X射线测厚仪在二十辊轧机上的应用

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摘 要：简要分析了X射线测厚仪在二十辊轧机厚度控制上的应用及其测量原理、系统结构、性能指标和维护要领。

关键词： X射线测厚仪二十辊轧机厚度控制

中图分类号：O434文献标识码： A

Abstract:This article analyzes briefly the application research of 20-Hi mill thickness control system of X -ray thickness gauges and its measuring principle, system frame,performance index and some points of maintenance.

1 引言

随着中国钢铁业突飞猛进的发展，发展高精尖和高附加值的产品是每个钢铁企业所面临的现实问题。生产高附加值产品不容置疑需要相应的高精度生产设备和先进的控制系统。二十辊可逆式冷轧机由于其轧制压下率大，轧制控制精度高以及高产量等优点在轧钢行业显现出其独特的优势，我国近年来引进的二十辊轧机已广泛应用于冷轧行业尤其是不锈钢的冷轧行业。然而，对二十辊轧机来讲，几乎所有的带钢厚度控制系统和关键测量仪表包括X射线测厚仪均为国外引进，所以如何使用好控制系统和测厚仪，使其为生产更好地服务，如何在消化吸收国外先进控制和测量技术的基础上,有效地服务于国内轧机的厚度控制，是摆在所有从事轧制厚度控制理论研究和实际应用领域研究的工程技术人员面前的一个大课题。正是出于这种考虑和理念，本论文从二十辊轧机厚度测量、厚度控制系统的角度出发，以酒钢不锈钢公司引进的二十辊轧机及德国IMS公司的X射线测厚仪为主要研究对象，简要描述了二十辊轧机厚度控制系统、测厚仪的测量原理、系统配置，性能指标和维护要领。论文中还对控制系统硬件、软件配置等进行了较为详细和系统的论述与研究，其目的是在掌握现有系统的基础上力求有所进步，为以后的维护工作打下良好的基础。

2二十辊轧机厚度控制系统

二十辊轧机的控制系统由四个部分组成，分别为基础自动化控制、顺序控制、机架工艺控制、介质控制。从控制系统的自动化组成的角度来考虑，二十辊轧机的控制大致有两部分组成，即基础自动化系统(L1 级)、过程自动化系统(L2 级)和传动控制系统等。顺序控制和工艺控制均属于基础自动化级的范畴，同样传动控制系统也可以归为基础自动化的组成部分。机架工艺控制包括带钢厚度自动控制和带钢板形控制，本文主要针对厚度控制进行研究。

为了保证带钢的纵向厚度公差，获得高精度的产品，现代二十辊轧机都配备了自动厚度控制系统。自动厚度控制系统是轧机整体自动化控制系统的一部分，也是工艺控制中最关键的控制系统之一。自动厚度控制系统由测量系统、控制系统和矫正厚度偏差的执行机构组成。测量系统主要有两台X射线测厚仪分别安装在二十辊可逆式轧机的出入口，辊缝位移测量仪表索尼磁尺安装在压下液压缸上，速度测量仪表增量式脉冲编码器安装在出入口板形辊电机上。控制系统由PLC控制器FM458，远程I/O 站及上位监控计算机等部分组成。执行机构主要是液压压下系统，包括伺服阀放大板、液压伺服阀和执行液压缸。它们之间通过相应的网络如Profibus，Ethernet 等连接起来，形成一个相对独立的工作体系，同时和其它控制系统进行数据交换和信息共享，以满足整个轧机的控制要求。测厚仪对带钢实际轧出厚度连续地测量，根据实测值与给定值相比较后得到偏差信号，在把厚度偏差显示并记录下来的同时，把偏差信号传输到PLC中，通过功能程序计算出调节量，调节液压压下装置改变轧辊辊缝，把厚度控制在允许偏差范围内。实现厚度自动控制的系统称为“AGC”。AGC是Automatic Gauge Control 的简称。测厚仪是厚度控制系统很关键的一部分，其测量精度直接影响着产品的质量，酒钢不锈钢冷轧的二十辊轧机的测厚仪全部为技术先进、集成化程度高、性能稳定可靠、测量精度高的德国IMS公司的X射线测厚仪，为稳定生产，提高产品质量、增加产能提供了有力保障。该测厚仪还具有断面扫描功能，可以在开始轧制前通过入口测厚仪对来料断面进行扫描来判断板形。

AGC压下系统有两种模式，轧制力模式和位置模式。轧制时会根据实际情况自动切换模式。在轧机头部起车或尾部停车时，由于带钢入口厚度波动较大，故采用轧制力模式。当带钢的厚度减小时，使轧制力减小且轧出厚度变小，为了保持出口厚度不变，抬起辊缝，轧制力进一步减小：相反若入口带钢厚度增加时，轧制力增加，轧出厚度增加，为了保持出口厚度不变，减小辊缝，轧制力进一步增加。可见AGC轧制力控制是根据所检测的轧制力来进行正反馈控制。至于轧制力，是根据压下液压缸上安装的两个压力变送器的值计算所得。

位置模式有以下几种控制方法：

1）前馈控制

前馈是根据入口测厚仪测量的厚度和目标厚度比较，调节压下装置来实现厚度控制，其优点是可以提前控制，可完全去掉信号检测装置及执行机构动作所产生的滞后。缺点是开环控制，对控制结果没有反馈，不能保证轧出厚度的精度。

2）反馈控制

反馈是根据出口测厚仪测量的厚度和目标厚度比较，调节压下装置使得厚度偏差越来越小。缺点是用出口测厚仪进行带钢厚度的反馈，滞后较大，特别是低速轧制时带钢从辊缝运行到测厚仪往往需要一定的时间，滞后越大，系统越不稳定。

3）秒流量控制

秒流量控制是根据任何时候进入轧机的带钢流量和流出轧机的带钢流量恒等的原理实现的。流量方程：V0h0=Vh，其中，V0是带钢入口速度，也就是入口板形辊的速度，h0是入口带钢厚度，V和h分别是出口带钢速度和厚度。秒流量控制方法中，厚度控制的精度主要取决于带钢速度测量的准确性。

4）轧制效率补偿

轧制效率主要是在轧机加减速时进行相应补偿从而减小加减速过程中对厚度精度的影响。

上述四种方法在轧制过程中综合应用，各自发挥自己的长处，最终将带钢厚度控制在要求的精度范围内。

3 X射线测厚仪

德国IMS公司提供的X射线测厚仪是一种以X射线为载体的非接触式厚度测量系统,在不接触和无破坏的条件下对带钢的厚度完成测量,且测量精度能达到0.01μm。IMS公司对该测量系统的设计重点放在可靠性和测量质量以及改进测量精度上,并且在努力减小时间常数的同时降低信噪比。该系统配置目前了最先进的X射线技术,由X射线管在高压条件下产生X射线,可以通过独立的高压控制单元提供给X射线管稳定的高压，从而能对X射线辐射量进行最优调整,而且一旦停止高压给定,射线立即停止,没有任何残余辐射,同时测厚仪C型架上的快门机构有效的防止了X射线的外泄，因此具有很高的安全性。X射线测厚仪作为穿透式测厚仪,其一般原理见图1,X射线管在高压电场作用下产生X射线,穿透被测带板的剩余射线作用到电离室,在电离室激发电离,得到微弱电信号,经前置放大和对数放大后,进行合金、温度等相关补偿,这时候就可以有厚度绝对值输出,当然也可以给定目标厚度,进行偏差放大,得到偏差输出。偏差输出和绝对值输出都可以作为厚度信息,参与控制。其中这里用到的校准板为已知厚度和材质的标准板,用以校核环境因数,得到补偿系数,可以按照实际情况定期进行标定，在标定过程中，测量系统使用已知厚度的样板通过模型计算进行优化，标定数据存储在测量系统中，该测厚仪系统对被测带钢的钢种和化学成分进行合金补偿，同时在标定过程中对射线路径中的油污和灰尘进行补偿。

3.1 X射线测厚仪原理

X射线穿透物质时的衰减规律是X射线测厚仪测量的理论基础，光电式传感器将射线强度的变化转变为易于检测、处理和传输的电量变化。其原理如图1所示。

图1 X射线测厚仪原理图

当X射线投射到被测物后，一部分射线被被测物吸收，一部分射线穿过被测物，穿过被测物质后的射线强度，在物质成分一定的情况下，和被测物的厚度和密度有关，若被测物的密度为已知时，则可以根据检测到的射线强度来计算出被测物质的厚度。X射线测厚仪就是基于此关系原理制造而成的测厚系统。

对于X射线，在其穿透被测材料后，射线强度I的衰减规律为 I=I0e-us （式中 I0―入射射线强度；μ―吸收系数；s―被测材料的厚度）。当μ和I0一定时，I仅仅是板厚s的函数，所以测出I就可以知道厚度s。X射线测厚仪原理是根据X射线穿透被测物时的强度衰减来进行转换测量厚度的，即测量被测钢板所吸收的X射线量，根据该X射线的能量值，确定被测件的厚度。具体是当板带穿过测量空隙时, 一束精确标准的X射线撞击板带，其中一部分被板带吸收，另一部分穿透板带被探测头接收.用探测头接收的射源能量级与已知的发射能量级相比较，可以得到损失的能量级，即板带吸收的能量级. 通过对损失能量级的计算即可以算出板带厚度。经X射线探测头将接收到的信号转换为电信号，经过前置放大器放大，再由专用测厚仪操作系统转换为显示给人们以直观的实际厚度信号。

3.2 测厚仪现场设备

从现场设备来看，X射线测厚仪主要由中央控制单元、C型架、冷却水柜、接线箱、报警灯等主要部分组成，而上面提到的电气元件主要安装在C型架内。C 型架位于20辊轧机的出入口侧，这是因为20辊轧机为双向可逆式轧机，它包括机械部分、电动马达、放射源、电离室等；X射线探测头位于C型框架的上臂 ，分辨率高，响应时间短，使测量数据更精确，保证了产品质量的稳定性和可靠性。机械部分由一个C型框架、电动马达、前后限位等组成。放射源在C型架的下臂内的一个黑色铅盒中，并在上面开了一个气缸驱动的快门，用来控制放射线的通断。在C 型架侧侧面，是高压发生器、测量传感器的电子元件。

4 IMS测厚仪系统结构

X射线测厚仪作为二十辊轧机连续轧制生产的厚度检测单元，将测出的厚度值送给轧机基础自动化控制系统,参与前馈、反馈控制。其测量结果、测量精度和运行情况将直接影响轧机轧制的精度、产品质量和产量。总体上，从位置和区域来讲，该测量系统可以分为两大部分：轧机现场测量、转换部分和系统处理、控制部分。从功能来讲，可分为三大部分：电离室信号测量处理部分、射线管及高压控制部分和输入/输出信号部分。图2为测厚仪系统结构图。

图2 X射线测厚仪系统结构图

电离室有四个通道，感应X射线强度并转化为微弱的电流信号，经测量转换器放大并转变为数字电压信号后经由工业以太网，利用光纤介质快速、稳定地传输到电气室控制柜，通过测厚仪控制系统计算出厚度值，并对厚度值进行一系列计算处理后，传输给轧机控制系统的PLC，同时将该值显示到测厚仪操作员站。同时，送给轧机PLC的还有测厚仪状态信号，并从轧机PLC接收控制参数，包括轧制目标厚度、钢卷号等。根据数据通讯速度要求的不同，测厚仪系统采用了多种通讯方式，对于合金信息，目标厚度，系统状态等带钢初始化信息，速度要求不高，选用工业以太网通讯；对于厚度信息必须实时反馈给轧机AGC系统，则采用硬件接线的形式进行传送。需要说明的是，厚度信息通过模拟量以两种形式送给AGC，一种是实际厚度，另一种是偏差厚度。

高压发生器供给X射线管发射X射线所需的阴极负高压和灯丝电流，X射线控制器通过串行口控制高压发生器所提供的高压和灯丝电流大小，并通过测量反馈数据线来获得当前的射线管电流、高压、灯丝电流等实际值，用于状态监视和控制。这些数据由X射线控制器串行口输出，经由COM-Server接口转换器，转换为RJ-45接口后，送给内部网络交换机，于是便可在M-Server内的软件上显示、控制。

该测厚仪系统辅助I/O信号用工业以太网EtherCAT传输，现场的高压有无、快门状态、C型架位置、冷却水温度流量是否超限等状态信号，均通过工业以太网EtherCAT传输至电气室控制柜的工控处理机M-Client，并由前述M-Server内的软件显示出来，用于监视、处理。

测量数据从现场到电气室的传输、测量结果和状态被M-Server内软件调用、测量数据存储到硬盘、测量数据偏差及测厚仪状态数字量信号送出、设定数据的接收、两侧测厚仪之间通信等都是通过网络来实现的。如果把与测厚仪系统通信的轧机控制系统所在网络理解为外部网络，则测厚仪系统各装置之间联系则是通过内部以太网络来实现。在测厚仪系统内部，该通信网络及其终端称为MEVInet，由IMS公司开发、已经注册的标准自动化系统网络。该系统符合通用技术标准，并能在软件和硬件间提供最大化的透明度。因此，网络性能稳定，通信速度快，便于扩展，维护起来非常方便。

5 系统性能指标

二十辊轧机的测厚仪的测量范围为0.2mm～6mm，采样频率2ms。系统选用MXR161-W型号的金属陶瓷管，最大承受高压为160KV；一般设定的工作高压是最大值的一半左右，在正常工作状态下，系统采用了约85KV的管高压和3.0mA的管电流，使射线管长期工作于最大耐压的1/2处，可以有效地延长射线管的使用寿命。该射线管正常使用寿命可以达到4～6年。

现场测量装置采用C型框架，从“停车”位向“测量”位由电动马达驱动，可自由移动。快门及内部标准板的动作由压缩空气和弹簧机构组成的力平衡系统驱动，实现快门开关和标准板的进和出。X射线管用循环水冷却，可以延长其使用寿命和保证系统可靠运行。

6 结束语

本系统X射线管用循环水冷却，在日常的点检维护过程中，X射线管冷却水的温度和流量监视是重要工作之一，因为冷却的效果将直接影响到射线管性能和寿命，进而影响到测量精度和稳定性。射线管高压接头定期涂抹硅胶，以确保其良好的绝缘性，对于射线管维护和确保测量精度意义重大。轧机现场的恶劣环境，如：噪音、水、油污等，如吹扫工作不到位，将会影响X射线光路的清洁度；振动、机械移位等，将会改变测量的角度和距离（passline高度）。如果这种影响在一定范围内，则可以通过系统“校正“功能修正、消除，比如做CS标定、预吸收，不仅可以提高精度测量，也方便了日常设备的维护。X射线对人体的危害很大，在日常维护中，最安全的方式就是尽最大可能的少暴露在X射线下。

参考文献

1 德国IMS公司.操作手册（Operating Manual）.设备资料，2006.

2 任波伟.IMS公司测厚仪在宝钢1420轧机上的应用.《自动化仪表》2007年第S1期.

3 曹世海.二十辊轧机厚度控制系统的应用研究.东北大学硕士学位论文.2008.1