输出值，使用与厚度分布图相同的5 mm横向宽度分辨率来构建板带温度分布图。对于板带横向方向上每5 mm板带的测量区段，板带都可使用相应的温度值对测得的厚度值分别进行温度补偿。根据需要可以对板带宽度方向上所选区域输出板带实时的温度模拟量。5、横向弯度或轮廓测量横向弯度定义为在板带横截面的高度变化量，往往与不平直度关联。一般不会单独测量横向弯度，但在平直度测量中是非常重要的一环。另外，板带横向弯度还用于补偿受带不平整而被影响的宽度和厚度测量值（见图4）。测量横向弯度的第一个步骤是分析两个射线源视图，板带计算出板带梯度。如果板带倾斜，那么其中一个射线源测得的厚度值会偏小，而另一个射线源测得的却偏大。图4 弯度测量梯度可以根据差值进行计算。假设板带边部之间为直线，则可以推导出梯度的多项式函数。对此函数进行积分计算后，可得出新的多项式函数，后者可大致描述出板带的高度。已知边部位置是此积分计算的常量。上述计算值经过二次迭代后，生成的是新计算出的边部之间的近似高度函数，而不再是先前假设的直线，从而大大提高了准确性。然后根据新计算出的板带角度校正厚度测量值，根据多项式函数的实际长度值计算出的边部之间的宽度更加准确。上述所有值使用高速浮点DSP处理器每隔5 ms计算一次。根据需要，板带可实时输出板带横向所选位置的高度值模拟量。6、平直度测量平直度通过跟踪随沿长度方向的高度变化值来进行测量。在板带宽度方向每隔50 mm对板带宽度的高度进行一次采样，采样值存储为曲线图，存储频率为每10 ms一次（见图5）。每组采样的板带行程长度根据板带速度信号进行计算。速度信号可以来自集成激光测速仪或外接输入。要计算每条曲线的平直度，应对随之前可配置的板带行程距离长度变化的高度值进行分析，从而得出实际板带长度。I-unit中的平直度以标准方法进行计算，相当于实际板带拉伸长度和行程长度之比。对横向平直度信息经过分析后，生成对称/不对称平直度测量结果。上述所有值使用独立的DSP处理器每隔10 ms重新计算一次，并更新各曲线图，可以实时通过模拟量输出板带横向所选位置的对称/不对称平直度或实际曲线平直度。图5 平直度测量曲线图7、系统输出如上所述，系统最多可以配置18 个模拟量输出，例如中心线/边部厚度、凸度/楔型、宽度、位置、中心/边部高度以及所选曲线图的平直度。通常这些参数用于一级控制系统。对于更高级别的数据处理、显示和归档系统，以上信息都可以提供数字信号。计算连续5 ms板带厚度分布平均值，通常每秒以5 mm的横向板带分辨率完整更新一次板带厚度和温度分布图。使用基于板带的坐标系统计算平均值，从而提供不受位置或斜度影响的真实板带平均值。对厚度分布图作进一步地分析，可以得出凸度、楔度、边降数值，最小可探测到10微米高10毫米宽的脊状凸起和凹陷。网络报文通常每秒发送一次，其中包含所有测得的信息，如以5 mm分辨率测得的厚度和温度分布，以及每隔50 mm测一次的曲线平直度。可以选择使用板带汇总功能，通过此功能，可以汇总每种板带的所有数据，在测量结束后进行处理，以生成统计信息。统计信息包括分别为带头、主体、带尾及总长提供的平均数据。带头和带尾长度可由用户自行定义，也可以根据具体卷材进行设定。数据包含每个部分的厚度分布，以及厚度、宽度、温度、凸度、楔度、位置和平直度的最大值、最小值、平均值和正态分布。8、系统显示和归档系统显示单元基于Windows，包含一个处理页面，可以总览所有被测参数，其中包括厚度和温度分布，以及实时跟踪板带厚度、温度、宽度、凸度、楔度、对称/不对称平直度以及板带长度。当前测量值以数字形式显示。28可选的数据归档站可用于存储归档格式的被测数据。系统可以进行全面配置，用户能选择按时间或按事件归档任意测量值。通常按时间用于记录测得的厚度、宽度等以及板带长度，而按事件用于在测量结果时归档板带汇总数据。通过评估工具可以灵活地在归档中进行搜索。例如，可以按时间/日期、按产品参数（如卷材标识、目标厚度、合金等级等）进行搜索，也可以按测量数据（如高于或低于特定值的凸度）进行搜索。当然，也支持对这些数据进行任意逻辑合并。9、坚固、可靠、冗余此系统的设计支持在恶劣的热轧环境中连续运行。C形架采用10 mm厚不锈钢，内有水冷式隔热层。通过气动杆上的开口，可轻松操作所有上臂部件，整个探测器模块可以从后部轻易取出。X射线管或探测器模块等所有主要部件都能在15分钟内完成更换。金属陶瓷制成的X射线管在最大额定值下可以良好运行。即使只有一个射线源工作，系统可以一直以AGC方式运行，如果板带在轧制线上是平直的，那么单源模式仍能提供可靠的板形厚度和宽度测量值。发生故障的探测器会被自动发现并排除，同时标记相应的警告。10、诊断系统有丰富的诊断功能，可以通过调制解调器拨号或通过互联网远程访问（如果客户的防火墙设置允许）。所有数字和模拟I/O值可通过内置维护屏幕进行处理和监控。如果输入超出预设限值或处于意外状态，则生成警报。可以通过屏幕页面来监控X射线源、高温计和探测器阵列。同时可以监控网络及串行数据链路并记录流量以供分析之用。内部参考样片在系统根据经认证的外部样品进行初始校准时被测量，在此之后可以自动检查，使测厚仪能针对任何漂移或变更进行补偿。校准和检查数据可导入Excel，以快速识别任何故障。此外，还可使用全面测量诊断工具在线记录所有信息、中间校准环节以及最终测量结果。11、在线结果目前，此系统已广泛用于世界各地的热轧生产线。第一批系统可提供厚度分布和温度测量，之后增加了宽度测量，再后来增加了平直度测量功能。数据处理和输出功能也不断增强。在每个开发阶段都对测量值进行在线验证。对于较老的热轧