光電開關在熱軋鋼坯中的成功應用
在馬鋼初軋廠鋼坯軋制生產線上,在熱軋鋼坯長度在線檢測中,成功應用了紅外主動式光電開關。在此,光電開關主要起兩個作用:(1)作為測量鋼坯長度時的觸發(fā)信號,控制計算機通過線陣CCD攝像機對鋼坯尾部進行采樣;(2)用來減小測量視場,提高測量精度。
1、測量原理
在熱軋鋼坯的生產線上,軋制后的鋼坯在輥道上非勻速地向前傳送。設鋼坯的長度分布在L1和L2之間,其最大差值ΔL=L2-L1,因而攝像機的測量范圍必須大于或等于ΔL。利用圖1所示的測量方法,在被測鋼坯的頭部觸發(fā)光電開關k時,只要能夠精確地測出鋼坯尾部的長度(尾長)x,就可以得到熱軋鋼坯的長度。
圖1 鋼坯長度測量原理示意圖
S-光電開頭發(fā)送端;R-光電開頭接收端;L1-熱軋鋼坯的最小長度
在圖1中,光電開關安裝在輥道的兩旁,鋼坯在輥道上向前運動,當鋼坯的頭部擋住光電開關發(fā)送的信號時,就產生外部中斷請求信號,計算機響應后,通過線陣CCD攝像機對鋼坯尾部進行數據采集,進而測量和計算出鋼坯的尾部長度x。則,鋼坯的長度L可由下式求出:
L=L1+x (1)
可見,測量精度主要由尾長x決定,因而精確測量尾長x是技術的關鍵。
2、測量裝置及測量方法
根據上述原理,結合馬鋼初軋廠熱軋現(xiàn)場的實際情況,我們采用圖2所示的測量方法來測量1000℃左右熱軋鋼坯的長度。
圖2 鋼坯長度測量裝置示意圖
在實際測量中,往往被測鋼坯長度的變化范圍很大,像馬鋼初軋廠的最大變化范圍ΔL=14m,因而要求攝像機成像透鏡的視場很大。對于大視場透鏡的像差校正較為困難,而且也會影響線陣CCD攝像機的測量精度。為此,我們采用圖2的測量結構,利用兩組光電開關k1和k2來減小測量視場。設k1和k2之間的距離為L0,那么鋼坯的尾長x一定在0到ΔL-L0之間。所以,線陣CCD攝像機只需在較小的視場ΔL-L0內測出鋼坯的尾長x,利用(1)式即可求得鋼坯的長度。鋼坯長度的測量過程是這樣的:被測鋼坯在輥道上向前運動時,當鋼坯的頭部擋住光電開關k1發(fā)射的信號時,計算機即通過線陣CCD攝像機對熱軋鋼坯進行采樣,計算出其尾長x。如果x<ΔL-L0時,則被測鋼坯的長度為L=L1+x。如果測得的尾長x=ΔL-L0,即線陣CCD攝像機的每個感光象素均被感光,熱軋鋼坯滿視場,此時有可能鋼坯的尾部還未進入測量視場之內,故本次測出尾長的數據無效,需通過第2個光電開關k2輔助測量。當鋼坯繼續(xù)向前運動又擋住光電開關k2時,計算機又通過線陣CCD攝像機對鋼坯進行采樣,再次計算出尾長x。此時鋼坯的尾部一定落在測量視場中,因而鋼坯的長度應為L=L1+L0+x。設光電開關未被鋼坯擋住時,計算機對相應端口的讀數為1,則實現(xiàn)上述思想的流程如圖3所示。
圖3 測量過過程流程圖
圖3中,k1和k2分別代表光電開關k1和k2的輸出值。
由于在馬鋼初軋現(xiàn)場存在多種雜散光,所以,為了有效地避免其干擾,我們選用k1和k2均為主動常開式紅外光電開關。當光電開關的發(fā)射信號被擋住時,其輸出為0,為了避免灰塵或其它雜物擋住光電開關的發(fā)射信號而引起誤觸發(fā),我們在安置光電開關位置的豎直線上,安裝兩對相鄰很近的光電開關,如圖4所示。
圖4 每組光電開關安裝剖面圖
K11與K12為光電開關;K11與K12分別為光電開關K11和K12的輸出值。
為了更有效地防止誤觸發(fā)光電開關,我們將k1和k2均按圖4那樣安裝兩對在豎直方向相鄰很近的光電開關,并且規(guī)定:只有當兩對光電開關均被截面為130mm×130mm的方坯擋住,即k11=k12=0時,才認為是有效觸發(fā)信號。實現(xiàn)上述思想的硬件接口電路由延遲比較器、跟隨器和一系列邏輯電路組成,以避免光電開關輸出信號在比較電平附近,由于零點漂移和干擾的存在,輸出電壓將不斷地由一種狀態(tài)轉換成另一種狀態(tài),造成檢測結果的不穩(wěn)定。光電開關的兩路輸出信號k11和k12分別作為接口電路的輸入信號,經接口電路處理后的輸出作為計算機的中斷請求信號。接口電路的輸入、輸出特性如表1所示。
表1 接口電路的輸入輸出特性表
注:和是另一組光電開關與的輸出值。
可見,其輸入、輸出特性可以滿足設計要求,即只有當光電開關k11和k12均被擋住時輸出才為零。此時,才產生外部中斷請求,計算機響應后,通過線陣CCD攝像機對數據進行采樣和處理后,測出熱軋鋼坯的長度。
3、系統(tǒng)特點
與過去的測量方法相比,該系統(tǒng)具有如下特點:
(1) 測量準確,隨機誤差小。過去測量采用目測,即將鋼坯同設在軌道上的標尺目測比較。測量精度主要取決于操作者的熟練水平和判斷能力。采用該測量系統(tǒng)后,實現(xiàn)測量的自動化,測量精度可達0.2%以上。
(2) 配尺合理,成材率高。過去配尺通過操作者目測,人工配尺,造成目測不準,配尺不合理等問題。采用該系統(tǒng)后,由于測量準確,計算機控制最優(yōu)配尺,因而配尺合理,成材率可大大提高。
(3) 生產效率高,勞動強度低。過去操作者精力必須高度集中,才能完成測長和配尺這一工序。采用該系統(tǒng)后,操作者只需根據測量系統(tǒng)的提示做些簡單的操作,因而生產節(jié)奏加快,勞動強度降低。
4、系統(tǒng)存在的問題和解決的方法
(1) 現(xiàn)場安裝困難。光電開關必須安裝在剪口附近的軌道旁,這里環(huán)境最惡劣,必須采用堅硬的保護措施。
(2) 高溫對信號、電源線路的破壞。由于光電開關安裝在高溫的軌道旁,信號和電源傳輸的導線因高溫老化快,甚至被燙壞,即使用鋼管套也不能滿足要求,必須采用特殊的保護措施。
(3) 遠線傳輸中干擾信號造成信號失真。由于現(xiàn)場的各種電磁干擾,直接傳送信號極易失真,必須對信號進行適當的調理后再用屏蔽導線將信號遠傳至工作室。
5、運行情況
目前,該系統(tǒng)已在馬鋼初軋現(xiàn)場投入使用,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,光電開關的靈敏度高,故障率低。與其它相關裝置配合使用,已實現(xiàn)了自動測長和實時配尺[3]。
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