LS9000激光测量系统在钢轨检测中心的应用

夏文明

(攀枝花钢铁集团股份有限公司轨梁厂，四川攀枝花617000)

1 引言

攀钢轨梁厂检测中心是重轨质量检测的重要主体设备，是优质钢轨生产中不可或缺的重要环节。钢轨矫直后必须通过钢轨检测中心的断面检测仪、平直度检测仪、涡流检测装置、超声波检测装置进行全面质量检测后方可进入下一道工序。钢轨的缺陷位置标识是由测长装置来完成的，测长装置在检测中就显得尤为关键。改进前钢轨测长系统是由6套测量轮带编码器组合的测量装置，利用测量轮跟随钢轨运动而带动编码器旋转计数得到钢轨长度。该系统测量轮与钢轨是硬接触，并且通过气缸进行升降，在实际生产中很容易出现故障:一是测量轮的防滑胶皮磨损快、易脱落，更换测量轮周期很短;二是测量轮长期与钢轨接触，编码器长期处于振动中，编码器易损坏;三是钢轨长度检测波动大，不精确，极不利于钢轨质量检测控制。

随着激光技术的不断发展，技术日趋成熟。通过非接触式的LaserSpeed9000系列激光测长系统对钢轨测长就避免了摩擦、振动等因素带来的测量误差，使测长系统更加精确可靠。

2 LS9000激光测长原理

LS9000激光测量仪把传统的激光测量光路信号处理系统及输出模块集成在一体，从而获得更高的工作可靠性及测量精度。采用极化分光光路，可以将传统系统中单独设计制造的测速探头与信号的处理与输出模块集成在一起，减少多普勒高频信号的传输环节，避免外部干扰信号进入系统。LS9000激光测长仪主要是利用激光多普勒效应原理实现高精度的速度测量。当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，当钢轨经过该交叉区域，形成明暗交错的条纹带，如图1所示。条纹间隔d由激光波长λ及两束激光间的半角k决定，d=λ/(2×sink)。被测量钢轨经过该区域的条纹带时，钢轨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脉动的电信号，该信号频率与钢轨速度相关，频率f=v/d。由此有:

由以上公式得知钢轨速度V由频率f决定。钢轨长度l=∫vdt，由仪器处理器自行计算得到。激光测量系统就是通过激光多普勒效应和相应的计算即可测量出被测物体的速度、长度。

图1 激光测量原理图

3 钢轨激光测量系统简介

钢轨测量系统主要由三套Laser-Speed9000测量仪、六套钢轨定位对中装置等附属设备组成。三套LaserSpeed9000测量仪一套安装于高宽测量与第一套对中装置间，一套安装在涡流检测装置与超声波检测装置间，另外一套安装在第六套对中装置后。被测量钢轨进入LS9000激光测速系统测速区域时，LS9000会自动检测该钢轨的存在，自动启动测长过程。当LS9000工作在FINAL LENGTH模式下时，钢轨在测量过程中，LS9000不产生输出。当钢轨尾端离开激光测长仪的有效测量位置后，LS9000向PLC送出该次测量的结果，同时系统自动复位，等候下一次测量的开始。激光测长仪将检测到的速度和长度通过plc传到清洁站处理器、断面检测处理器、平直度检测处理器、涡流检测处理器、超声波检测处理器，使其能够准确计算和反映检测出缺陷位置，便于查找和标识处理。六套对中装置装于每套检测设备的前后，将钢轨导向于检测设备的中心线，使钢轨的摆动尽量小，提高测量仪测得数据的精度。平直传输链安装于平直度检测装置中，以保障平直度检测结果精确。

4 LS9000激光测长系统设计

钢轨检测中心测量装置是以LS9000激光测量仪为核心。通过与西门子S7300PLC的数据交换，完成整个测量系统的测长处理和缺陷报警位置显示。

4.1 LS9000激光测量仪性能参数

LS9000激光测量仪测量精度高，在线测量精度优于 ±0.05%，可控环境下优于±0.002%。速度测量范围大，速度量程为－20km/min～ +20km/min。信号输出接口多样化，适用于多种协议的数据传输。输出接口有测长5V或者24V的脉冲信号、速度模量输出、RS-232和RS-422通讯协议接口、激光测长仪控制信号接口。钢轨测长系统主要用到了脉冲输出信号和Profibus DP协议的接口，很好地实现了与外部处理的通讯和数据交换。

4.2 LS9000测长系统硬件配置

LS9000激光测量仪通过专用电缆连接到信号分接端子，然后通过Profibus－DP直接挂到西门子PLC中。测量系统整体结构包括:一是LS9000激光测速测长系统，该系统安装在现场直接对通过有效测量区域的钢轨进行检测;二是信号电缆，用于设备连接;三是信号分接端子，该端子安装在电控室PLC柜内，激光测长仪将处理过的信号通过该端子发送给上位机处理器，如下图2、图3所示。

4.3 LS9000测量仪软件参数设置

LS9000测量系统安装运行前必须根据外部设备所接收的脉冲数对应的长度、核心系统运行优化及输入、输出等功能进行设置调试。不同的反光物体和使用环境都需要通过软件参数设置使其更准确地进行测量。测量系统使用的软件是BLM LaserTrak4.0版本，是测量系统的核心软件。激光测量仪是否能正常工作就取决于软件参数设置。

图2 硬件配置

图3 PLC硬件组态

LS9000测量系统软件调试步骤如下:

第一步:用专用电缆(测量仪端为25针插头，计算机侧为9针插头)将测量仪和计算机连接起来，单独将12针与24针接入24VDC电源，为激光测量仪供电。

第三步:进入配置设定界面，根据现场被测物体的表面特征和使用环境明暗度等设置相应的匹配参数。一般情况下我们需要对以下四个界面进行设定，也可以根据需要进行不同模式和参数设定。设定完成后保存后重新启动软件即可。

图4 通讯设置

图5 输出设置

5 应用分析

经过近一年的运行使用，在使用过程中LS9000激光测长测量系统也存在一些小问题，但只要我们通过对仪器性能和控制参数的深入理解，就能很快解决现场实际问题。充分发挥其优势，提高系统精度和可靠性。

图6 标准设置

图7 高级设置

5.1 被测物运动过程中的振动影响系统精度

钢轨在运行过程中，由于运输辊道磨损程度和钢轨矫直的平直度的不同，很容易出现较大的左右和上下摆动，有时脱离仪器的有效检测范围，对测量精度影响较大，不稳定。通过调整6套对中传输系统的气缸压力，减轻钢轨的振动，同时通过设置激光测长仪的软件参数，使其适应这种工况的检测，大大提高测量精度和稳定性。

图8 速度和长度监视显示

5.2 工作环境影响设备可靠性

在没加冷却空气时，由于LS9000测量仪连续工作，自身温度会不断升高，会出现长度测量偏差较大，达不到质量检测设备的精度。为此，我们在LS9000测量仪上加冷却压缩空气，使测量仪工作在20度左右的环境中，同时用plc程序控制测量仪脉冲开启和关断时间，使其在没有钢轨通过时关闭激光门，减少工作时间，降低仪器不必要的消耗。由于钢轨在经过超声波检测后，表面有水，有时影响其反射的激光光束，导致测量误差。我们可以通过软件参数设置，降低“Material Present Threshold”数值，满足测量需要，提高测量可靠性。

6 结束语

本文详细地介绍了LS9000测量仪的软件、硬件及调试步骤等，并结合检测中心的实际使用情况作了分析总结。实现了快速、准确的控制、设备的连锁启停、回路调节、报警、趋势记录等一系列功能。采用非接触性激光测长仪，不但消除了设备磨损及钢轨刮伤，提高了产量和自动化水平，还降低了故障时间和备件消耗，大大提高了工作效率。