摘要：针对目前福建三钢中板厂钢板长度定尺采用人工指挥，人工录入系统，工作效率低、失误率高等缺点。通过对原系统定尺测长存在问题的分析，本文主要介绍激光测速仪自动测长代替人工指挥测长方案及其在自动定尺剪切控制上的成功应用。
关键字：Polytec激光测速仪；剪切精度；自动剪切控制
1定尺剪设备概况及工艺布置
福建三钢中板厂的定尺剪采用滚切式设计，上刀刃沿着直线型下刀刃滚动实现剪切。该剪机主要由机架、传动装置、刀架及剪刃固定装置、剪刃间隙调整机构、钢板压紧装置、推尾装置、长度测量装置、机架摆动辊道、剪刃更换装置等组成。设置在双边剪的下游，是剪切线的最后一道工序。定尺剪的主要作用是将钢板切成所需要的定尺长度，在满足成品要求条件下尽可能的减少剪切偏差量，可以大幅度的提高成材率，此环节是定尺剪一个技术难点。
定尺剪主要性能指标：
钢板厚度：8～50mm；
钢板宽度：1400～2700mm；
钢板长度：3000mm～15000mm；
钢板温度：常温～250℃；
钢板移动速度：0.2～1.0m/s；
工作环境湿度：10～90%相对湿度（非凝结）
2 原系统设计存在的问题
定尺剪是精整线上成品段的最后一道剪切工序，原有定尺剪剪切动作是由现场及操作室两人配合完成钢板的定尺、剪切；因此其定尺控制精度不高，失误率较高、综合成材率和生产效率较低，随着客户对定尺精度和剪切质量的要求越来越高，目前的定尺测量的方式已然不能够满足市场要求。
怎样实现快速准确的定尺已成为亟待解决技术问题。为此，三钢中板厂利用德国Polytec公司的激光测速/测长仪对定尺剪系统进行了优化改造，在定尺剪出口（非传动侧），测头测量位置距剪刃小于3m的位置处安装了LSV-300的测速仪，并将定尺剪PLC控制系统通过DP网络通讯与测速仪整合在同一网络架构中，改造后的定尺剪顺利实现无接触式钢板长度自动测量，提高测长精度和剪切控制水平，为进一步提高钢板综合成材率提供了有效地技术手段。
3 改进的方法与应用
3.1 改进方案
如图3-1所示，在定尺剪出口（非传动侧），测头测量位置距剪刃小于3m的位置处安装了LSV-300的测速仪，并将激光测速仪与定尺剪PLC控制系统通过Profibus-DP网络通讯整合在同一网络架构中，使激光测速仪与定尺剪PLC控制系统成为一个有效地整体，实现钢板自动测长，长度数据实时反馈的功能。
图3-1 改进后的系统结构图
3.2 主要设备
3.2.1 激光测速仪
激光测速仪主要包括LSV-E-300信号处理器、非接触式的LSV-I-300激光测速光学传感器、水冷却和空气吹扫单元等。LSV-I-300激光测速光学传感头将产生的红色可见激光束照射在移动的钢板表面上形成高质量的光斑，然后利用多普勒技术在非接触式状态下对移动物体表面速度进行精确测量，之后通过对激光测长数据处理器LSV-E-300对钢板实时移动速度进行积分运算，得出被测钢板的长度。
3.2.2 LSV-I-300工作原理
LSV-I-300多普勒光学传感器是激光测速仪的中药组成部分，在激光传感器内部，从二极管激光器中发出的激光被Bragg 单元（声光调节器）分割为两束（Bragg单元不仅分割光束，而且将一个40MHz的频率偏移fB引入其中一条光束中），如图3-2所示。两条光束在移动的表面相交成角度，它们在表面上形成相等间隔模式的光和暗线，产生干涉现象，形成多普勒效应。散射光的一部分被接收器透镜汇聚，通过影像探测器转换为电子信号。经过LSV－E-300控制器处理，输出一个速度读数。长度是以高精度通过一个实时的速度积分计算出来的[1]。频率偏移fB（40MHz）尤其重要，因为它充当了散射光的一个FM（频率调整）载体，40MHz载体容许LSV测量速度的＋、－，和绝对0速度，如果LSV－E-300控制器识别当探测到的信号正好与40MHz相等时，就说明被测物体处于静止的；如果LSV－E-300控制器识别当探测到的信号大于40MHz相等时，就说明被测物体正向运行；反之为反向运行。由于干涉条纹的间隔只依赖于激光束的相交角度Φ和被固定的二极管激光器的波长λ，所以测量精度不会受到环境的影响[2]。同时，现场物体的抖动、跳动也不会对检测精度造成影响。
图3-2 激光测量原理图
多普勒原理指出：
式中-激光束与中心线的夹角，VP-钢板运动速度，△S-激光干涉条纹间距，fD-多普勒频率，fB-LSV-I-300激光测速仪测量频率偏移量，f-LSV-I-300激光测速仪测量频率。
3.2.3 LSV-E-300信号处理器
从激光传感器出来的多普勒光谱信号拥有与被测钢板相对应的频率。LSV-E-300信号处理器能够实时扑捉到钢板表面的光束变化情况，在几毫秒内锁定钢板便面速度，并将所有信号进行有效地整合与处理，对钢板移动速度进行积分运算，得出被测钢板的长度值，并通过Profibus-DP网络直接将计算出的钢板长度信号传送给定尺剪控制系统，以确保剪切精度满足工艺要求。
4 自动剪切控制
4.1 剪切规程建立
在定尺机前冷检检测到钢板信息后，自动获取钢板PDI信息，并确认剪切规程，自动剪切控制系统读取激光测速仪的相关信息，建立剪切规程。在HMI画面中，设有放尺量输入窗口，该数据会自动与原剪切规程进行运算，形成最终的剪切规程。该规程可以手动输入、修正、存储、调用等，用于无钢板PDI信息或来料与信息不一致时，临时手动输入剪切规程时使用。自动剪切控制的流程图如图4-1所示。
图4-1 自动剪切控制的流程图
4.2钢板位置APC闭环控制
在自动方式下，在PLC控制辊道的速度值，接收来测速仪检测的钢板长度反馈信号，形成位置闭环控制，以提供钢板长度方向上的准确定位。
APC控制是定尺剪自动剪切的控制基础，定位精度，定位速度直接关系到产品质量及生产速度。APC定位的基准是每块子板剪切规程的长度目标值；系统根据测长仪反馈的实际长度，计算长度偏差ΔS（目标值-实际值），对应辊道速度V与辊缝偏差ΔS的关系如图4-2所示：
根据ΔS的正负确定速度V的极性，K的大小也可根据ΔS的大小分段调整，并且使用极限特性和死区特性。当
大于减速点时，
=Vmax，当
小于死区值时，V=0。
由于辊道运送钢板的特殊性，过快的升降速可能会造成钢板与辊道间的相对滑动，影响实际定位精度，为了保证辊道定位的准确性和高速性，需要在不同偏差范围内，规定不同的最高速度Vmax和斜率K，以保证在最终定位时不出现相对滑动，同时，保证大范围的高速区以提高剪切节奏。
图4-2辊道速度控制示意图
5 软件部分
定尺剪PLC控制系统与激光测速仪和MES的通讯网络结构如图5-1所示。
图5-1定尺剪PLC控制系统与激光测速仪网络结构图
5.1 与MES通讯
激光测速仪上位机软件与MES通讯采用以太网通讯，主要实现钢板的跟踪、比对和数据写入功能。MES数据库中有两个列表（视图），分别是“剪前列表”和“剪后列表”。当钢板的尾部经过MES剪前冷检时，MES会将当前钢板记录从剪前列表移动至剪后列表。
1 在钢板进入定尺剪前，软件会读取剪前列表的内容，该操作称为读取MES计划，即：ReadMesPlan 函数的实现内容，因为MES剪前列表是不断更新的，所以定尺软件会经常性的尝试读取计划，读取前提条件为“上次读取的计划已经被消耗完毕”。
2 当软件完成测量后，会将剪切结果写入MES数据库。MES提供单独的SQL存储过程来实现数据写入。即：WriteMesDB函数的实现内容，写入数据库的时刻为：剪切时，或者直通板尾部经过时。
3 由于MES的冷检有出错的可能性，所以会导致MES的剪前列表数据没有及时更新，或者剪切完毕后，剪前列表数据没有及时移动至剪后列表。这些问题均可能引起跟踪错误。为了防止连续跟踪错误的出现，软件引入比对功能，即：每当MES将剪切列表中的计划移入剪后列表时，软件自动校验当前剪切完毕的钢板编号是否和“剪后列表的首条记录”内容一致。若一致，说明MES的跟踪和软件的跟踪为正确的；反之，软件发出警告提醒。ReadMesLastDone函数就是完成提取MES剪后列表首条信息的功能。
5.2 与定尺剪PLC控制系统的通讯
激光测速仪上位机软件与定尺剪PLC控制系统的通讯采用以太网通讯方式，具体实现的方法如图5-2所示。PLC为Client端，PC为Server端，网络字节序。一条链路，双向通信。PLC：192.168.0.xx 端口号xxxx；PC：192.168.0.xx 端口号6777；在plc中BOOL=bit；在pc中bool=Byte；为了pc方便做标准化处理，plc在传递BOOL类型是，要使用这样一个技巧，即：用1个字节传输一个开关量。
图5-2 与PLC通讯程序
5.3 软件画面
软件画面如图5-3所示。
图5-3 激光测速仪人机界面
具体功能说明如下：
1 界面列表、历史数据文件、MES数据库的同步更新。包括：新增记录、删除记录、修改记录的同步更新。
2 钢板信息的“连续跳过”和“连续撤销”功能。
3 钢板长度验证功能。该功能可检查出因为钢板距离太近导致的剪切逻辑错误。例如：前一块板不切，后一块板切头，且两块板距离很近。在第一块板还没出测速仪时，第二块板剪切头部取样。这时测速仪会误认为第一块板超长。
4 当验证出该逻辑错误时，自动同步更正历史记录。（列表、数据文件、MES）
5 测量防干扰措施。通过钢板的测量时长、最小测量距离，来避免测速仪误触发。例如：钢板的先进再退；剪切后钢板的先退再进；回退一整块钢板；其他导致测速仪有效信号误触发的因素。
6钢板信息的自动比对功能。即：每块母板通过后，都会和MES数据库比对，保证被测钢板ID的正确性，比对错误自动报警。
7实时提示和监控：剪切信号、有效信号、温度信号、F33提示。
8告警功能：测量超差报警、钢板信息比对错误报警、测温异常告警。
9历史记录的手动修改功能，测量结果Excel导出功能、报警日志查看等功能。
10温度补偿是将钢板的测量数据转化为常温后（25℃）的钢板长度。
6 结论
自2017年4月投入该系统至今，有效地降低中板厂生产成本、提高钢板尺寸控制精度、降低人工成本和劳动强度，提高综合成材率，实现定尺剪的智能剪切，具有实际应用价值。
1定尺剪使用激光测速仪测长系统代替传统的激光划线仪+人工指挥测长控制，剪切精度从原来的40～60mm提高到20mm以内，极大地提高了钢板的剪切精度，减少尺寸异议差错。
2 测量精度高、响应快、抗干扰能力强，且不受钢板材质、长度等环境影响，设备故障率低，大大提高了剪切效率。
3 系统数据采集自动处理，功能完善，人机界面友好，便于操作维护和控制，有效地降低人工成本和劳动强度，避免因人工出错造成的改尺或质量异议现象。
4 激光测速仪系统与在线的二、三级系统实现接口通信和数据共享，实现定尺剪的智能剪切控制，为福建三钢中板厂实现智能轧钢打下夯实基础。
参考文献：
[1]沈熊.激光多普勒技术及应用[M]，清华大学出版社，2004.
[2]李波，景伟.提高定尺剪切系统剪切精度的方法和实践[J]冶金自动化，2014年S2.
论文作者:林振杨
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：钢板论文; 激光论文; 测速仪论文; 测量论文; 长度论文; 多普勒论文; 精度论文; 《电力设备》2018年第16期论文;