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超聲波傳感器在冷軋機(jī)中的應(yīng)用
  • 企業(yè):控制網(wǎng)     領(lǐng)域:工廠信息化     行業(yè):電子制造    
  • 點擊數(shù):2582     發(fā)布時間:2004-03-19 11:44:00
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寧炳軍   李獻(xiàn)國

1  前言

    在鋁帶冷軋機(jī)的電氣控制中,卷取張力控制是必不可少的。在張力控制中,無論張力矩的給定,還是動態(tài)補(bǔ)償力矩的計算都需要實時卷徑,所以卷徑計算是控制中極為重要的一環(huán)。

    目前,鋁軋機(jī)卷徑的測量大都為間接方式,即通過測量帶材線速度與卷筒轉(zhuǎn)速來推算出卷徑:

       (1)

    式中V為卷取(開卷)側(cè)帶材線速度,m/s;i為卷取(開卷)機(jī)械齒輪箱傳動比;n為卷取(開卷)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,r/min。

    測量帶材線速度的方法有兩種,一是直接測量法,如激光測量法,基于經(jīng)濟(jì)條件和使用環(huán)境限制,目前還很少使用;二是間接測量法,也就是當(dāng)前經(jīng)常使用的在偏導(dǎo)輥上安裝一個同軸轉(zhuǎn)速傳感器,通過測量偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速求出帶材線速度的方法,其計算公式為:   (2)

    式中nP為偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速,r/min;DP為偏導(dǎo)輥的直徑,m。

    正常情況時,用式(1)計算出的卷徑是準(zhǔn)確的。但是,在實際應(yīng)用時,往往出現(xiàn)下列幾種情況,如按上述方法計算卷徑,則存在著一定的缺陷和困難。

    (1)偏導(dǎo)輥打滑
    由于鋁帶冷軋機(jī)的特點,在同一臺軋機(jī)上要進(jìn)行多個道次的軋制才能完成產(chǎn)品生產(chǎn)。期間,帶材的厚度變化達(dá)幾十倍,張力的變化也很大,同時各道次的工藝潤滑也不相同。結(jié)果在某些條件下,特別是帶材較薄或加、減速時,偏導(dǎo)輥會產(chǎn)生不同程度的打滑現(xiàn)象,從而使線速度的測量值不準(zhǔn)確。這會造成卷徑計算值出現(xiàn)偏差,與實際卷徑不符,輕則引起張力波動,影響帶材質(zhì)量,重則導(dǎo)致斷帶。

    (2)偏導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速傳感器安裝困難
    在鋁箔軋機(jī)中,出口帶材最小可到0.007mm,帶材張力較小,偏導(dǎo)輥和帶材之間的摩擦力也較小。為盡量減少打滑,減小偏導(dǎo)棍自身的轉(zhuǎn)動慣量是有效的方法之一。所以,偏導(dǎo)棍一般都是空心的。另外,在一個空心的偏導(dǎo)棍上安裝同軸的轉(zhuǎn)速傳感器非常困難,設(shè)備專業(yè)也希望采用別的測量方法。

    (3)初始卷徑需人工置入
    在開卷機(jī)一側(cè),帶材的初始卷徑需要置入控制系統(tǒng),目前大都為人工置入。這需要操作手認(rèn)真置入,不僅繁瑣而且操作手經(jīng)常忘記或置錯,這都將影響軋制時的張力控制。

2  超聲波測量卷徑的方法

    為了解決上述缺陷和困難,目前,在冷軋機(jī)中采用超聲波傳感器來直接測量開卷側(cè)卷徑,再計算出卷取側(cè)卷徑的方法。

2.1超聲波測量的基本原理

    超聲波傳感器包括三個部分:超聲換能器、處理單元和輸出級,如圖1所示。

    首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵,其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波,接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)(相當(dāng)于一個麥克風(fēng)),處理單元對接收到的超聲波脈沖進(jìn)行分析,判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是,就測量超聲波的行程時間,根據(jù)測量的時間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。

圖1  超聲波測量的基本原理圖

    把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對準(zhǔn)鋁卷卷徑變化方向發(fā)射超聲波,就可測量帶卷表面與傳感器的距離,經(jīng)過處理可得到帶卷的直徑。

2.2 環(huán)境對超聲波測量的影響

    (1)空氣溫度的影響
    聲波行程時間受氣溫的影響程度為0.17%/K。也就是說40℃時的聲速相對于20℃時改變了+3.4%,因此測量距離也會改變約+3.4%。但如果選用的超聲波傳感器中有溫度補(bǔ)償功能,此影響可忽略不計。

    (2)空氣濕度的影響
    從干燥的空氣到飽和濕度的空氣中,聲速最多增加2%。因此測量距離改變最大也只有2%。實際現(xiàn)場中,空氣濕度變化不會如此大,此影響一般小于1%。

    (3)空氣壓力的影響
    在一固定地點,正常情況下的氣壓波動為±5%,會造成聲速波動約±0.6%。

    (4)氣流影響
    當(dāng)風(fēng)速大于50km/h時,聲波速度及方向的改變會大于3%。在現(xiàn)場使用中,只有靠近帶材表面的幾厘米的氣流有可能大于20km/h,且垂直于測量方向,故對測量結(jié)果的影響可忽略。

    (5)軋制油霧的影響
    只要防止油霧沉降在超聲換能器的有效表面上,就可避免它的影響。

2.3 測量開卷側(cè)卷徑

    目前鋁軋機(jī)鋁卷的卷徑變化范圍一般為0.5m到1.7m,由于超聲波測量的是鋁卷的半徑,所以超聲波傳感器的工作范圍應(yīng)滿足大于為(1.7-0.5)/2=0.6m。再考慮到安裝位置和安全距離以及傳感器的盲區(qū),超聲波傳感器到卷軸表面的距離一般應(yīng)大于1.5m,故其測量距離應(yīng)大于1.5m。經(jīng)過選擇,確定用德國P+F公司的傳感器,具體型號為UC2000-30GM-IU-V1,其主要參數(shù)見表1。

表1  超聲波傳感器的主要參數(shù)

    測量開卷卷徑的超聲波傳感器安裝在開卷機(jī)地溝的外側(cè),既便于安裝調(diào)試,又容易測量,如圖2所示。

圖2  超聲波傳感器安裝位置示意圖

    選擇傳感器的輸出為電壓輸出,直接連到全數(shù)字傳動裝置上。整定傳感器的輸出,當(dāng)最大卷徑(1.70m)時電壓為10V,當(dāng)最小卷徑(0.54m)時電壓為0V。這樣當(dāng)輸出電壓為U時,數(shù)字裝置經(jīng)過計算可知當(dāng)前卷徑D。

       (3)

2.4 卷取側(cè)卷徑的計算

    在軋制過程中,由于帶材寬度基本不變,只是厚度變化,帶材的縱向截面與卷筒的截面之和基本上是一個常數(shù)。基于這一規(guī)律,在完成初始卷徑設(shè)置后,這個常數(shù)為:

         (4)

    式中D0為開卷機(jī)初始卷徑,m;d0為卷取機(jī)初始卷徑,m;D為開卷機(jī)軋制時的卷徑,m;d為卷取機(jī)軋制時的卷徑,m。

    由式(4)可知,在軋制中,只要知道卷取或開卷中任一側(cè)的卷徑值,即可推算出另一側(cè)的卷徑值:

       (5)

        (6)

    由于開卷側(cè)的卷徑D已由超聲波傳感器測得,所以可由式(6)計算出卷取側(cè)的卷徑。

2.5 初始卷徑自動置入

    由于超聲波傳感器上電后一直投入工作,可利用上卷后卷軸漲緊命令,作為初始卷徑置入信號,從而完成卷徑的自動置入。

3  減少偏差的方法

    由于超聲波測量卷徑是直接測量,一旦在傳感器和鋁卷之間有其他物品(一般都是瞬間存在),卷徑就會產(chǎn)生瞬間變化(偏差),會影響張力恒定。卷徑這種瞬間變化就是測量的卷徑值從某一值變大,再從大變回。而實際開卷卷徑是從大變到小,漸進(jìn)變化。為了克服這種瞬間變化,可采用本次測量值與上次測量結(jié)果相比較,誰小用誰,如式(7)處理。

    DK=min(DJ,DK-1)   (7)

    式中DJ為用式(3)計算的本次卷徑計算值;DK-1為上次測量計算的卷徑;DK為本次測量計算的卷徑。

    另外,在軋制中,實際卷徑既不可能超過最大卷徑DMAX,也不可能小于卷筒的直徑DMIN。所以計算結(jié)果都應(yīng)該限制在此范圍內(nèi),每次計算結(jié)果最終取值可用下式限制。

    D,K=min[max(DK,DMIN),DMAX]   (8)

4  結(jié)語

    超聲波測量卷徑技術(shù)及上述處理方法經(jīng)過在華益1 400mm等多臺鋁帶冷軋機(jī)的卷徑計算上的實際應(yīng)用,取得了很好效果。實踐表明:

①  測量裝置工作穩(wěn)定,卷徑測量誤差小于5mm,其精確性完全滿足系統(tǒng)控制要求。

②  卷徑的自動置入,簡化了操作步驟,減小了輔助時間。

③  與常規(guī)的卷徑測量計算方法相比,采用超聲波傳感器簡化了電氣系統(tǒng)設(shè)計,不用安裝偏導(dǎo)輥測速裝置,可廣泛應(yīng)用于熱軋機(jī)、冷軋機(jī)、鋁箔軋機(jī)中。

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