基于雷达波检测方法的处理线纠偏系统改进

刘 刚

(宝钢股份冷轧厂,上海 200941)

0 引言

对于冷轧连续生产线运行中的带钢,理论上带钢中心线要与机组中心线重合,并保持一致。然而,实际生产中的带钢并不能始终稳定运行在机组的中心线上,而是会产生一定程度的偏移[1-3]。这是因为来料的板型、焊缝位置、机组本身辊系等诸多方面,会导致跑偏问题始终存在。这制约了机组的顺利运行[4]。而且,一旦跑偏超出设备纠偏能力范围,会造成擦边断带的情况。因此,纠偏设备在保证机组的连续、稳定、高速运行中起到了至关重要的作用[5]。特别是有退火炉的处理线,还涉及炉内带钢的纠偏。这对保证炉况稳定和确保产品质量、性能很重要。纠偏设备的稳定性、有效性在处理线中作用突出,可以说是关键设备。

目前,一些国内的企业大多数使用日本和德国的进口设备。退火炉外的纠偏有采用国内纠偏厂家设备[6],使用情况基本正常。纠偏设备大多采用光电、电磁的检测形式。部分退火炉已开始采用雷达波的检测形式。

本文针对纠偏系统中的常见问题,结合纠偏设备的几种检测形式,通过对比优缺点,提出退火炉检测形式的改进方案。改进方案采用雷达波检测方式。雷达波检测方式运行稳定、维护方便,可有效提高退火炉内纠偏系统的检测稳定性。本文通过介绍雷达波的检测原理,并对各种检测方式作对比分析,为纠偏系统的选型、改造提供借鉴。

1 纠偏设备的检测方式

冷轧处理线的纠偏设备,也就是中心位置控制器(center position controller,CPC),是一个带钢对中控制系统[7]。其基本结构包括光电或电磁检测传感器、数字控制器、线性位移传感器、伺服阀或伺服电动缸以及纠偏辊[8]。以退火炉为界,纠编设备根据使用情况分为炉内纠偏设备和炉外纠偏设备。分类原则主要是考虑退火炉环境温度高,对设备的稳定性要求较高。检测方式目前有光电式检测和电磁感应式检测等。

光电式检测设备如图1所示。

图1 光电式检测设备示意图

由图1可知,设备采用移动光源检测设备,先通过镜头的移动达到寻边的目的,再通过两侧的检测偏差值执行纠偏动作。固定式光源检测的纠偏与移动式类似。检测元件采用固定式,通过检测光通量来判断带钢宽度以及边缘位置,并对比两侧偏差,以执行纠正带钢到中心线的动作。

退火炉固定光源式检测设备如图2所示。

图2 退火炉固定光源式检测设备示意图

电磁感应式检测设备如图3所示。

图3 电磁感应式检测设备示意图

由图3可知,为了检测金属带钢的中心位置,设备采用了两对传感器。这些传感器被安装在同机组中心相对称的位置。每对传感器分别用于检测带钢的一个边。一个传感器用作发射装置,则相对应的另一个用作接收装置。固定安装一个检测框架。框架内有两对传感器,通过两侧偏差值比较以达到纠偏的目的[9]。

CPC自动对中纠偏系统是一个连续的闭环式调节系统。虽然带钢位置测量传感器类型、信号处理方式等多种多样,但其纠偏原理和控制模式大同小异[10]。如前文所述,几个构成部分中,检测系统和执行机构的故障概率较大[6]。

随着设备的不断更新迭代,设备厂家推出了采用雷达波检测形式的纠偏设备,用于退火炉内纠偏。

雷达波检测设备如图4所示。

图4 雷达波检测设备示意图

图4中,校正棒在校正地安装在天线上。对于退火炉外的纠偏设备,目前的检测形式仍为光电式检测和电磁感应式检测。

2 纠偏系统的典型故障

2.1 检测器光源故障

光电式检测的主要问题是光源本身的稳定性。各厂家虽然都有特定技术,但在实际使用中受到成本压力等因素影响,会因为光源失效导致检测异常,进而出现故障[11]。

2.2 检测器故障

检测器本体故障发生概率较小,但在恶劣的工况影响下,控制板卡异常、移动式皮带老化损坏、电位计损坏等问题较为多发。这些问题会造成设备停用。电子元件长时间在工厂的高温、灰尘环境下使用。因此,老化损坏是考验设备寿命的重要因素,也是造成设备故障的主要原因。

2.3 执行机构故障

执行机构的异常一般分两类。液压控制的执行机构中,伺服阀故障概率较高。这主要是受到油品裂化的影响,会导致阀芯卡阻而无法正常动作。电动控制的执行机构中,变频器、电动缸故障较多。其处理方法是对故障设备进行更换。在某退火机组,设备安装在退火炉顶部,环境温度均在60 ℃以上,多次发生故障。故障原因多为:电动马达的抱闸整流模块失效导致电机无法动作;变频器因高温损坏;马达与电动缸体之间的接手受力损坏。上述这些比较常见的问题,都是由环境温度过高而引发的连锁反应。

3 问题改进

3.1 典型问题的改进

由图1可知,光电式检测因设备频繁动作、传动皮带磨损、检测镜头振动、移动电缆老化等,会导致纠偏设备无法正常工作。因此,现场设备已逐步改进为固定式检测形式或电磁感应式检测形式,以减少设备故障的发生频次。

高温区域的设备增设冷却系统降低环境温度,以提高设备稳定程度和寿命;同时,电动缸内的位置传感器改型为传统模拟量位置传感器,摒弃其原有的网络传输系统,大大提高了设备的稳定性。

问题及改进方法如表1所示。

表1 问题及改进方法

3.2 炉内雷达波检测的应用

冷轧处理线退火炉内的纠偏设备大多采用了电感应式检测形式。纠偏设备检测框架安装在退火炉内,贯穿炉体。框架内侧采用陶瓷材料隔离。但因炉内高温,随着使用年限的增长,检测框架积碳明显,状态裂化后导致检测框架接地并报故障,设备无法继续使用[12]。同时,因为检测框架安装位置都是在退火炉炉顶辊下部,检修位置较差,无法及时进行修复。若将检测框架拆卸,又涉及炉壁焊接、炉内保温材料整修等,修复流程较为复杂且耗时太长,且需要开炉进行处理,对产线正常生产影响很大。因此,雷达波检测形式应运而生。雷达波距离测量原理如图5所示。

图5 距离测量原理

雷达波测量以放大器为基准,通过天线发射到带钢边缘检测反馈回天线,最终得到带钢边缘与天线(常规天线的安装位置与炉壁内侧平齐)距离。单侧距离为:

(1)

式中:Lref1为单侧(天线到带钢边缘)距离;C为雷达波速度;T为雷达波传递时间,s;Tbase为信号放大器到天线的距离,为常数,因项目不同而不同。

同理可通过对侧距离得到Lref2。两侧距离偏差为:

ΔL=Lref1-Lref2

(2)

式中:Lref2为单侧(对称布置的天线到带钢边缘)的距离。

通过ΔL可判断带钢的偏移。根据ΔL,纠偏执行机构纠正带钢到机组中心的偏移,即控制ΔL为零以实现对中[6]。

雷达波检测形式的CPC设备中,其传感器由埋设在炉壁内部的天线发射电磁波,并通过从带钢边缘反射回来的电磁波的传输时间来测量带钢位置。这是一种新式传感器。其特点如下。

①不与带钢和炉内设备相互干扰,可以安全操作。

②不受炉内空气(粉尘、烟气)产生的污垢的影响。

③没有消耗品;体积小、重量轻,占用空间小,容易安装;免维护。

因为退火炉内已无检测设备,所以降低了炉内断带对检测框架造成损坏的风险。

目前,主流国外厂家都有各自的产品。产品性能对比如表2所示。

表2 性能对比

雷达波检测形式的新型号设备,在某钢厂处理线已投入九套。根据目前所反馈的使用效果,与光电式和电磁感应式设备相比,雷达波检测设备在控制精度和维护工作量上有着不小的优势。

4 结论

本文结合钢厂所选用的各种纠偏设备的特点,针对设备失效的典型问题作了分析比较。根据实际运行中的故障情况、近年来新技术的实际应用,本文从设备后期维护的角度出发给出了改进建议。雷达波检测方式不受环境影响、易于维护、没有消耗品,相较于其他检测形式有着技术上的天然优势。雷达波检测方式的稳定性特点,对于连续生产的处理线而言尤其重要。因此,基于雷达波检测方法的处理线纠偏系统改进对今后生产线纠偏技术性能提升有着很好的借鉴意义。