對(duì)于連續(xù)式生產(chǎn)線帶鋼跟蹤方法的研究

隋靜博 王赤

摘要：本文介紹了冷軋工藝連續(xù)生產(chǎn)線中帶鋼跟蹤的主要方法，以及焊縫跟蹤的基本原理和作用，結(jié)合連續(xù)式生產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備特性，闡述了冷軋帶鋼在連續(xù)式生產(chǎn)線中焊縫檢測(cè)的多種方法及原理。分析了焊縫跟蹤檢測(cè)信號(hào)故障的常見(jiàn)原因，并總結(jié)了當(dāng)前主流校正解決焊縫跟蹤檢測(cè)信號(hào)故障的解決方法和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：焊縫跟蹤;檢測(cè)方法;信號(hào)故障;跟蹤校正

Abstract： This article introduces the main methods of strip tracking in the continuous production line of cold rolling process， as well as the basic principle and function of weld tracking. Combined with the characteristics of the production equipment of the continuous production line， this article expounds various methods and principles of weld detection of cold rolled strip in the continuous production line. The common causes of weld tracking detection signal faults are analyzed， and the current mainstream correction methods and relevant experience to solve weld tracking detection signal faults are summarized.

Key Words： Welded seam tracking; Detection method; Signal fault; Tracking correction;

正文：

1、引言

隨著我國(guó)冷軋技術(shù)的不斷成熟，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求的一路高漲，市場(chǎng)對(duì)適用于生產(chǎn)汽車、家電、建筑結(jié)構(gòu)及輕工五金等行業(yè)的冷軋、熱鍍鋅等高技術(shù)含量、高附加值的板材產(chǎn)品的需求量也持續(xù)增長(zhǎng)。

目前我國(guó)冷軋帶鋼的生產(chǎn)工藝和裝備技術(shù)均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)水平，連續(xù)式生產(chǎn)機(jī)組的應(yīng)用成為冷軋生產(chǎn)的主要方式。連續(xù)式生產(chǎn)線具有產(chǎn)量大、效率高、質(zhì)量好、勞動(dòng)定員少、節(jié)省占地面積和投資等多種優(yōu)點(diǎn)，能夠使生產(chǎn)企業(yè)迅速占領(lǐng)目標(biāo)市場(chǎng)。

隨著冷軋自動(dòng)化控制水平和帶鋼表面質(zhì)量要求的不斷提高，在冷軋機(jī)組全線自動(dòng)化、無(wú)人化的控制過(guò)程中，對(duì)線上帶鋼的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)、設(shè)定值下達(dá)和監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性都提出了更高的要求。這其中作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)的一項(xiàng)就是對(duì)線上帶鋼進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤定位。目前世界先進(jìn)的控制系統(tǒng)多采用焊縫跟蹤加輔助手段修正的方法對(duì)線上帶鋼進(jìn)行有效、實(shí)時(shí)的跟蹤監(jiān)控。

連續(xù)式生產(chǎn)機(jī)組一般在機(jī)組入口段設(shè)置激光焊機(jī)或者窄搭接焊機(jī)，原料卷上料后經(jīng)過(guò)開(kāi)卷機(jī)開(kāi)卷，直頭并切除帶鋼頭尾超差部分后，由焊機(jī)將前一卷帶鋼尾部與后一卷帶鋼頭部進(jìn)行焊接，然后進(jìn)入機(jī)組進(jìn)行工藝處理，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)。處理后的帶鋼經(jīng)機(jī)組出口段卷取機(jī)進(jìn)行卷取，根據(jù)產(chǎn)品卷的重量或長(zhǎng)度要求，由出口段飛剪進(jìn)行分卷，剪掉焊接點(diǎn)——焊縫，生產(chǎn)進(jìn)行期間，焊縫也隨著帶鋼一起在生產(chǎn)線上運(yùn)行。

連續(xù)式生產(chǎn)一般會(huì)有多個(gè)鋼卷同時(shí)在線進(jìn)行處理，能夠準(zhǔn)確地對(duì)每個(gè)鋼卷的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、準(zhǔn)確反映焊縫在各生產(chǎn)線設(shè)備中的運(yùn)行狀況，無(wú)論是對(duì)全線生產(chǎn)工藝情況的掌握、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)作的控制，預(yù)防斷帶事故的發(fā)生，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，還是對(duì)一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，二級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)定值的計(jì)算和分發(fā)，處理過(guò)程中帶鋼數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析都是十分重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。如何達(dá)到生產(chǎn)效率高、焊縫位置判斷準(zhǔn)確、斷帶故障率低的目標(biāo)成為生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、帶鋼跟蹤的原理和方法

目前，對(duì)于連續(xù)式生產(chǎn)線上帶鋼的跟蹤，主要有兩種途徑：一級(jí)系統(tǒng)的微觀實(shí)物檢測(cè)跟蹤——焊縫跟蹤，和二級(jí)系統(tǒng)的宏觀區(qū)域跟蹤——物料跟蹤。通過(guò)兩種途徑得到的數(shù)值互相比較，從而達(dá)到互相驗(yàn)證、互相糾正的效果，使跟蹤結(jié)果更加精確，實(shí)現(xiàn)更高的控制精度，并能夠在HMI上顯示全線的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)畫面。

帶鋼的跟蹤主要有兩方面的作用：

（1）用于跟蹤監(jiān)視生產(chǎn)線上各帶鋼的實(shí)際位置，便于觸發(fā)相關(guān)設(shè)備動(dòng)作以及操作工掌握帶鋼的實(shí)時(shí)位置;

（2）將入口處獲取的控制參數(shù)，如各區(qū)域張力、拉矯機(jī)延伸率等PDI數(shù)據(jù)隨著帶鋼前進(jìn)同步傳遞，使全線均能夠根據(jù)當(dāng)前位置帶鋼的特性進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，生成PDO數(shù)據(jù)隨帶鋼（鋼卷）進(jìn)入下一處理環(huán)節(jié)。

2.1 焊縫跟蹤檢測(cè)的工作原理及其主要作用

在連續(xù)式冷軋帶鋼工藝處理生產(chǎn)工序中，鋼卷在入口段由開(kāi)卷機(jī)開(kāi)卷，經(jīng)過(guò)焊機(jī)將前一個(gè)鋼卷的帶尾和后一個(gè)鋼卷的帶頭焊接形成可連續(xù)生產(chǎn)的帶鋼，經(jīng)過(guò)工藝段處理后，在出口段由出口剪切分卷取成新的成品卷。

帶鋼在完成相應(yīng)的工藝處理過(guò)程中，由于有焊縫的存在，生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備如軋機(jī)、平整機(jī)、拉矯機(jī)和圓盤剪等在焊縫到來(lái)時(shí)要打開(kāi)使帶鋼順利通過(guò)，或者根據(jù)生產(chǎn)工藝需要及時(shí)準(zhǔn)確地做出相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作。

帶鋼跟蹤系統(tǒng)以焊縫檢測(cè)為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算焊縫與檢測(cè)設(shè)備之間的距離對(duì)帶鋼在生產(chǎn)線上的運(yùn)行狀況及所處的位置進(jìn)行跟蹤。通過(guò)每個(gè)掃描周期所對(duì)應(yīng)的帶鋼運(yùn)行距離，并與機(jī)組上的各個(gè)分區(qū)聯(lián)系起來(lái)，超過(guò)一個(gè)分區(qū)的距離，默認(rèn)焊縫進(jìn)入下一個(gè)分區(qū)，從而能夠較精確的跟蹤帶鋼焊縫在機(jī)組的位置，從而得到帶鋼的位置信息，并將實(shí)時(shí)采集的工藝數(shù)據(jù)與處在對(duì)應(yīng)位置上的帶鋼對(duì)應(yīng)起來(lái)，記錄為帶鋼數(shù)據(jù)。這些保存的數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品質(zhì)量分析、工藝水平改善提供了可靠的依據(jù)。

同時(shí)，焊縫跟蹤檢測(cè)在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的順利進(jìn)行、機(jī)組設(shè)備的保護(hù)、規(guī)定動(dòng)作的完成都具有重要作用，例如：

（1）當(dāng)焊縫通過(guò)光整機(jī)或者平整機(jī)這類軋制設(shè)備時(shí)，由于軋制力比較大，容易對(duì)焊縫產(chǎn)生影響，造成焊縫處斷裂，形成斷帶事故。通過(guò)焊縫追蹤檢測(cè)系統(tǒng)，提前發(fā)出信號(hào)，在焊縫即將進(jìn)入軋制設(shè)備前，將輥縫快速打開(kāi)，或者切換到軟軋制力模式進(jìn)行軋制，保護(hù)軋輥設(shè)備，防止帶鋼斷帶，影響產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)，提高效率;

（2）圓盤剪需要換刀或者焊縫前后帶鋼寬度規(guī)格發(fā)生變化的時(shí)候，要求焊縫必須準(zhǔn)確的停在圓盤剪前，以便月牙剪在帶鋼邊部剪切出月牙形，方便帶鋼通過(guò)圓盤剪;

（3）當(dāng)焊縫通過(guò)拉矯機(jī)的時(shí)候，要求拉矯機(jī)輥縫打開(kāi)，防止斷帶;

（4）出口段卷取機(jī)上鋼卷卷取即將完畢時(shí)，出口段速度降低至爬行速度，要求當(dāng)焊縫在出口剪處時(shí)產(chǎn)線準(zhǔn)確停車，以便出口剪在焊縫處切分帶鋼形成成品卷。

2.2 使用焊縫檢測(cè)儀進(jìn)行焊縫檢測(cè)的原理及特點(diǎn)

通常在全線的重要設(shè)備前都配置有焊縫檢測(cè)儀，焊縫檢測(cè)儀主要用于連續(xù)式生產(chǎn)線，通過(guò)檢測(cè)連續(xù)式帶鋼焊縫附近的小孔達(dá)到檢出焊縫的目的，準(zhǔn)確跟蹤焊縫在生產(chǎn)線上的對(duì)應(yīng)位置。

焊縫檢測(cè)儀由發(fā)射器和接收器兩部分組成。帶狀鋼板從發(fā)射器和接收器之間穿過(guò)，發(fā)射器通過(guò)線狀分布的一系列凸透鏡發(fā)射出一串經(jīng)調(diào)制的紅外線平行光。焊縫附近的小孔未到時(shí)，這些光束被鋼板遮擋，不能到達(dá)接收器。當(dāng)焊縫到達(dá)時(shí)，光線將通過(guò)焊縫附近的小孔被接收器接收到。接收器上同樣有一系列的凸透鏡，當(dāng)接收器檢測(cè)到移動(dòng)的小孔時(shí)，它們將到達(dá)表面的平行光會(huì)聚到位于透鏡焦點(diǎn)的紅外探測(cè)器上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波及其它一系列的信號(hào)處理，最終輸出開(kāi)關(guān)量的繼電器觸點(diǎn)信號(hào)或電平信號(hào)。

2.3 使用編碼器進(jìn)行焊縫檢測(cè)的原理及特點(diǎn)

要實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，還可以通過(guò)編碼器來(lái)計(jì)算焊縫的位置。編碼器一般安裝在不易打滑的張力輥上。根據(jù)張力輥旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即張力輥輥徑和一個(gè)掃描周期中實(shí)際產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即可得到這個(gè)掃描周期內(nèi)帶鋼運(yùn)行的長(zhǎng)度。焊縫從焊機(jī)處到張力輥的距離是固定的，從而可以計(jì)算出某一特定時(shí)間內(nèi)焊縫運(yùn)行的相對(duì)位置。

在生產(chǎn)線的入口和出口一般都設(shè)有帶鋼活套。與生產(chǎn)線上其他固定位置的設(shè)備不同，活套內(nèi)的帶鋼長(zhǎng)度是在不斷變化的。可以通過(guò)活套小車上安裝的位置檢測(cè)裝置，即時(shí)得知小車所處的準(zhǔn)確位置，從而計(jì)算出活套內(nèi)存儲(chǔ)的帶鋼長(zhǎng)度。在跟蹤計(jì)算的過(guò)程中，實(shí)時(shí)計(jì)算出活套內(nèi)變化的帶鋼長(zhǎng)度，即可得到其他設(shè)備相對(duì)固定的生產(chǎn)線工藝位置，從而跟蹤焊縫通過(guò)不斷變化的活套時(shí)的準(zhǔn)確位置。

3. 焊縫跟蹤檢測(cè)信號(hào)故障原因分析及解決方法

3.1 焊縫跟蹤檢測(cè)信號(hào)故障的主要原因

焊縫跟蹤檢測(cè)信號(hào)故障原因分析起來(lái)主要有以下幾種類型：

（1）一般情況下，焊機(jī)在將前后兩卷帶鋼焊接完畢，形成焊縫后，會(huì)在焊縫的前面沖下一個(gè)焊孔。由于現(xiàn)場(chǎng)焊機(jī)的問(wèn)題，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)沖孔沒(méi)有完成或被雜質(zhì)堵住，導(dǎo)致焊縫檢測(cè)儀追蹤不到焊縫信號(hào)。

（2）由于張力輥長(zhǎng)期使用，輥?zhàn)颖砻婺p致使輥面摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致帶鋼與輥面有相對(duì)滑動(dòng)，造成編碼器計(jì)數(shù)誤差，影響帶鋼追蹤檢測(cè)精度。

（3）帶鋼跑偏導(dǎo)致焊縫前沖壓出來(lái)的小孔偏移出焊縫檢測(cè)范圍導(dǎo)致焊縫不能正常的被焊縫檢測(cè)儀檢測(cè)到。

（4）帶鋼本身有其他孔洞，并非是焊接時(shí)在焊縫前沖壓的信號(hào)檢測(cè)孔，在通過(guò)焊縫檢測(cè)儀時(shí)導(dǎo)致跟蹤信號(hào)錯(cuò)誤。

（5）帶鋼在通過(guò)活套等非固定距離的設(shè)備時(shí)，由于帶鋼在活套內(nèi)的長(zhǎng)度是間接通過(guò)活套車的位置計(jì)算出來(lái)的，累計(jì)誤差導(dǎo)致跟蹤信號(hào)錯(cuò)誤。

（6）帶鋼在通過(guò)拉矯機(jī)、平整機(jī)等設(shè)備時(shí)，由于張力和軋制的作用，帶鋼會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的延伸率，影響帶鋼長(zhǎng)度，使通過(guò)編碼器計(jì)算出來(lái)的帶鋼長(zhǎng)度小于實(shí)際值，累計(jì)誤差導(dǎo)致焊縫跟蹤位置不準(zhǔn)。

3.2 焊縫跟蹤檢測(cè)信號(hào)故障的解決方法

隨著冷軋生產(chǎn)工藝設(shè)備水平的不斷提高、完善和成熟，相應(yīng)的自動(dòng)化控制水平、信息化智能化水平也在不斷的發(fā)展提高。隨著我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，以及5G技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代智能制造技術(shù)在鋼鐵領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛和深入，在冶金行業(yè)生產(chǎn)和管理方面，都起到了越來(lái)越先進(jìn)和高效的輔助校正焊縫跟蹤的功能。

（1）開(kāi)發(fā)適合各條生產(chǎn)線實(shí)際情況的新算法，以算法為基礎(chǔ)，結(jié)合焊縫檢測(cè)器修正、張力拉升補(bǔ)償?shù)葌鹘y(tǒng)修正方法所設(shè)計(jì)的焊縫跟蹤子系統(tǒng)，對(duì)焊縫跟蹤結(jié)果進(jìn)行修正。同焊縫檢測(cè)儀檢測(cè)的信號(hào)結(jié)果相比較，互相印證或?qū)Y(jié)果進(jìn)行修正，能夠有效的避免出現(xiàn)上述所述的各種問(wèn)題。

（2）有些企業(yè)人員配置比較充裕，也可以根據(jù)開(kāi)卷機(jī)或者卷取機(jī)上的鋼卷剩余大小來(lái)初步判定焊縫處的大概位置，在即將通過(guò)某些重要設(shè)備的時(shí)候，及時(shí)的做出相應(yīng)的處理也可以避免帶鋼斷帶的事故發(fā)生。

（3）冷軋生產(chǎn)線的L1基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和L2過(guò)程控制系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)過(guò)程中具有焊縫跟蹤和物料跟蹤的比對(duì)功能。L1系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線各個(gè)區(qū)域的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效采集，同時(shí)將必要的數(shù)據(jù)傳輸給L2系統(tǒng)，L2系統(tǒng)根據(jù)全線的生產(chǎn)情況、生產(chǎn)速度、生產(chǎn)節(jié)奏以及各設(shè)備的在線運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算每條帶鋼在生產(chǎn)線上的運(yùn)行位置。

L2系統(tǒng)的物料跟蹤功能基于宏跟蹤的方式，帶鋼以鋼卷形式從生產(chǎn)線入口的第一個(gè)鞍座位置進(jìn)行識(shí)別開(kāi)始，到出口的最后一個(gè)鞍座識(shí)別結(jié)束，中間以焊接后的帶鋼形式出現(xiàn)在連續(xù)生產(chǎn)線上，跟蹤覆蓋入口區(qū)域、生產(chǎn)線區(qū)域和出口區(qū)域的整條生產(chǎn)線。跟蹤過(guò)程中不斷與L1系統(tǒng)焊縫跟蹤結(jié)果進(jìn)行互相校正修改，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與焊縫實(shí)際位置出現(xiàn)較大偏差時(shí)，需要在L2系統(tǒng)進(jìn)行人工確認(rèn)并進(jìn)行相應(yīng)操作，校對(duì)焊縫實(shí)際的準(zhǔn)確位置及相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備動(dòng)作。最終L2系統(tǒng)根據(jù)準(zhǔn)確的跟蹤結(jié)果進(jìn)行預(yù)設(shè)定值下達(dá)、數(shù)據(jù)采集等L2系統(tǒng)功能。

（4）未來(lái)鋼鐵智能制造的發(fā)展方向是在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，廣泛應(yīng)用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼鐵制造的智能化、智慧化。其中數(shù)字化工廠系統(tǒng)利用數(shù)字化、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、可視化、BIM技術(shù)以及GIS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，以三維可視化模型為載體，借助智能調(diào)度大屏幕實(shí)現(xiàn)對(duì)整條生產(chǎn)線的一比一還原。

作為高科技的輔助手段，數(shù)字化工廠可實(shí)現(xiàn)和生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)對(duì)接，獲取工廠的生產(chǎn)、物流、能源、設(shè)備、儀表、管線的靜態(tài)資料以及動(dòng)態(tài)運(yùn)行信息。系統(tǒng)還可將DCS、PLC等SCADA系統(tǒng)的實(shí)績(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和動(dòng)作同步，保證三維虛擬工廠和實(shí)際工廠的一致性，打造數(shù)字化孿生工廠。

用戶可在三維數(shù)字化工廠中動(dòng)態(tài)查看全廠級(jí)、車間級(jí)和設(shè)備級(jí)的生產(chǎn)運(yùn)行信息及相關(guān)三維模型。可將該生產(chǎn)線或設(shè)備的重要生產(chǎn)運(yùn)行信息從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取并實(shí)時(shí)發(fā)送到三維模型的相關(guān)信息面板中，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)刷新，來(lái)動(dòng)態(tài)跟蹤各重要信息點(diǎn)的變化趨勢(shì)和幅度，其中對(duì)于機(jī)組帶鋼的跟蹤信息，也將在數(shù)字化工廠系統(tǒng)中更加真實(shí)形象的反饋出來(lái)，以此輔助帶鋼線上跟蹤的實(shí)際需求。

4. 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技與時(shí)代的不斷發(fā)展，冷軋連續(xù)式生產(chǎn)線的信息化、智能化管控已經(jīng)成為了新的發(fā)展趨勢(shì)，帶鋼跟蹤的作用與意義也越來(lái)越重要，帶鋼的跟蹤精度要求也越來(lái)越高。各種實(shí)用性高、準(zhǔn)確性強(qiáng)的新算法在生產(chǎn)實(shí)踐中也越來(lái)越準(zhǔn)確的對(duì)帶鋼進(jìn)行跟蹤計(jì)算，為準(zhǔn)確記錄生產(chǎn)過(guò)程中的工藝狀況、反映產(chǎn)品的詳細(xì)工藝參數(shù)、調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及大數(shù)據(jù)質(zhì)量分析提供了可能，為提高冷軋工藝的整體技術(shù)水平，為客戶提供更多更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品提供了依據(jù)。隨著各方面軟硬件水平的不斷提高，帶鋼跟蹤的準(zhǔn)確性和先進(jìn)性水平還將不斷地提升。

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