稱重傳感器在20輥軋機(jī)張力檢測與控制中的運用

楊蘊(yùn)鴻 李寶文 王棟慶

一、概述

寶鈦集團(tuán)有限公司20輥軋機(jī)是上世紀(jì)60年代末從德國引進(jìn)的生產(chǎn)帶、箔材的冷軋機(jī)設(shè)備。投產(chǎn)幾十年來，為我國有色金屬工業(yè)和國防現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。近幾年，該設(shè)備存在以下問題：張力系統(tǒng)頻繁紊亂，生產(chǎn)時經(jīng)常斷帶，使正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證；采用F-D機(jī)組控制方式，其傳動效率低，只有70%左右，造成極大的能源浪費；控制系統(tǒng)由分立元件構(gòu)成，故障率高，維修周期長。為了保證成品質(zhì)量，滿足市場需求，軋機(jī)的改造勢在必行，以實現(xiàn)精確的張力控制。目前，冷軋機(jī)和連續(xù)式冷軋機(jī)基本上采用帶張力軋制的方法，張力對提高冷軋板帶生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量很有利，但必須保持張力恒定，否則由于張力變化將引起軋制壓力變化，使軋件產(chǎn)生縱向厚度不均，因此必須嚴(yán)格地控制張力，而控制的前提條件是準(zhǔn)確、實時檢測張力。

二、原系統(tǒng)張力檢測

原系統(tǒng)為了提高檢測精度采用換擋檢測，傳感器安裝面板下裝有滑軌，當(dāng) 0～600N，600～6000N，6000N～50kN 時，對應(yīng)不同位置，每個位置裝有限位開關(guān)指示，在實際生產(chǎn)中，針對板帶材的張力需求，須先手動調(diào)整好張力檢測擋位，在同一批料不同的厚度時，也需要更改擋位。傳感器采用壓磁式測力傳感器，輸出功率大、內(nèi)阻低、抗干擾能力較強(qiáng)，但是測量精度不高。

經(jīng)過幾十年的運行，檢測機(jī)構(gòu)主要存在以下問題：

（1）生產(chǎn)過程中手動換擋，一旦失誤造成傳感器損傷或者測量值失真，無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝快速、連續(xù)、大批量軋制。

（2）由于60年代技術(shù)手段限制，以及多年運行傳感器質(zhì)量變差，無法滿足張力自動控制對測量精度要求。

（3）信號的綜合及輸出部分采用分立電子元器件構(gòu)成的直流高頻放大器，使參數(shù)嚴(yán)重偏移、穩(wěn)定性差，無法與數(shù)字控制系統(tǒng)對接。

三、張力檢測機(jī)構(gòu)改造

1.機(jī)械部分改造

（1）拆除舊系統(tǒng)張力測量機(jī)構(gòu)，在張力輥下兩側(cè)立板上垂直安裝Φ40mm固定軸，拆除舊檢測機(jī)構(gòu)中傳感器的固定件及導(dǎo)軌滑動裝置。

（2）原系統(tǒng)為了提高測量精度，減少“皮重”，張力檢測輥為空心輥，無法安裝帶材線速度的測量器件--編碼器，故將空心輥改為實心輥。

（3）張力檢測的傳感器受力機(jī)構(gòu)采用懸壁梁結(jié)構(gòu)（圖1），傳感器采用PGD傳感器，受力部分為點接觸。

（4）在張力輥側(cè)面支撐鋼板上安裝兩只彈簧，且彈簧的位置可上下調(diào)節(jié)，使懸壁梁與傳感器的接觸平面（圖1中的彈簧上壓面）自由落到彈簧上，調(diào)節(jié)兩側(cè)彈簧中心位置便可以使懸壁梁與傳感器壓面保持水平，即張力輥處于水平狀態(tài)，而且在斷帶或張力超荷時保護(hù)傳感器，避免過大變形而損傷。

2.張力檢測中傳感器的位置確定

如圖2所示，張力輥所受的總壓力Q與帶材張力T的關(guān)系為：

張力輥在垂直方向上的分力F為：

當(dāng)張力輥兩端只放一個張力傳感器時，則傳感器測出的張力為：

為了得到傳感器所受的壓力與實際張力大小相等，在設(shè)計懸壁梁時，通過力矩轉(zhuǎn)換可以確定出傳感器的具體位置Lx（圖3），公式如下：

3.張力傳感器及變送器的選擇

選用德國梅特勒—托利多公司的稱重傳感器來檢測張力，變送器選用PANTHER稱重終端。

PGD傳感器是過程稱重應(yīng)用中較常見的產(chǎn)品，具有安裝方便、性能穩(wěn)定、自動復(fù)位等功能。

主要結(jié)構(gòu)均為不銹鋼焊接密封。PANTHER稱重終端是梅特勒—托利多公司為化學(xué)工業(yè)、制藥、食品和其他過程工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的高品質(zhì)產(chǎn)品，采用△—∑模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字處理技術(shù)，為工業(yè)稱重需求提供稱重顯示、檢重、分選和定值控制等多種應(yīng)用方式。PANTHER稱重終端所獨具的Trax DSPTM數(shù)字濾波專利技術(shù)能實時地得到穩(wěn)定的重量值，即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境也可以通過調(diào)節(jié)稱重終端的參數(shù)而得到真實的重量數(shù)據(jù)，其工作原理框圖如圖4所示。

四、運行性能

系統(tǒng)在張力檢測機(jī)構(gòu)改造完成后經(jīng)過兩年多運行證明，改造效果良好，測量精度高于系統(tǒng)對張力的控制要求，反應(yīng)靈敏，可靠性高，去皮功能穩(wěn)定準(zhǔn)確，抗干擾抗沖擊能力強(qiáng)，操作簡單，熒光數(shù)碼管顯示醒目，與計算機(jī)和PLC的信號對接方便可靠，特別是采用稱重傳感器用作張力檢測器件的設(shè)計是一種大膽創(chuàng)新的方法。張力檢測系統(tǒng)改造前后的比較見表1。

表1 張力檢測系統(tǒng)改造前后性能對比