對于連續式生產線帶鋼跟蹤方法的研究

隋靜博 王赤

摘要：本文介紹了冷軋工藝連續生產線中帶鋼跟蹤的主要方法，以及焊縫跟蹤的基本原理和作用，結合連續式生產線的生產設備特性，闡述了冷軋帶鋼在連續式生產線中焊縫檢測的多種方法及原理。分析了焊縫跟蹤檢測信號故障的常見原因，并總結了當前主流校正解決焊縫跟蹤檢測信號故障的解決方法和相關經驗。

關鍵詞：焊縫跟蹤;檢測方法;信號故障;跟蹤校正

Abstract： This article introduces the main methods of strip tracking in the continuous production line of cold rolling process， as well as the basic principle and function of weld tracking. Combined with the characteristics of the production equipment of the continuous production line， this article expounds various methods and principles of weld detection of cold rolled strip in the continuous production line. The common causes of weld tracking detection signal faults are analyzed， and the current mainstream correction methods and relevant experience to solve weld tracking detection signal faults are summarized.

Key Words： Welded seam tracking; Detection method; Signal fault; Tracking correction;

正文：

1、引言

隨著我國冷軋技術的不斷成熟，市場經濟的飛速發展和國民經濟建設需求的一路高漲，市場對適用于生產汽車、家電、建筑結構及輕工五金等行業的冷軋、熱鍍鋅等高技術含量、高附加值的板材產品的需求量也持續增長。

目前我國冷軋帶鋼的生產工藝和裝備技術均已達到國際先進的生產技術水平，連續式生產機組的應用成為冷軋生產的主要方式。連續式生產線具有產量大、效率高、質量好、勞動定員少、節省占地面積和投資等多種優點，能夠使生產企業迅速占領目標市場。

隨著冷軋自動化控制水平和帶鋼表面質量要求的不斷提高，在冷軋機組全線自動化、無人化的控制過程中，對線上帶鋼的實時狀態參數、設定值下達和監測的準確性都提出了更高的要求。這其中作為數據基礎和關鍵技術的一項就是對線上帶鋼進行準確的跟蹤定位。目前世界先進的控制系統多采用焊縫跟蹤加輔助手段修正的方法對線上帶鋼進行有效、實時的跟蹤監控。

連續式生產機組一般在機組入口段設置激光焊機或者窄搭接焊機，原料卷上料后經過開卷機開卷，直頭并切除帶鋼頭尾超差部分后，由焊機將前一卷帶鋼尾部與后一卷帶鋼頭部進行焊接，然后進入機組進行工藝處理，實現連續式生產。處理后的帶鋼經機組出口段卷取機進行卷取，根據產品卷的重量或長度要求，由出口段飛剪進行分卷，剪掉焊接點——焊縫，生產進行期間，焊縫也隨著帶鋼一起在生產線上運行。

連續式生產一般會有多個鋼卷同時在線進行處理，能夠準確地對每個鋼卷的位置進行實時跟蹤、準確反映焊縫在各生產線設備中的運行狀況，無論是對全線生產工藝情況的掌握、設備運行狀態和動作的控制，預防斷帶事故的發生，提高產品生產的質量，還是對一級基礎自動化系統的實時數據采集，二級過程控制系統設定值的計算和分發，處理過程中帶鋼數據的實時采集和分析都是十分重要的生產環節。如何達到生產效率高、焊縫位置判斷準確、斷帶故障率低的目標成為生產的關鍵技術之一。

2、帶鋼跟蹤的原理和方法

目前，對于連續式生產線上帶鋼的跟蹤，主要有兩種途徑：一級系統的微觀實物檢測跟蹤——焊縫跟蹤，和二級系統的宏觀區域跟蹤——物料跟蹤。通過兩種途徑得到的數值互相比較，從而達到互相驗證、互相糾正的效果，使跟蹤結果更加精確，實現更高的控制精度，并能夠在HMI上顯示全線的實時動態畫面。

帶鋼的跟蹤主要有兩方面的作用：

（1）用于跟蹤監視生產線上各帶鋼的實際位置，便于觸發相關設備動作以及操作工掌握帶鋼的實時位置;

（2）將入口處獲取的控制參數，如各區域張力、拉矯機延伸率等PDI數據隨著帶鋼前進同步傳遞，使全線均能夠根據當前位置帶鋼的特性進行相應的自動調節，生成PDO數據隨帶鋼（鋼卷）進入下一處理環節。

2.1 焊縫跟蹤檢測的工作原理及其主要作用

在連續式冷軋帶鋼工藝處理生產工序中，鋼卷在入口段由開卷機開卷，經過焊機將前一個鋼卷的帶尾和后一個鋼卷的帶頭焊接形成可連續生產的帶鋼，經過工藝段處理后，在出口段由出口剪切分卷取成新的成品卷。

帶鋼在完成相應的工藝處理過程中，由于有焊縫的存在，生產線上的關鍵設備如軋機、平整機、拉矯機和圓盤剪等在焊縫到來時要打開使帶鋼順利通過，或者根據生產工藝需要及時準確地做出相應的機械動作。

帶鋼跟蹤系統以焊縫檢測為基礎，通過計算焊縫與檢測設備之間的距離對帶鋼在生產線上的運行狀況及所處的位置進行跟蹤。通過每個掃描周期所對應的帶鋼運行距離，并與機組上的各個分區聯系起來，超過一個分區的距離，默認焊縫進入下一個分區，從而能夠較精確的跟蹤帶鋼焊縫在機組的位置，從而得到帶鋼的位置信息，并將實時采集的工藝數據與處在對應位置上的帶鋼對應起來，記錄為帶鋼數據。這些保存的數據，為產品質量分析、工藝水平改善提供了可靠的依據。

同時，焊縫跟蹤檢測在生產過程中對連續生產的順利進行、機組設備的保護、規定動作的完成都具有重要作用，例如：

（1）當焊縫通過光整機或者平整機這類軋制設備時，由于軋制力比較大，容易對焊縫產生影響，造成焊縫處斷裂，形成斷帶事故。通過焊縫追蹤檢測系統，提前發出信號，在焊縫即將進入軋制設備前，將輥縫快速打開，或者切換到軟軋制力模式進行軋制，保護軋輥設備，防止帶鋼斷帶，影響產線連續生產，提高效率;

（2）圓盤剪需要換刀或者焊縫前后帶鋼寬度規格發生變化的時候，要求焊縫必須準確的停在圓盤剪前，以便月牙剪在帶鋼邊部剪切出月牙形，方便帶鋼通過圓盤剪;

（3）當焊縫通過拉矯機的時候，要求拉矯機輥縫打開，防止斷帶;

（4）出口段卷取機上鋼卷卷取即將完畢時，出口段速度降低至爬行速度，要求當焊縫在出口剪處時產線準確停車，以便出口剪在焊縫處切分帶鋼形成成品卷。

2.2 使用焊縫檢測儀進行焊縫檢測的原理及特點

通常在全線的重要設備前都配置有焊縫檢測儀，焊縫檢測儀主要用于連續式生產線，通過檢測連續式帶鋼焊縫附近的小孔達到檢出焊縫的目的，準確跟蹤焊縫在生產線上的對應位置。

焊縫檢測儀由發射器和接收器兩部分組成。帶狀鋼板從發射器和接收器之間穿過，發射器通過線狀分布的一系列凸透鏡發射出一串經調制的紅外線平行光。焊縫附近的小孔未到時，這些光束被鋼板遮擋，不能到達接收器。當焊縫到達時，光線將通過焊縫附近的小孔被接收器接收到。接收器上同樣有一系列的凸透鏡，當接收器檢測到移動的小孔時，它們將到達表面的平行光會聚到位于透鏡焦點的紅外探測器上，經光電轉換、放大、濾波及其它一系列的信號處理，最終輸出開關量的繼電器觸點信號或電平信號。

2.3 使用編碼器進行焊縫檢測的原理及特點

要實現焊縫跟蹤，還可以通過編碼器來計算焊縫的位置。編碼器一般安裝在不易打滑的張力輥上。根據張力輥旋轉一周產生的脈沖數，即張力輥輥徑和一個掃描周期中實際產生的脈沖數，即可得到這個掃描周期內帶鋼運行的長度。焊縫從焊機處到張力輥的距離是固定的，從而可以計算出某一特定時間內焊縫運行的相對位置。

在生產線的入口和出口一般都設有帶鋼活套。與生產線上其他固定位置的設備不同，活套內的帶鋼長度是在不斷變化的。可以通過活套小車上安裝的位置檢測裝置，即時得知小車所處的準確位置，從而計算出活套內存儲的帶鋼長度。在跟蹤計算的過程中，實時計算出活套內變化的帶鋼長度，即可得到其他設備相對固定的生產線工藝位置，從而跟蹤焊縫通過不斷變化的活套時的準確位置。

3. 焊縫跟蹤檢測信號故障原因分析及解決方法

3.1 焊縫跟蹤檢測信號故障的主要原因

焊縫跟蹤檢測信號故障原因分析起來主要有以下幾種類型：

（1）一般情況下，焊機在將前后兩卷帶鋼焊接完畢，形成焊縫后，會在焊縫的前面沖下一個焊孔。由于現場焊機的問題，經常會出現沖孔沒有完成或被雜質堵住，導致焊縫檢測儀追蹤不到焊縫信號。

（2）由于張力輥長期使用，輥子表面磨損致使輥面摩擦系數降低，導致帶鋼與輥面有相對滑動，造成編碼器計數誤差，影響帶鋼追蹤檢測精度。

（3）帶鋼跑偏導致焊縫前沖壓出來的小孔偏移出焊縫檢測范圍導致焊縫不能正常的被焊縫檢測儀檢測到。

（4）帶鋼本身有其他孔洞，并非是焊接時在焊縫前沖壓的信號檢測孔，在通過焊縫檢測儀時導致跟蹤信號錯誤。

（5）帶鋼在通過活套等非固定距離的設備時，由于帶鋼在活套內的長度是間接通過活套車的位置計算出來的，累計誤差導致跟蹤信號錯誤。

（6）帶鋼在通過拉矯機、平整機等設備時，由于張力和軋制的作用，帶鋼會產生一個小的延伸率，影響帶鋼長度，使通過編碼器計算出來的帶鋼長度小于實際值，累計誤差導致焊縫跟蹤位置不準。

3.2 焊縫跟蹤檢測信號故障的解決方法

隨著冷軋生產工藝設備水平的不斷提高、完善和成熟，相應的自動化控制水平、信息化智能化水平也在不斷的發展提高。隨著我國工業互聯網技術的不斷發展創新，以及5G技術的開發利用，云計算、大數據、人工智能等新一代智能制造技術在鋼鐵領域的應用也越來越廣泛和深入，在冶金行業生產和管理方面，都起到了越來越先進和高效的輔助校正焊縫跟蹤的功能。

（1）開發適合各條生產線實際情況的新算法，以算法為基礎，結合焊縫檢測器修正、張力拉升補償等傳統修正方法所設計的焊縫跟蹤子系統，對焊縫跟蹤結果進行修正。同焊縫檢測儀檢測的信號結果相比較，互相印證或對結果進行修正，能夠有效的避免出現上述所述的各種問題。

（2）有些企業人員配置比較充裕，也可以根據開卷機或者卷取機上的鋼卷剩余大小來初步判定焊縫處的大概位置，在即將通過某些重要設備的時候，及時的做出相應的處理也可以避免帶鋼斷帶的事故發生。

（3）冷軋生產線的L1基礎自動化系統和L2過程控制系統作為傳統的自動化控制系統，在生產過程中具有焊縫跟蹤和物料跟蹤的比對功能。L1系統對生產線各個區域的生產實時數據進行高效采集，同時將必要的數據傳輸給L2系統，L2系統根據全線的生產情況、生產速度、生產節奏以及各設備的在線運行狀態計算每條帶鋼在生產線上的運行位置。

L2系統的物料跟蹤功能基于宏跟蹤的方式，帶鋼以鋼卷形式從生產線入口的第一個鞍座位置進行識別開始，到出口的最后一個鞍座識別結束，中間以焊接后的帶鋼形式出現在連續生產線上，跟蹤覆蓋入口區域、生產線區域和出口區域的整條生產線。跟蹤過程中不斷與L1系統焊縫跟蹤結果進行互相校正修改，當發現與焊縫實際位置出現較大偏差時，需要在L2系統進行人工確認并進行相應操作，校對焊縫實際的準確位置及相關關鍵設備動作。最終L2系統根據準確的跟蹤結果進行預設定值下達、數據采集等L2系統功能。

（4）未來鋼鐵智能制造的發展方向是在自動化的基礎上，廣泛應用大數據和人工智能技術，實現鋼鐵制造的智能化、智慧化。其中數字化工廠系統利用數字化、虛擬現實仿真、可視化、BIM技術以及GIS動態定位技術，以三維可視化模型為載體，借助智能調度大屏幕實現對整條生產線的一比一還原。

作為高科技的輔助手段，數字化工廠可實現和生產制造執行系統、能源管理系統、設備管理系統、物流管理系統對接，獲取工廠的生產、物流、能源、設備、儀表、管線的靜態資料以及動態運行信息。系統還可將DCS、PLC等SCADA系統的實績運行參數進行實時顯示和動作同步，保證三維虛擬工廠和實際工廠的一致性，打造數字化孿生工廠。

用戶可在三維數字化工廠中動態查看全廠級、車間級和設備級的生產運行信息及相關三維模型。可將該生產線或設備的重要生產運行信息從數據庫中獲取并實時發送到三維模型的相關信息面板中，實現秒級的動態數據刷新，來動態跟蹤各重要信息點的變化趨勢和幅度，其中對于機組帶鋼的跟蹤信息，也將在數字化工廠系統中更加真實形象的反饋出來，以此輔助帶鋼線上跟蹤的實際需求。

4. 結束語

隨著科技與時代的不斷發展，冷軋連續式生產線的信息化、智能化管控已經成為了新的發展趨勢，帶鋼跟蹤的作用與意義也越來越重要，帶鋼的跟蹤精度要求也越來越高。各種實用性高、準確性強的新算法在生產實踐中也越來越準確的對帶鋼進行跟蹤計算，為準確記錄生產過程中的工藝狀況、反映產品的詳細工藝參數、調整優化產品結構及大數據質量分析提供了可能，為提高冷軋工藝的整體技術水平，為客戶提供更多更優質的產品提供了依據。隨著各方面軟硬件水平的不斷提高，帶鋼跟蹤的準確性和先進性水平還將不斷地提升。

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