熱軋卷塔形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

崔亞鋒，趙國(guó)明，張成斌

（鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司熱軋部，遼寧營(yíng)口 115007）

0 引言

熱軋生產(chǎn)線的鋼卷由于張力控制、卷取機(jī)側(cè)導(dǎo)板與帶鋼之間的間隙大、卷筒擴(kuò)張不到位等原因，導(dǎo)致鋼卷邊沿不整齊，超過(guò)最小許可值，其主要表現(xiàn)是帶鋼的邊沿在鋼卷兩側(cè)沒(méi)有對(duì)齊，或者鋼卷卷芯呈塔形，導(dǎo)致鋼卷在調(diào)運(yùn)、后續(xù)加工過(guò)程中產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題[1]。當(dāng)前熱軋成品塔形判斷主要靠質(zhì)檢人員根據(jù)工藝標(biāo)準(zhǔn)人工識(shí)別完成，識(shí)別作業(yè)區(qū)域需靠近成品鋼卷，所在環(huán)境油污大、溫度高，存在掉卷傷人風(fēng)險(xiǎn)，不利于安全生產(chǎn)。同時(shí)由于工作區(qū)域高溫、工作強(qiáng)度大，識(shí)別過(guò)程中受人為主觀因素影響，現(xiàn)場(chǎng)普遍存在識(shí)別失誤的情況，容易因反復(fù)吊運(yùn)造成吊破切損。現(xiàn)有識(shí)別措施易出現(xiàn)安全隱患和質(zhì)量事故，如能實(shí)現(xiàn)塔形自動(dòng)識(shí)別功能，可以由當(dāng)前的人工確認(rèn)塔形和操作封鎖轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)人智能化判斷與控制，識(shí)別準(zhǔn)確度高，能大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人工識(shí)別塔形過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)；監(jiān)控每個(gè)鋼卷的塔形，為產(chǎn)品后續(xù)加工提供塔形數(shù)據(jù)，以提高產(chǎn)量質(zhì)量、減少?gòu)U鋼，有必要在鋼卷下線后對(duì)鋼卷塔形形狀進(jìn)行檢測(cè)。

1 塔形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)綜述

1.1 設(shè)計(jì)思路

用高精度激光測(cè)距儀測(cè)量測(cè)距儀與鋼卷一側(cè)的距離，通過(guò)激光測(cè)距儀的移動(dòng)掃描測(cè)量鋼卷固定參考值之間的距離差（圖1）。由PLC 控制測(cè)距儀測(cè)量值并計(jì)算鋼卷內(nèi)外直徑和塔形，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的集成分析得出實(shí)際塔形狀況，并將鋼卷信息上傳到熱軋線一、二、三級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)。依據(jù)既定判據(jù)，熱軋操作可以將已判定封鎖的鋼卷進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人智能檢測(cè)塔形[2]。

圖1 塔形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)思路框架

1.2 工作原理

通過(guò)掃描半徑得出鋼卷半徑上的塔形數(shù)據(jù)，對(duì)于鞍鋼熱軋1580 生產(chǎn)線，鋼卷最大直徑2150 mm，分辨帶鋼厚度為1.0 mm（圖2）。塔形高度：

圖2 塔形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)原理

式中 Y——塔形的高度，m

L——激光測(cè)距儀到鋼卷中心線的距離，m，為固定值

W——鋼卷寬度，m，由二級(jí)系統(tǒng)下發(fā)

S——激光測(cè)距儀檢測(cè)距離，m

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由塔形測(cè)量系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、塔形分析系統(tǒng)三部分構(gòu)成：塔形測(cè)量系統(tǒng)位于運(yùn)輸鏈提升機(jī)鞍座處，是數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)；PLC 控制系統(tǒng)主要控制伺服電機(jī)走行，該系統(tǒng)和塔形分析系統(tǒng)均放置于電氣室內(nèi)，利用交換機(jī)接入現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，經(jīng)由現(xiàn)有二級(jí)控制系統(tǒng)通信和三級(jí)系統(tǒng)建立通信（圖3）。

圖3 塔形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 塔形測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)安裝在卷取機(jī)后的運(yùn)輸系統(tǒng)1#步進(jìn)梁固定鞍座處，由測(cè)量裝置和電氣控制柜組成。測(cè)量裝置由移動(dòng)裝置和激光測(cè)距儀組成。激光測(cè)距儀采用非接觸三角測(cè)量激光距離檢測(cè)器，檢測(cè)目標(biāo)耐高溫，檢測(cè)精度高，在有效檢測(cè)范圍內(nèi)，能檢測(cè)1.0 mm及以上的鋼板，檢測(cè)距離精度±1 mm。

測(cè)距儀采用非接觸式三角激光測(cè)量：測(cè)量時(shí)傳感器發(fā)出一束激光射到被測(cè)物表面上，光點(diǎn)通過(guò)鏡片成像到圖像傳感器（CCD）上（圖4、圖5）。

圖4 非接觸三角激光測(cè)距原理

圖5 掃描演示

2.2 塔形PLC 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于電機(jī)控制和檢測(cè)信號(hào)采集，并負(fù)責(zé)與一級(jí)PLC（上位機(jī)）通信等。PLC 采用西門(mén)子S7-300 系列，通過(guò)以太網(wǎng)同熱軋線一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和控制。S7-300是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的可編程序控制器（PLC）系列產(chǎn)品之一，該系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、模塊化結(jié)構(gòu)、性價(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗振動(dòng)沖擊性能好的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)通過(guò)一套SINAMICS S120 小型變頻器控制伺服電機(jī)，能夠滿足系統(tǒng)精確控制、響應(yīng)速度快的需求。

2.3 塔形分析系統(tǒng)

由一臺(tái)PC 工業(yè)電腦通過(guò)以太網(wǎng)與塔形PLC 控制系統(tǒng)連接，塔形PLC 控制系統(tǒng)將檢測(cè)的鋼卷塔形數(shù)據(jù)發(fā)送給塔形分析系統(tǒng)進(jìn)行曲線分析和統(tǒng)計(jì)，以便判定鋼卷的質(zhì)量。

塔形分析系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)獲得來(lái)自二級(jí)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的鋼卷號(hào)、卷徑、寬度、厚度等信息，并依據(jù)用戶設(shè)定進(jìn)行計(jì)算并反饋該鋼卷的塔形判定結(jié)果，傳送到現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，合格鋼卷進(jìn)入精整工序，可矯正鋼卷傳送到拍打器進(jìn)行塔形矯正。而封鎖鋼卷則經(jīng)由二級(jí)傳輸?shù)饺?jí)MES（Manufacturing Execution System，制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行管理系統(tǒng)），進(jìn)行鋼卷封鎖處理。在塔形分析系統(tǒng)工控機(jī)上，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期保留，便于日后查詢。該系統(tǒng)配置HMI（Human Machine Interface，人機(jī)接口）可編輯界面，方便直觀（圖6）。

圖6 塔形分析系統(tǒng)界面

3 控制功能設(shè)計(jì)

移動(dòng)測(cè)距儀自基準(zhǔn)點(diǎn)（鞍座基礎(chǔ)中心）開(kāi)始掃描，通過(guò)三角測(cè)距原理對(duì)鋼卷一側(cè)進(jìn)行測(cè)量。控制系統(tǒng)將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，形成鋼卷塔形數(shù)據(jù)。結(jié)合軋線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向塔形檢測(cè)系統(tǒng)下傳的鋼卷號(hào)、帶鋼寬度、鋼卷直徑等信息，形成數(shù)據(jù)庫(kù)文件。根據(jù)已設(shè)定判據(jù)直接送噴字機(jī)進(jìn)行噴號(hào)，通信到液壓拍打系統(tǒng)進(jìn)行拍打設(shè)定，做標(biāo)識(shí)位傳輸?shù)饺?jí)MES 系統(tǒng)按廢卷處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判定。其人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)塔形數(shù)據(jù)顯示、判據(jù)修改、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)維護(hù)，并能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總或者按照鋼卷品類(lèi)查詢，實(shí)現(xiàn)自由查詢和導(dǎo)出。

運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)際需求，還將對(duì)內(nèi)塔卷取不良、外塔卷取不良、凸塔形超值、斜塔形超值、內(nèi)外塔超值等進(jìn)行細(xì)分。同時(shí)，正在開(kāi)發(fā)計(jì)算鋼卷中心偏差量，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)梁偏卷檢測(cè)功能。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)2020 年4 月份試運(yùn)行，6 月份正式投入控制，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)塔形無(wú)人智能識(shí)別，規(guī)避原有識(shí)別方式的安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，提高成品產(chǎn)量，提升公司自動(dòng)化智能化水平。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，未投入塔形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)之前，因吊破而切掉的重量月平均238 t。新增熱軋塔形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)后，切損重量約能減少現(xiàn)有切損重量的1/4 左右，按照成品鋼卷與廢品之間的差價(jià)1100 元/噸計(jì)算，該項(xiàng)目實(shí)施后預(yù)期每年可以降低切損導(dǎo)致的78 萬(wàn)元。目前該設(shè)備剛剛投入運(yùn)行，實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益待數(shù)據(jù)分析論證得出。