称重传感器在20辊轧机张力检测与控制中的运用

杨蕴鸿 李宝文 王栋庆

一、概述

宝钛集团有限公司20辊轧机是上世纪60年代末从德国引进的生产带、箔材的冷轧机设备。投产几十年来，为我国有色金属工业和国防现代化建设做出了重要贡献。近几年，该设备存在以下问题：张力系统频繁紊乱，生产时经常断带，使正常生产和产品质量得不到保证；采用F-D机组控制方式，其传动效率低，只有70%左右，造成极大的能源浪费；控制系统由分立元件构成，故障率高，维修周期长。为了保证成品质量，满足市场需求，轧机的改造势在必行，以实现精确的张力控制。目前，冷轧机和连续式冷轧机基本上采用带张力轧制的方法，张力对提高冷轧板带生产的产量和质量很有利，但必须保持张力恒定，否则由于张力变化将引起轧制压力变化，使轧件产生纵向厚度不均，因此必须严格地控制张力，而控制的前提条件是准确、实时检测张力。

二、原系统张力检测

原系统为了提高检测精度采用换挡检测，传感器安装面板下装有滑轨，当 0～600N，600～6000N，6000N～50kN 时，对应不同位置，每个位置装有限位开关指示，在实际生产中，针对板带材的张力需求，须先手动调整好张力检测挡位，在同一批料不同的厚度时，也需要更改挡位。传感器采用压磁式测力传感器，输出功率大、内阻低、抗干扰能力较强，但是测量精度不高。

经过几十年的运行，检测机构主要存在以下问题：

（1）生产过程中手动换挡，一旦失误造成传感器损伤或者测量值失真，无法满足现代生产工艺快速、连续、大批量轧制。

（2）由于60年代技术手段限制，以及多年运行传感器质量变差，无法满足张力自动控制对测量精度要求。

（3）信号的综合及输出部分采用分立电子元器件构成的直流高频放大器，使参数严重偏移、稳定性差，无法与数字控制系统对接。

三、张力检测机构改造

1.机械部分改造

（1）拆除旧系统张力测量机构，在张力辊下两侧立板上垂直安装Φ40mm固定轴，拆除旧检测机构中传感器的固定件及导轨滑动装置。

（2）原系统为了提高测量精度，减少“皮重”，张力检测辊为空心辊，无法安装带材线速度的测量器件--编码器，故将空心辊改为实心辊。

（3）张力检测的传感器受力机构采用悬壁梁结构（图1），传感器采用PGD传感器，受力部分为点接触。

（4）在张力辊侧面支撑钢板上安装两只弹簧，且弹簧的位置可上下调节，使悬壁梁与传感器的接触平面（图1中的弹簧上压面）自由落到弹簧上，调节两侧弹簧中心位置便可以使悬壁梁与传感器压面保持水平，即张力辊处于水平状态，而且在断带或张力超荷时保护传感器，避免过大变形而损伤。

2.张力检测中传感器的位置确定

如图2所示，张力辊所受的总压力Q与带材张力T的关系为：

张力辊在垂直方向上的分力F为：

当张力辊两端只放一个张力传感器时，则传感器测出的张力为：

为了得到传感器所受的压力与实际张力大小相等，在设计悬壁梁时，通过力矩转换可以确定出传感器的具体位置Lx（图3），公式如下：

3.张力传感器及变送器的选择

选用德国梅特勒—托利多公司的称重传感器来检测张力，变送器选用PANTHER称重终端。

PGD传感器是过程称重应用中较常见的产品，具有安装方便、性能稳定、自动复位等功能。

主要结构均为不锈钢焊接密封。PANTHER称重终端是梅特勒—托利多公司为化学工业、制药、食品和其他过程工业应用而设计的高品质产品，采用△—∑模数转换及数字处理技术，为工业称重需求提供称重显示、检重、分选和定值控制等多种应用方式。PANTHER称重终端所独具的Trax DSPTM数字滤波专利技术能实时地得到稳定的重量值，即使在恶劣的工业环境也可以通过调节称重终端的参数而得到真实的重量数据，其工作原理框图如图4所示。

四、运行性能

系统在张力检测机构改造完成后经过两年多运行证明，改造效果良好，测量精度高于系统对张力的控制要求，反应灵敏，可靠性高，去皮功能稳定准确，抗干扰抗冲击能力强，操作简单，荧光数码管显示醒目，与计算机和PLC的信号对接方便可靠，特别是采用称重传感器用作张力检测器件的设计是一种大胆创新的方法。张力检测系统改造前后的比较见表1。

表1 张力检测系统改造前后性能对比