崔桂梅 高培暢

摘 要:為提高重軌軋機(jī)生產(chǎn)效率與自動化程度,本文基于包鋼軌梁廠重軌粗軋機(jī),介紹了磁致伸縮位移傳感器的工作原理,應(yīng)用特性,以及高精度、高可靠性、大量程以及維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。并且繪制了控制系統(tǒng)圖。介紹了傳感器的零點(diǎn)設(shè)定、位移采集計(jì)算。最后討論了輥縫調(diào)節(jié)過程,以及輥縫調(diào)節(jié)過程中重要裝置上輥平衡裝置磁致伸縮位移傳感器的應(yīng)用。并實(shí)踐充分證明,正確的應(yīng)用這種位移傳感器,能大大降低設(shè)備故障率,減少故障時(shí)間,更重要的是其高精度的測量值為軋機(jī)的全自動化生產(chǎn)提供了可能。

關(guān)鍵詞:磁致伸縮MTS輥縫

中圖分類號:TG33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0108-03

Abstract:in order to improve the production efficiency and heavy rail mill automation degree,this paper,based on the packet rail beams factory heavy rail rough rolling mill,introduces the magnetostrictive displacement sensing principle,application features,and high accuracy,high reliability,big range and convenient maintenance,etc.And to draw the control system diagram.Introduces the zero setting,displacement sensor collection calculation.Finally discussed the roll gap adjusting process,and roll gap adjusting process important device roller balance device magnetostrictive displacement sensor applications.And practice proved that the correct application of this kind of displacement sensor that can greatly reduce equipment failure,reduce fault time,more important is its high accuracy measuring value for the full automation production mill to provide the possibility.

Key Words:Magnetostriction;MTS;Roll gap

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,鐵路技術(shù)的發(fā)展正朝著高速度、大運(yùn)量和自動化牽引方向邁進(jìn)。為了保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?、快?要求重軌具有高精度、高平直度、高熱處理強(qiáng)度和長尺化。這就對重軌軋機(jī)的輥縫控制技術(shù)提出更高要求。以往通過機(jī)械指針等顯示輥縫位移的傳統(tǒng)方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今軋機(jī)控制精度及快速性。當(dāng)今較為先進(jìn)的軋機(jī)控制系統(tǒng)中絕大多數(shù)采用具有非接觸式測量、傳輸距離遠(yuǎn)、適應(yīng)惡劣環(huán)境且可靠性高的直線位移式磁致伸縮傳感器。這種傳感器的應(yīng)用,為軋機(jī)控制的高精度、控制過程的動態(tài)化、控制響應(yīng)的高速性、自動化提供了可能。

相對于其他測量方式,基于磁致伸縮技術(shù)的位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

(1)精度高。傳統(tǒng)位移傳感器的測量精度只有1%FS左右,因磁致伸縮位移傳感器將位移量轉(zhuǎn)化為發(fā)射和返回脈沖的時(shí)間間隔進(jìn)行測量,測量精度高到0.002%FS。

(2)可靠性強(qiáng)。由于磁致伸縮位移傳感器的非接觸測量特性,被測物體與敏感元件不需要機(jī)械接觸,沒有摩擦磨損,而且其整個(gè)電路轉(zhuǎn)換部分封閉在不銹鋼管內(nèi),使其能承受高壓、高溫和強(qiáng)振動。

(3)量程大。磁致伸縮位移傳感器的適用范圍很廣,測量范圍很大,能勝任大型機(jī)械設(shè)備的測量任務(wù)。

(4)安裝、維護(hù)簡便。由于磁致伸縮位移傳感器可以采用法蘭安裝方式,并且無需重新標(biāo)定或定期維護(hù),給使用者提供了方便。

(5)利于系統(tǒng)自動化。磁致伸縮位移傳感器可以提供標(biāo)準(zhǔn)輸出信號,便于微機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)信號處理工作,極大地提高了測量系統(tǒng)的自動化程度。

1磁致伸縮技術(shù)原理及特性

1.1 磁致伸縮技術(shù)原理

磁致伸縮技術(shù)原理是利用兩個(gè)不同磁場相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號,然后計(jì)算這個(gè)信號被探測所需的時(shí)間周期,從而換算出準(zhǔn)確的位置。這兩個(gè)磁場一個(gè)來自在傳感器外面的活動磁鐵,另一個(gè)則源自傳感器內(nèi)波導(dǎo)管(Waveguide)的電流脈沖,而這個(gè)電流脈沖其實(shí)是由傳感器頭的固有電子部件所產(chǎn)生的。當(dāng)兩個(gè)磁場相交時(shí),所產(chǎn)生的一個(gè)應(yīng)變脈沖(Strain Pulse)會以聲音的固定速度運(yùn)行回電子部件的感測線圈。從產(chǎn)生電流脈沖的一刻到測回應(yīng)變脈沖所需要的時(shí)間周期乘以這個(gè)固定速度,我們便能準(zhǔn)確的計(jì)算出位置磁鐵的變動。如。這個(gè)過程是連續(xù)不斷的,所以每當(dāng)活動磁鐵被帶動時(shí),新的位置很快就會被感測出來。由于輸出信號是一個(gè)真正的絕對位置輸出,而不是比例的或需要再放大處理的信號,所以不存在信號飄移或變值的情況,因此不必像其它位移傳感器一樣需要定期重標(biāo)和維護(hù)。

磁致伸縮位移傳感器利用非接觸之科技監(jiān)察著活動磁鐵的位移,由于磁鐵和傳感器并無直接之接觸,因此傳感器在惡劣的工業(yè)環(huán)境下,例如易受油漬、溶液、塵埃或其他的污染,并不構(gòu)成問題。此外,傳感器更能承受高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境。傳感器輸出信號為絕對數(shù)值,所以假使電源中斷重接也不會對數(shù)據(jù)接收構(gòu)成問題,更無須重新歸回零位。最后,由于傳感元件都是非接觸的,所以就算感測過程是不斷重復(fù)的,也不會對傳感器造成任何磨損。

因此磁致伸縮位移傳感器非常適合這種工作在比較惡劣環(huán)境軋機(jī)設(shè)備。

1.2 磁致伸縮傳感器特性

磁致伸縮傳感器輸出為電流、電壓、MODBUS、SSI、脈沖輸出；工作電壓為+15V～+24V；工作溫度為-40℃～85℃；線性度±0.05%；響應(yīng)頻率0.2ms～5ms；分辨率±0.002%ES；量程范圍80mm～12000mm；接口RS232、RS485、RS422。綜上所述，這種傳感器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如非接觸式測量、高精度、高重復(fù)性測量、絕對量輸出、可同時(shí)測量多位置量、性能穩(wěn)定可靠、承壓性好、高分辨率、響應(yīng)時(shí)間快、堅(jiān)固防震、持久耐用等。

MTS系統(tǒng)公司是市場上提供磁致伸縮（Magnetostrictive）位移測量技術(shù)的開拓者，創(chuàng)新的科技和支援使MTS公司的產(chǎn)品一直處于市場領(lǐng)導(dǎo)地位。其產(chǎn)品包括TEMPOSO NICSIII、TEMPOSONICSII、TEMPOSONICS E、TEMPOSONICSL四個(gè)系列。其中TEM POSONICSIII系列輸出形式有模擬輸出、數(shù)字和總線形式輸出，總線輸出有CANbus、DeviceNet、Profi等，本系統(tǒng)中采用Profibus-DP輸出形式。

2MTS傳感器在重軌軋機(jī)中的應(yīng)用

本系統(tǒng)已在包鋼軌梁廠應(yīng)用。本系統(tǒng)是一個(gè)高精度、高響應(yīng)的控制測試系統(tǒng), 要求控制測試精度達(dá)到5μm。所選用的TEMPOSONICS RH系列MTS傳感器采用RS485網(wǎng)線連接,數(shù)據(jù)格式采用PROFIB US-DP,最大傳輸速率為12Mbit/s。PROFIBUS-DP是為現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),在組態(tài)工具下提供的功能包括診斷、監(jiān)視。

帶有PROFIBUS-DP接口的TEMPOSO NICS傳感器是作為一個(gè)站點(diǎn)直接連接到bus網(wǎng)上。磁傳感器可以將最多15個(gè)絕對值位置測量值通過RS485直接傳送到控制單元。本系統(tǒng)中,現(xiàn)場應(yīng)用安裝的上輥平衡位置傳感器、機(jī)前及機(jī)后大小推床位置傳感器MTS都作為其中一個(gè)站點(diǎn)掛接到PROFIBUS-DP網(wǎng)上,且直接傳送到主站的CPU 416-2 DP上。

2.1 傳感器零點(diǎn)的設(shè)定

傳感器的零點(diǎn)可以根據(jù)需要在有效區(qū)內(nèi)任意設(shè)定,零點(diǎn)的成功設(shè)置直接影響到該傳感器的正確應(yīng)用。將傳感器零點(diǎn)時(shí)的脈沖數(shù)保存起來,以備位移采集時(shí)使用。

2.2 位移量的采集計(jì)算

由于本系統(tǒng)中,應(yīng)用的位移零點(diǎn)都設(shè)定在某一端。所以程序設(shè)計(jì)中不存在判別移動方向問題。當(dāng)設(shè)備移動時(shí),通過讀取站點(diǎn)地址的低位、中位脈沖數(shù)相加再加上預(yù)置時(shí)的脈沖數(shù)既是當(dāng)前的非線性化的位置值,再減去偏差值除以固定系數(shù)就是工程實(shí)際值。綜上,PROFIBUS-DP傳感器的工作流程方式

3重軌粗軋機(jī)輥縫調(diào)節(jié)過程及傳感器應(yīng)用

重軌粗軋機(jī)的輥縫控制主要通過電動壓下裝置、上輥平衡裝置、防卡缸裝置等協(xié)調(diào)配合完成。基本控制過程如下:在軋制道次切換時(shí),PLC程序中檢測到有輥縫值變動時(shí),從程序中輸出的壓下電機(jī)給定值通過profibus網(wǎng)控制壓下電機(jī)變頻器動作,從而壓下電機(jī)執(zhí)行向上或向下動作。當(dāng)輥縫調(diào)大時(shí),壓下電機(jī)向上運(yùn)動,同時(shí)上輥平衡液壓缸上腔在瞬間與回油管接通,壓力降低,從而上輥平衡在下腔的作用下向上跟隨壓下電機(jī)帶動的絲杠運(yùn)動。最終帶動上輥向上運(yùn)動。當(dāng)輥縫調(diào)小時(shí),壓下電機(jī)向下運(yùn)動,在壓下電機(jī)對上輥平衡系統(tǒng)向下壓的作用下,上輥平衡液壓缸的下腔壓力大于主油路壓力,從而使油回流。到達(dá)目標(biāo)位后,上輥平衡液壓缸的上腔壓力迅速恢復(fù)到主油路壓力值,從而再次達(dá)到平衡狀態(tài)。

壓下電機(jī)的控制是通過西門子變頻器控制,由S7—400通過profibus網(wǎng)發(fā)送控制字到變頻器站點(diǎn)。從機(jī)械方面來說,上水平軋輥將通過2個(gè)螺旋壓下銷軸和與之連接的蝸輪機(jī)構(gòu)來進(jìn)行調(diào)節(jié)(壓下)。兩個(gè)齒輪機(jī)構(gòu)通過一根軸連接,該軸可采用電液操作的摩擦離合器斷開。1臺AC電機(jī)用來驅(qū)動帶有獨(dú)立制動器的軸。同時(shí),1臺液壓缸操作的離合器布置在上輥兩個(gè)螺旋壓下機(jī)構(gòu)的蝸輪之間。離合器的脫離目的是為了壓下銷軸可以按照爬破速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。從而使上輥與下輥能平行定位,也可以適當(dāng)?shù)厥股陷亙A斜一定程度。制動時(shí),在操作側(cè)蝸輪機(jī)構(gòu)和電液操作的摩擦離合器之間設(shè)置一個(gè)制動閘。它由制動盤和制動抓組成,者采用電磁方式打開、彈簧作用下關(guān)閉。當(dāng)要操作壓下系統(tǒng)時(shí),該制動閘通過動作磁鐵來脫開。壓下電機(jī)的位置檢測來說,與壓下電機(jī)同軸帶一個(gè)碼盤變送器,碼盤實(shí)際是起雙碼盤的作用,返回一路位置信號到PLC站點(diǎn),另一路測速信號返回到壓下電機(jī)變頻器。所以,壓下電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于輥縫探測及計(jì)算而言,實(shí)際也都是從壓下電機(jī)碼盤著手。每次換輥之后,碼盤變送器需要進(jìn)行校正。這將通過軋輥接觸由校正持續(xù)來完成。依據(jù)所知道的軋輥直徑(接觸直徑)和所知道的墊片厚度,換輥之后進(jìn)行理論輥縫計(jì)算。實(shí)際輥縫通過一同移動軋輥來實(shí)現(xiàn)-通過計(jì)算上、下輥之間插入墊片來實(shí)現(xiàn)。如果實(shí)際使用該墊片的話,則由操作員在軋輥關(guān)閉之前輸入墊片的厚度。在電機(jī)啟動之后,扭矩將受到限制(電流極限),壓下速度減慢。在這種情況下,軋輥分力增加或電機(jī)停止,輥縫被設(shè)定=0和/或=墊片厚度。

上輥平衡系統(tǒng)的控制是通過液壓缸控制,由2個(gè)液壓缸和調(diào)節(jié)螺栓相關(guān)平衡接收裝置拉動上輥來達(dá)到上輥壓下機(jī)械部件的重量平衡和避免松弛。壓力是變化的,通過一壓力控制系統(tǒng)來保持恒定。在調(diào)節(jié)過程中,通過改變平衡缸上腔設(shè)定壓力來減少平衡力。同時(shí),上輥平衡液壓缸內(nèi)還裝有一個(gè)MTS位置傳感器,通過PROFIBUS網(wǎng)與S7—400主站相互通信。從這個(gè)位置傳感器傳回的值同給定值相比較,在誤差范圍內(nèi)就認(rèn)為上輥平衡到位,反之繼續(xù)調(diào)整。所以,上輥平衡系統(tǒng)也是單閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4應(yīng)用總結(jié)

自應(yīng)用這種位移傳感器以來,其可靠的穩(wěn)定性、精度的準(zhǔn)確性以及安裝的便捷性為重軌軋機(jī)的快節(jié)奏、大負(fù)荷生產(chǎn)以及高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供了有力保障。實(shí)踐證明,應(yīng)用磁致伸縮位移傳感器具有非常低的故障率,并且為生產(chǎn)的全集成自動化提供了有力保障。

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