IMS X_ray测厚仪自动校准控制系统的设计与实现

蔡 光，吴 谨，李富年

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430080）

0 引言

在钢铁工业中，钢板厚度的精度决定了钢板的好坏。为了精确控制钢板轧制的厚度，大多数企业采用德国IMS X_ray测厚仪。它是一种以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完成对带钢的厚度测量，并且测量精度能达到1‰[1]，是目前较为先进的测量系统，其为工业现场稳定生产、提高产品质量、增加产能提供有力保证[2]。

IMS X_ray测量系统设备有2个X射线管、64个X射线测量通道、2个激光射源和1个摄像头，由1个单独的水冷柜进行水循环，以保持C型架和X射线管的正常工作温度。

由于测厚仪工作时X射线管会发射大量X射线，在周期对测厚仪进行校准时内部标准板的更换工作都是由人工操作完成，长时间在X射线环境下工作对人体会造成较大伤害。因此，每次在更换或添加标准板前都需将测厚仪断电，待X射线消散后再进行后续操作，这种校准方式耗时长、操作效率低、对设备损害严重。而日常周期检修设备的时间有限，不能影响钢铁的产量。做一次全量程、所有通道的标定需要16个小时以上（以CSP为例：64通道、标定2mm～22mm共11块，每4个通道进行一次校准，理论校准最大值为共计需要32752次），因此只能在年修时完成。平时周期校验时只能选取部分通道进行校准，这样就会影响设备的测量精度和使用寿命。因此本文提出了一种自动校准控制系统来解决上述问题。经过实践证明，该系统能够取代手工校准，提高校准效率。

1 系统功能

IMS X_ray测厚仪自动校准是基于对己知厚度的标准块的测量值进行数学计算来完成。标准板在X射线束下自动定位，记录每个校准周期的数据，然后利用这些数据，确定厚度系统的复线性和函数关系，确保分析数据的可靠性。

目前IMS X_ray测厚系统内部标准板库只有两块标准板，分别为2mm和14mm，能在使用过程中自动完成对设备的全标定。而目最先进的东芝测厚仪其内部标准库也只有8块标准板。本文设计自动校准装置控制系统将标准板库扩展为11块标准板，其厚度为2mm～22mm，并能够完成11块标准板的自动校准。

结合IMS X_ray测厚仪的构造以及现场机械的布局设计了自动校准装置的硬件模型，如图1所示。

自动标定装置的工艺及动作要求：

1）手工将11块标准板放置在标准板成列箱。

2）启动自动校准系统。

3）取板和放板保证标准板平稳。

图1 自动校准装置的硬件构造图

4）如在取板或是回板过程中遇到异常，发送紧急信号，可编程控制器控制所有电机停止运转。待排除异常，启动运转。

5）系统自动按照程序完成第一块标准板的校准，完成后将标准板放回标准板成列箱，然后进行第二块标准板的自动校准，以此类推，直至完成十一块标准板的自动校准。

6）系统复位。

在此基础上设计了系统的工作流程图，如图2所示。

图2 自动标定装置的工作流程图

2 系统硬件选型

在系统的硬件模型中可以看出，自动标定装置完成一块标准板的自动标定需要四轴协同运动来完成。设计的标准板陈列箱放置的不同厚度的11块标准板间距均为2mm，所以系统的控制精度要求为0.1mm。

在工业控制中，PLC以其可靠性高、抗干扰能力强而被广泛应用。三菱FX3U系列PLC可以同时输出控制3轴脉冲串，处理速度能够达到0.065µs/基本指令，并且可以兼容扩展FX-2N系列模块[2]。所以选择FX3U-80MT/ES晶体管型PLC和FX2N-1PG-E定位模块来实现四轴的位置控制。

每轴的运动定位由电机带动滚珠丝杆和电机的启停实现；精确定位对电机性能要求较高，本项目的取板精度为0.1mm，在生产上属于精密工艺。由于伺服电机的控制精度较高，通用17位伺服电机的理论控制精度能够达到1µm，满足项目要求，同时伺服电机在低速时不会出现震动现象，从静止加速到其额定转速的时间更快，更适合快速启停的控制场合[3]。本项目采用台达伺服电机ECMA-C20602SS和与之匹配的驱动器ASD-B2-0221-B进行电机定位。

3 软件设计

依据自动校准装置系统的机械构造，整个系统协同运作需要四台伺服电机，分别称为：控制拖盘上下运动的电机、控制取板器左右水平运动的电机、控制吸取标准板上下运动的抓臂电机以及控制运载标准板进行校准的电机。

四台电机协同运动，因此本文采取SFC编程，更加利于程序的模块化。现将各个电机的不同状态现列于图3所示。

图3 四台电机的状态列表

结合硬件选型，图4是为PLC的输入输出端口的分配表；自动标定装置的各轴都装有左右限位开关和原点开关以及伺服驱动器反馈的零点信号，既可以防止伺服电机在运动过程中与周边装置发生干涉，又可以随时原点检查保持高精度避免误差累计。PLC通过控制电磁阀的动作操作真空吸盘，实现标准板的抓取和释放。

图4 PLC的输入输出点数分配

图5 SFC程序流程图

自动校准装置并不是简单的重复运动，当按照设计要求完成11块标准板的校准后，将组合不同厚度的标准板来继续校准。目前设计的PLC程序能够实现11块标准板的自动校准，在以后的系统改进要求能够实现多块标准板的同时校准。在控制系统稳定性的前提条件下，加快取板回板速度，使自动校准装置效率更高。另外，在手工编写程序时必须单步过程模块化，便于故障的排除以及程序的编写。同时PLC的端口要有冗余，为防止端口损坏和后续增加模块做准备[4]。主程序要根据现有的条件实现相应的动作流程。本PLC控制程序自动标定动作下的主程序流程图如图5所示。

4 结论

自动校准装置是为了解决钢铁工业中IMS X_ray测厚仪的手工校准效率低，不能够在每次周期检修时完成全通道的校准和校准过程中测厚仪发射的X射线对人体危害较大等问题而设计的。经实际现场证明，较之前人工换板完成IMX X_ray测厚仪所有通道校准所需的16小时，该自动校准装置测量时间仅需2小时，并且能够取代现场人工选板、换板操作，大大提高了校准效率，使IMS X_ray测厚仪的全通道标定在每次周期校验时就能完成，保证了带钢轧制厚度的精度，使测厚仪在最佳特性下工作；同时在同类型的测厚仪下可以很好的推广应用。

[1]万胜兹.IMS X射线测厚仪在天津鞍钢天铁1750mm轧机上的应用[J].天津冶金,2012,3:50-51.

[2]任波伟,李乐榕,等.IMS公司测厚仪在宝钢1420轧机上的应用[J].自动化仪表,2007,9:97-99.

[3]FX3G.FX3U.FX3GC.FX3UC系列微型可编程控制器，编程手册[Z].2012.

[4]台达ASDA-B2系列伺服驱动器及ECMA系列伺服马达使用手册[Z].2012.

[5]谢建新,王豪,徐文艳.基于PLC的自动收板机的研制[J].制造业自动化,2013,35(6),114-117.