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基于电感式位置检测原理的带钢纠偏控制方法
发布日期：2013/3/13 11:59:28   编辑：中厚板www.zhonghouban.cn   来源：www.zhonghouban.com
邹凤欣 ，杨溪林 ，高增雪 ，邱忠义(1．冶金自动化研究设计院，北京 100071；2．北京金自天正智能控制股份有限公司)[摘要]针对带
 
邹凤欣 ，杨溪林 ，高增雪 ，邱忠义
(1．冶金自动化研究设计院，北京 100071；2．北京金自天正智能控制股份有限公司)
[摘要] 针对带钢跑偏问题，介绍了采用电感式检测装置进行检测的纠偏控制方法。详细介绍了电感式纠偏控制的检测原理及其系统组成。电感式纠偏检测方法以其独特的优点已广泛应用于各种导磁性带钢纠偏控制系统中。
[关键词] 电感式传感器；带钢位置检测；纠偏控制
Inductive measurement system for strip centering control
ZOU Feng-xin ，YANG Xi—lin，GAO Zeng-xue2，QiU Zhong-yi
(1．Automation Research and Design Institute of Metallurgical Industry Beijing 100071，China；2．Beijing Airtime Intelligent Control Co Ltd)
Abstract：To find a solution to the deviation between center position of strip and process line，a kind of method for strip centering control with inductive sensor is proposed．Measuring principle and constitution of inductive strip centering control system are introduced ．Inductive measurement method has been widely used in strip guiding system due to its particular advantage．
Key words：inductive sensor；strip position measurement；offset rectification control
 
0 引言
在冷轧带钢的连续生产线和后续处理线中，经常遇到带钢跑偏的问题。由于带钢断面不均匀、带钢张力波动、机组中的辊组偏差、振动、张力失调、辊面粗糙度不同、来料钢卷收卷不齐及镰刀弯等原因，造成带钢边缘或带钢某一纵向标志线与机组的中心线不平行或不重合，导致带钢的横向跑偏。带钢在运行的作业线上应在一定的横向公差范围内对准机组中心线(或设定位置)，否则就会刮坏设备或者断带停产。因此，带钢的纠偏控制是带钢连续作业线上必不可少的环节。
目前关于光电液式对中控制的研究已经很多，但电感式对中控制技术到目前为止少有文献报道。北京金白天正智能控制股份有限公司研发的电感式对中检测装置，经实践证明完全满足实际生产线中纠偏控制的要求。
 
1 生产工艺流程
电感式对中控制技术应用在带钢的连续生产线和后续处理线中，现以某钢厂的酸洗-轧制线为例介绍其生产工艺流程。
将热轧来料钢卷由钢卷小车装入1#，2#开卷机上，钢卷在开卷机上开卷后，经双切剪切掉带钢头部不合格部分，再由夹送辊送到激光焊机处，与已准备好的前一卷带钢的尾部焊接起来。焊接后的带钢经过酸洗、漂洗、切边后，通过冷连轧机轧前活套、入口段进入冷连轧机。进入冷连轧机的带钢，按照轧制规格的要求，被轧制到所要求的成品厚度。然后通过轧机出口段送至卷取机成卷，当卷重或带钢长度达到所规定的值时，由设置在轧机出口的飞剪进行剪切分卷。整条生产线在开卷机后、活套入口和出口处、冷连轧机前、卷取机前均需用到对中控制。
带钢传输的实验室装置如图l所示，它主要包括电感式传感器、液压站、驱动辊及纠偏导引系统，基本模拟了带钢生产过程。
 
2 系统组成
带钢纠偏控制包括开卷纠偏控制、中间位置纠偏控制及卷取纠偏控制。开卷纠偏控制和卷取纠偏控制的系统组成与中间位置基本相同。不同之处在于开卷机纠偏控制中，液压缸带动开卷机作相应的移动；而卷取纠偏控制中，液压缸带动卷取机作相应的移动，而非纠偏框架。现以中间位置纠偏为例来说明系统的组成。
为使板带准确地行进在机组中心线上，采用连续的闭环式电液调节系统。由电感式传感器测量出板带位置的偏差后，将其偏差值转换为电信号输入到电控系统，电控系统的输出与液压站的电液伺服阀相连，伺服阀驱动液压缸带动纠偏辊框架作相应的移动，这样便可调整板带回到预定的中心位置上，如图2所示。
 
3 纠偏控制系统测量原理
电感式纠偏系统的检测装置采用电磁感应原理进行检测，电感式检测装置的核心是电感式传感器。
它包括两个发射线圈和两个接收线圈，两个发射线圈和两个接收线圈以带钢为中心对称放置，如图3所示。当两个发射线圈中通以可控的正弦交变电压时，在发射线圈的周围产生一交变磁场，则在接收线圈中产生感应电动势E0。
       （1）
式中，N为接收线圈的匝数；t为时间；фO为发射线圈产生的磁通量；K1为发射线圈和接收线圈的结构常数。当发射和接收线圈安装固定好后，K1是个固定值。
当发射线圈和接收线圈之间没有带钢通过时，在接收线圈中产生初始电动势 ，当有带钢通过时，接收线圈中的磁通量减小了ф1，即
           （2）
式中，K2为常数；B为磁感应强度；h为带钢厚度；b为带钢宽度。 经实验，对于某一规格的带钢，在接收线圈内产生感应电动势E1。
      （3）
式中，K3为常数。
所以接收线圈的感应电动势与带钢在线圈内的宽度变化量成反比。
当被控带钢处于中间位置时，两边接收线圈输出相同。当被控带钢向左跑偏时，左侧接收线圈的输出信号减小，右侧接收线圈的输出信号增加。这两个信号经前置放大、整流、滤波后送入控制器中，由控制器及液压系统完成带钢的对中。
 
4 纠偏控制系统模型
电感式纠偏控制系统框图如图4所示，检测变送单元包括电感式检测装置和位移传感器，其功能是检测带钢偏离平衡位置的位移，并将位移的偏差转换为电信号，经过放大后输送到控制系统中，控制系统对信号进行分析处理，控制纠偏驱动系统完成带钢的对中。纠偏驱动系统包括伺服放大和液压系统，其功能是将控制系统发送的纠偏信号放大后由液压系统进行纠偏，然后，检测变送单元中的位移传感器把纠偏后的位移变化反馈给控制系统，形成一个闭环控制系统。
纠偏驱动系统中伺服阀的传递函数可表示为：
式中，A为液压缸活塞工作面积；ωg为液压缸固有频率；ξg为液压缸阻尼系数。
假设忽略带钢硬度和质量的影响，当带钢的初始位置为y0时，如图5所示，可以得到带钢在下一个辊子上的位置传递函数，其一阶传递函数为：
式中，τ为时间常数；L为两辊间距离；V为带钢运动速度。
其二阶传递函数为：
上式中，E为弹性模量；T为带钢张力；I为带钢惯性横向位移。
 
5 实验结果
为了评价基于电感式位置检测原理的带钢纠偏控制方法中电感检测装置的性能，在带钢偏移量为±10 mm的条件下对电感检测装置进行了性能测试，现选出其中一组实验结果列于表1中。
表1 实验数据表
Tab 1 Experiment datasheet

 

带钢偏移量/mm           理论输出值/V            实际输出值/V       
-10                     -5,000                    -5,029
-9                      -4,500                    -4,531
-8                      -4,000                    -4,019
-7                      -3,500                    -3,508
-6                      -3,000                    -3,010
-5                      -2,500                    -2,514
-4                      -2,000                    -2,011
-3                      -1,500                   -1,515
-2                      -1,000                    -1,007
-1                      -0,500                    -0,503
0                       0,000                      0,001
1                       0,500                      0,505
2                       1,000                      1,002
3                       1,500                      1,509
4                       2,000                      2,000
5                       2,500                      2,496
6                       3,000                      3,010
7                       3,500                      3,508
8                       4,000                      4,027
9                       4,500                      4,524
10                      5,000                      5,021

 

由实验室模拟实验可知其控制精度优于±2mm，电感式检测装置的线性度为1．5％ ，分辨率为0．2 nm，满足实际生产线中纠偏控制系统的要求。
 
6 结论
采用电感式对中检测的纠偏控制不受外界恶劣环境影响，不用人工维护，使用寿命长，精度高，
克服了光电式传感器易受外界环境影响，需经常进行人工维护等缺点。上海宝钢冷轧厂应用的是
德国EMG公司的电感式对中检测装置，在实际生产中发挥了出色的性能。电感式对中检测装置不
足之处在于只能适用于导磁性带钢，但由于其自身独特的优点，已越来越广泛地应用于各种导磁性带钢纠偏控制系统中。
 
[参考文献]：
[1]周国盈．带钢卷取设备[M]．北京：冶金工业出版社，1982．
[2]徐同旺，邱忠义，肖桐云．光电液伺服式带材纠偏与对中控制[J]．冶金自动化，1994，18(6)：29-32．
[13]Marcel P G，J Besteman．Modeling and identification ofa strip
guidance process with internal feedback[J]．IEEE Tram Control Systems Technology，1998，6(1)：88—93．
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