IMS X_ray測(cè)厚儀自動(dòng)校準(zhǔn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡 光，吳 謹(jǐn)，李富年

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430080）

0 引言

在鋼鐵工業(yè)中，鋼板厚度的精度決定了鋼板的好壞。為了精確控制鋼板軋制的厚度，大多數(shù)企業(yè)采用德國(guó)IMS X_ray測(cè)厚儀。它是一種以X射線為載體的非接觸式厚度測(cè)量系統(tǒng)，在不接觸和無破壞的條件下完成對(duì)帶鋼的厚度測(cè)量，并且測(cè)量精度能達(dá)到1‰[1]，是目前較為先進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng)，其為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)能提供有力保證[2]。

IMS X_ray測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備有2個(gè)X射線管、64個(gè)X射線測(cè)量通道、2個(gè)激光射源和1個(gè)攝像頭，由1個(gè)單獨(dú)的水冷柜進(jìn)行水循環(huán)，以保持C型架和X射線管的正常工作溫度。

由于測(cè)厚儀工作時(shí)X射線管會(huì)發(fā)射大量X射線，在周期對(duì)測(cè)厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)板的更換工作都是由人工操作完成，長(zhǎng)時(shí)間在X射線環(huán)境下工作對(duì)人體會(huì)造成較大傷害。因此，每次在更換或添加標(biāo)準(zhǔn)板前都需將測(cè)厚儀斷電，待X射線消散后再進(jìn)行后續(xù)操作，這種校準(zhǔn)方式耗時(shí)長(zhǎng)、操作效率低、對(duì)設(shè)備損害嚴(yán)重。而日常周期檢修設(shè)備的時(shí)間有限，不能影響鋼鐵的產(chǎn)量。做一次全量程、所有通道的標(biāo)定需要16個(gè)小時(shí)以上（以CSP為例：64通道、標(biāo)定2mm～22mm共11塊，每4個(gè)通道進(jìn)行一次校準(zhǔn)，理論校準(zhǔn)最大值為共計(jì)需要32752次），因此只能在年修時(shí)完成。平時(shí)周期校驗(yàn)時(shí)只能選取部分通道進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣就會(huì)影響設(shè)備的測(cè)量精度和使用壽命。因此本文提出了一種自動(dòng)校準(zhǔn)控制系統(tǒng)來解決上述問題。經(jīng)過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠取代手工校準(zhǔn)，提高校準(zhǔn)效率。

1 系統(tǒng)功能

IMS X_ray測(cè)厚儀自動(dòng)校準(zhǔn)是基于對(duì)己知厚度的標(biāo)準(zhǔn)塊的測(cè)量值進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算來完成。標(biāo)準(zhǔn)板在X射線束下自動(dòng)定位，記錄每個(gè)校準(zhǔn)周期的數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)，確定厚度系統(tǒng)的復(fù)線性和函數(shù)關(guān)系，確保分析數(shù)據(jù)的可靠性。

目前IMS X_ray測(cè)厚系統(tǒng)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)板庫(kù)只有兩塊標(biāo)準(zhǔn)板，分別為2mm和14mm，能在使用過程中自動(dòng)完成對(duì)設(shè)備的全標(biāo)定。而目最先進(jìn)的東芝測(cè)厚儀其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)也只有8塊標(biāo)準(zhǔn)板。本文設(shè)計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)板庫(kù)擴(kuò)展為11塊標(biāo)準(zhǔn)板，其厚度為2mm～22mm，并能夠完成11塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動(dòng)校準(zhǔn)。

結(jié)合IMS X_ray測(cè)厚儀的構(gòu)造以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械的布局設(shè)計(jì)了自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的硬件模型，如圖1所示。

自動(dòng)標(biāo)定裝置的工藝及動(dòng)作要求：

1）手工將11塊標(biāo)準(zhǔn)板放置在標(biāo)準(zhǔn)板成列箱。

2）啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

3）取板和放板保證標(biāo)準(zhǔn)板平穩(wěn)。

圖1 自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的硬件構(gòu)造圖

4）如在取板或是回板過程中遇到異常，發(fā)送緊急信號(hào)，可編程控制器控制所有電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。待排除異常，啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

5）系統(tǒng)自動(dòng)按照程序完成第一塊標(biāo)準(zhǔn)板的校準(zhǔn)，完成后將標(biāo)準(zhǔn)板放回標(biāo)準(zhǔn)板成列箱，然后進(jìn)行第二塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動(dòng)校準(zhǔn)，以此類推，直至完成十一塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動(dòng)校準(zhǔn)。

6）系統(tǒng)復(fù)位。

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的工作流程圖，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)標(biāo)定裝置的工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件選型

在系統(tǒng)的硬件模型中可以看出，自動(dòng)標(biāo)定裝置完成一塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動(dòng)標(biāo)定需要四軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)來完成。設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)板陳列箱放置的不同厚度的11塊標(biāo)準(zhǔn)板間距均為2mm，所以系統(tǒng)的控制精度要求為0.1mm。

在工業(yè)控制中，PLC以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用。三菱FX3U系列PLC可以同時(shí)輸出控制3軸脈沖串，處理速度能夠達(dá)到0.065μs/基本指令，并且可以兼容擴(kuò)展FX-2N系列模塊[2]。所以選擇FX3U-80MT/ES晶體管型PLC和FX2N-1PG-E定位模塊來實(shí)現(xiàn)四軸的位置控制。

每軸的運(yùn)動(dòng)定位由電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿和電機(jī)的啟停實(shí)現(xiàn)；精確定位對(duì)電機(jī)性能要求較高，本項(xiàng)目的取板精度為0.1mm，在生產(chǎn)上屬于精密工藝。由于伺服電機(jī)的控制精度較高，通用17位伺服電機(jī)的理論控制精度能夠達(dá)到1μm，滿足項(xiàng)目要求，同時(shí)伺服電機(jī)在低速時(shí)不會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間更快，更適合快速啟停的控制場(chǎng)合[3]。本項(xiàng)目采用臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)ECMA-C20602SS和與之匹配的驅(qū)動(dòng)器ASD-B2-0221-B進(jìn)行電機(jī)定位。

3 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)造，整個(gè)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作需要四臺(tái)伺服電機(jī)，分別稱為：控制拖盤上下運(yùn)動(dòng)的電機(jī)、控制取板器左右水平運(yùn)動(dòng)的電機(jī)、控制吸取標(biāo)準(zhǔn)板上下運(yùn)動(dòng)的抓臂電機(jī)以及控制運(yùn)載標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)的電機(jī)。

四臺(tái)電機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，因此本文采取SFC編程，更加利于程序的模塊化?，F(xiàn)將各個(gè)電機(jī)的不同狀態(tài)現(xiàn)列于圖3所示。

圖3 四臺(tái)電機(jī)的狀態(tài)列表

結(jié)合硬件選型，圖4是為PLC的輸入輸出端口的分配表；自動(dòng)標(biāo)定裝置的各軸都裝有左右限位開關(guān)和原點(diǎn)開關(guān)以及伺服驅(qū)動(dòng)器反饋的零點(diǎn)信號(hào)，既可以防止伺服電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中與周邊裝置發(fā)生干涉，又可以隨時(shí)原點(diǎn)檢查保持高精度避免誤差累計(jì)。PLC通過控制電磁閥的動(dòng)作操作真空吸盤，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)板的抓取和釋放。

圖4 PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)分配

圖5 SFC程序流程圖

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置并不是簡(jiǎn)單的重復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)按照設(shè)計(jì)要求完成11塊標(biāo)準(zhǔn)板的校準(zhǔn)后，將組合不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)板來繼續(xù)校準(zhǔn)。目前設(shè)計(jì)的PLC程序能夠?qū)崿F(xiàn)11塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動(dòng)校準(zhǔn)，在以后的系統(tǒng)改進(jìn)要求能夠?qū)崿F(xiàn)多塊標(biāo)準(zhǔn)板的同時(shí)校準(zhǔn)。在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件下，加快取板回板速度，使自動(dòng)校準(zhǔn)裝置效率更高。另外，在手工編寫程序時(shí)必須單步過程模塊化，便于故障的排除以及程序的編寫。同時(shí)PLC的端口要有冗余，為防止端口損壞和后續(xù)增加模塊做準(zhǔn)備[4]。主程序要根據(jù)現(xiàn)有的條件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作流程。本PLC控制程序自動(dòng)標(biāo)定動(dòng)作下的主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置是為了解決鋼鐵工業(yè)中IMS X_ray測(cè)厚儀的手工校準(zhǔn)效率低，不能夠在每次周期檢修時(shí)完成全通道的校準(zhǔn)和校準(zhǔn)過程中測(cè)厚儀發(fā)射的X射線對(duì)人體危害較大等問題而設(shè)計(jì)的。經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)證明，較之前人工換板完成IMX X_ray測(cè)厚儀所有通道校準(zhǔn)所需的16小時(shí)，該自動(dòng)校準(zhǔn)裝置測(cè)量時(shí)間僅需2小時(shí)，并且能夠取代現(xiàn)場(chǎng)人工選板、換板操作，大大提高了校準(zhǔn)效率，使IMS X_ray測(cè)厚儀的全通道標(biāo)定在每次周期校驗(yàn)時(shí)就能完成，保證了帶鋼軋制厚度的精度，使測(cè)厚儀在最佳特性下工作；同時(shí)在同類型的測(cè)厚儀下可以很好的推廣應(yīng)用。

[1]萬(wàn)勝茲.IMS X射線測(cè)厚儀在天津鞍鋼天鐵1750mm軋機(jī)上的應(yīng)用[J].天津冶金,2012,3:50-51.

[2]任波偉,李樂榕,等.IMS公司測(cè)厚儀在寶鋼1420軋機(jī)上的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2007,9:97-99.

[3]FX3G.FX3U.FX3GC.FX3UC系列微型可編程控制器，編程手冊(cè)[Z].2012.

[4]臺(tái)達(dá)ASDA-B2系列伺服驅(qū)動(dòng)器及ECMA系列伺服馬達(dá)使用手冊(cè)[Z].2012.

[5]謝建新,王豪,徐文艷.基于PLC的自動(dòng)收板機(jī)的研制[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(6),114-117.