对于连续式生产线带钢跟踪方法的研究

隋静博 王赤

摘要：本文介绍了冷轧工艺连续生产线中带钢跟踪的主要方法，以及焊缝跟踪的基本原理和作用，结合连续式生产线的生产设备特性，阐述了冷轧带钢在连续式生产线中焊缝检测的多种方法及原理。分析了焊缝跟踪检测信号故障的常见原因，并总结了当前主流校正解决焊缝跟踪检测信号故障的解决方法和相关经验。

关键词：焊缝跟踪;检测方法;信号故障;跟踪校正

Abstract： This article introduces the main methods of strip tracking in the continuous production line of cold rolling process， as well as the basic principle and function of weld tracking. Combined with the characteristics of the production equipment of the continuous production line， this article expounds various methods and principles of weld detection of cold rolled strip in the continuous production line. The common causes of weld tracking detection signal faults are analyzed， and the current mainstream correction methods and relevant experience to solve weld tracking detection signal faults are summarized.

Key Words： Welded seam tracking; Detection method; Signal fault; Tracking correction;

正文：

1、引言

随着我国冷轧技术的不断成熟，市场经济的飞速发展和国民经济建设需求的一路高涨，市场对适用于生产汽车、家电、建筑结构及轻工五金等行业的冷轧、热镀锌等高技术含量、高附加值的板材产品的需求量也持续增长。

目前我国冷轧带钢的生产工艺和装备技术均已达到国际先进的生产技术水平，连续式生产机组的应用成为冷轧生产的主要方式。连续式生产线具有产量大、效率高、质量好、劳动定员少、节省占地面积和投资等多种优点，能够使生产企业迅速占领目标市场。

随着冷轧自动化控制水平和带钢表面质量要求的不断提高，在冷轧机组全线自动化、无人化的控制过程中，对线上带钢的实时状态参数、设定值下达和监测的准确性都提出了更高的要求。这其中作为数据基础和关键技术的一项就是对线上带钢进行准确的跟踪定位。目前世界先进的控制系统多采用焊缝跟踪加辅助手段修正的方法对线上带钢进行有效、实时的跟踪监控。

连续式生产机组一般在机组入口段设置激光焊机或者窄搭接焊机，原料卷上料后经过开卷机开卷，直头并切除带钢头尾超差部分后，由焊机将前一卷带钢尾部与后一卷带钢头部进行焊接，然后进入机组进行工艺处理，实现连续式生产。处理后的带钢经机组出口段卷取机进行卷取，根据产品卷的重量或长度要求，由出口段飞剪进行分卷，剪掉焊接点——焊缝，生产进行期间，焊缝也随着带钢一起在生产线上运行。

连续式生产一般会有多个钢卷同时在线进行处理，能够准确地对每个钢卷的位置进行实时跟踪、准确反映焊缝在各生产线设备中的运行状况，无论是对全线生产工艺情况的掌握、设备运行状态和动作的控制，预防断带事故的发生，提高产品生产的质量，还是对一级基础自动化系统的实时数据采集，二级过程控制系统设定值的计算和分发，处理过程中带钢数据的实时采集和分析都是十分重要的生产环节。如何达到生产效率高、焊缝位置判断准确、断带故障率低的目标成为生产的关键技术之一。

2、带钢跟踪的原理和方法

目前，对于连续式生产线上带钢的跟踪，主要有两种途径：一级系统的微观实物检测跟踪——焊缝跟踪，和二级系统的宏观区域跟踪——物料跟踪。通过两种途径得到的数值互相比较，从而达到互相验证、互相纠正的效果，使跟踪结果更加精确，实现更高的控制精度，并能够在HMI上显示全线的实时动态画面。

带钢的跟踪主要有两方面的作用：

（1）用于跟踪监视生产线上各带钢的实际位置，便于触发相关设备动作以及操作工掌握带钢的实时位置;

（2）将入口处获取的控制参数，如各区域张力、拉矫机延伸率等PDI数据随着带钢前进同步传递，使全线均能够根据当前位置带钢的特性进行相应的自动调节，生成PDO数据随带钢（钢卷）进入下一处理环节。

2.1 焊缝跟踪检测的工作原理及其主要作用

在连续式冷轧带钢工艺处理生产工序中，钢卷在入口段由开卷机开卷，经过焊机将前一个钢卷的带尾和后一个钢卷的带头焊接形成可连续生产的带钢，经过工艺段处理后，在出口段由出口剪切分卷取成新的成品卷。

带钢在完成相应的工艺处理过程中，由于有焊缝的存在，生产线上的关键设备如轧机、平整机、拉矫机和圆盘剪等在焊缝到来时要打开使带钢顺利通过，或者根据生产工艺需要及时准确地做出相应的机械动作。

带钢跟踪系统以焊缝检测为基础，通过计算焊縫与检测设备之间的距离对带钢在生产线上的运行状况及所处的位置进行跟踪。通过每个扫描周期所对应的带钢运行距离，并与机组上的各个分区联系起来，超过一个分区的距离，默认焊缝进入下一个分区，从而能够较精确的跟踪带钢焊缝在机组的位置，从而得到带钢的位置信息，并将实时采集的工艺数据与处在对应位置上的带钢对应起来，记录为带钢数据。这些保存的数据，为产品质量分析、工艺水平改善提供了可靠的依据。

同时，焊缝跟踪检测在生产过程中对连续生产的顺利进行、机组设备的保护、规定动作的完成都具有重要作用，例如：

（1）当焊缝通过光整机或者平整机这类轧制设备时，由于轧制力比较大，容易对焊缝产生影响，造成焊缝处断裂，形成断带事故。通过焊缝追踪检测系统，提前发出信号，在焊缝即将进入轧制设备前，将辊缝快速打开，或者切换到软轧制力模式进行轧制，保护轧辊设备，防止带钢断带，影响产线连续生产，提高效率;

（2）圆盘剪需要换刀或者焊缝前后带钢宽度规格发生变化的时候，要求焊缝必须准确的停在圆盘剪前，以便月牙剪在带钢边部剪切出月牙形，方便带钢通过圆盘剪;

（3）当焊缝通过拉矫机的时候，要求拉矫机辊缝打开，防止断带;

（4）出口段卷取机上钢卷卷取即将完毕时，出口段速度降低至爬行速度，要求当焊缝在出口剪处时产线准确停车，以便出口剪在焊缝处切分带钢形成成品卷。

2.2 使用焊缝检测仪进行焊缝检测的原理及特点

通常在全线的重要设备前都配置有焊缝检测仪，焊缝检测仪主要用于连续式生产线，通过检测连续式带钢焊缝附近的小孔达到检出焊缝的目的，准确跟踪焊缝在生产线上的对应位置。

焊缝检测仪由发射器和接收器两部分组成。带状钢板从发射器和接收器之间穿过，发射器通过线状分布的一系列凸透镜发射出一串经调制的红外线平行光。焊缝附近的小孔未到时，这些光束被钢板遮挡，不能到达接收器。当焊缝到达时，光线将通过焊缝附近的小孔被接收器接收到。接收器上同样有一系列的凸透镜，当接收器检测到移动的小孔时，它们将到达表面的平行光会聚到位于透镜焦点的红外探测器上，经光电转换、放大、滤波及其它一系列的信号处理，最终输出开关量的继电器触点信号或电平信号。

2.3 使用编码器进行焊缝检测的原理及特点

要实现焊缝跟踪，还可以通过编码器来计算焊缝的位置。编码器一般安装在不易打滑的张力辊上。根据张力辊旋转一周产生的脉冲数，即张力辊辊径和一个扫描周期中实际产生的脉冲数，即可得到这个扫描周期内带钢运行的长度。焊缝从焊机处到张力辊的距离是固定的，从而可以计算出某一特定时间内焊缝运行的相对位置。

在生产线的入口和出口一般都设有带钢活套。与生产线上其他固定位置的设备不同，活套内的带钢长度是在不断变化的。可以通过活套小车上安装的位置检测装置，即时得知小车所处的准确位置，从而计算出活套内存储的带钢长度。在跟踪计算的过程中，实时计算出活套内变化的带钢长度，即可得到其他设备相对固定的生产线工艺位置，从而跟踪焊缝通过不断变化的活套时的准确位置。

3. 焊缝跟踪检测信号故障原因分析及解决方法

3.1 焊缝跟踪检测信号故障的主要原因

焊缝跟踪检测信号故障原因分析起来主要有以下几种类型：

（1）一般情况下，焊机在将前后两卷带钢焊接完毕，形成焊缝后，会在焊缝的前面冲下一个焊孔。由于现场焊机的问题，经常会出现冲孔没有完成或被杂质堵住，导致焊缝检测仪追踪不到焊缝信号。

（2）由于张力辊长期使用，辊子表面磨损致使辊面摩擦系数降低，导致带钢与辊面有相对滑动，造成编码器计数误差，影响带钢追踪检测精度。

（3）带钢跑偏导致焊缝前冲压出来的小孔偏移出焊缝检测范围导致焊缝不能正常的被焊缝检测仪检测到。

（4）带钢本身有其他孔洞，并非是焊接时在焊缝前冲压的信号检测孔，在通过焊缝检测仪时导致跟踪信号错误。

（5）带钢在通过活套等非固定距离的设备时，由于带钢在活套内的长度是间接通过活套车的位置计算出来的，累计误差导致跟踪信号错误。

（6）带钢在通过拉矫机、平整机等设备时，由于张力和轧制的作用，带钢会产生一个小的延伸率，影响带钢长度，使通过编码器计算出来的带钢长度小于实际值，累计误差导致焊缝跟踪位置不准。

3.2 焊缝跟踪检测信号故障的解决方法

随着冷轧生产工艺设备水平的不断提高、完善和成熟，相应的自动化控制水平、信息化智能化水平也在不断的发展提高。随着我国工业互联网技术的不断发展创新，以及5G技术的开发利用，云计算、大数据、人工智能等新一代智能制造技术在钢铁领域的应用也越来越广泛和深入，在冶金行业生产和管理方面，都起到了越来越先进和高效的辅助校正焊缝跟踪的功能。

（1）开发适合各条生产线实际情况的新算法，以算法为基础，结合焊縫检测器修正、张力拉升补偿等传统修正方法所设计的焊缝跟踪子系统，对焊缝跟踪结果进行修正。同焊缝检测仪检测的信号结果相比较，互相印证或对结果进行修正，能够有效的避免出现上述所述的各种问题。

（2）有些企业人员配置比较充裕，也可以根据开卷机或者卷取机上的钢卷剩余大小来初步判定焊缝处的大概位置，在即将通过某些重要设备的时候，及时的做出相应的处理也可以避免带钢断带的事故发生。

（3）冷轧生产线的L1基础自动化系统和L2过程控制系统作为传统的自动化控制系统，在生产过程中具有焊缝跟踪和物料跟踪的比对功能。L1系统对生产线各个区域的生产实时数据进行高效采集，同时将必要的数据传输给L2系统，L2系统根据全线的生产情况、生产速度、生产节奏以及各设备的在线运行状态计算每条带钢在生产线上的运行位置。

L2系统的物料跟踪功能基于宏跟踪的方式，带钢以钢卷形式从生产线入口的第一个鞍座位置进行识别开始，到出口的最后一个鞍座识别结束，中间以焊接后的带钢形式出现在连续生产线上，跟踪覆盖入口区域、生产线区域和出口区域的整条生产线。跟踪过程中不断与L1系统焊缝跟踪结果进行互相校正修改，当发现与焊缝实际位置出现较大偏差时，需要在L2系统进行人工确认并进行相应操作，校对焊缝实际的准确位置及相关关键设备动作。最终L2系统根据准确的跟踪结果进行预设定值下达、数据采集等L2系统功能。

（4）未来钢铁智能制造的发展方向是在自动化的基础上，广泛应用大数据和人工智能技术，实现钢铁制造的智能化、智慧化。其中数字化工厂系统利用数字化、虚拟现实仿真、可视化、BIM技术以及GIS动态定位技术，以三维可视化模型为载体，借助智能调度大屏幕实现对整条生产线的一比一还原。

作為高科技的辅助手段，数字化工厂可实现和生产制造执行系统、能源管理系统、设备管理系统、物流管理系统对接，获取工厂的生产、物流、能源、设备、仪表、管线的静态资料以及动态运行信息。系统还可将DCS、PLC等SCADA系统的实绩运行参数进行实时显示和动作同步，保证三维虚拟工厂和实际工厂的一致性，打造数字化孪生工厂。

用户可在三维数字化工厂中动态查看全厂级、车间级和设备级的生产运行信息及相关三维模型。可将该生产线或设备的重要生产运行信息从数据库中获取并实时发送到三维模型的相关信息面板中，实现秒级的动态数据刷新，来动态跟踪各重要信息点的变化趋势和幅度，其中对于机组带钢的跟踪信息，也将在数字化工厂系统中更加真实形象的反馈出来，以此辅助带钢线上跟踪的实际需求。

4. 结束语

随着科技与时代的不断发展，冷轧连续式生产线的信息化、智能化管控已经成为了新的发展趋势，带钢跟踪的作用与意义也越来越重要，带钢的跟踪精度要求也越来越高。各种实用性高、准确性强的新算法在生产实践中也越来越准确的对带钢进行跟踪计算，为准确记录生产过程中的工艺状况、反映产品的详细工艺参数、调整优化产品结构及大数据质量分析提供了可能，为提高冷轧工艺的整体技术水平，为客户提供更多更优质的产品提供了依据。随着各方面软硬件水平的不断提高，带钢跟踪的准确性和先进性水平还将不断地提升。

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