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當(dāng)今較為先進的軋機控制系統(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,磁致伸縮技術(shù)的位移傳感器的優(yōu)點主要有以下方面：

①精度高，傳統(tǒng)位移傳感器的測量精度只有1%F.S左右,因磁致伸縮位移傳感器將位移量轉(zhuǎn)化為發(fā)射和返回脈沖的時間間隔進行測量,測量精度可達(dá)到0.05%F.S；

②可靠性強，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械接觸,沒有摩擦磨損,而且其整個電路轉(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,能勝任大型機械設(shè)備的測量任務(wù)；

④安裝、維護簡便，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,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,便于微機進行聯(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)原理是利用兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號,然后計算這個信號被探測所需的時間周期,從而換算出準(zhǔn)確的位置。這兩個磁場一個來自在傳感器外面的活動磁鐵,另一個則源自傳感器內(nèi)波導(dǎo)管(Waveguide)的電流脈沖,而這個電流脈沖其實是由傳感器頭的固有電子部件所產(chǎn)生的。當(dāng)兩個磁場相交時,所產(chǎn)生的一個應(yīng)變脈沖(Strain Pulse)會以聲音的固定速度運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)變脈沖所需要的時間周期乘以這個固定速度,我們便能準(zhǔn)確的計算出位置磁鐵的變動。這個過程是連續(xù)不斷的,所以每當(dāng)活動磁鐵被帶動時,新的位置很快就會被感測出來。由于輸出信號是一個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。

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?；蚱渌奈廴?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%F.S；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，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)時間快、堅固防震、持久耐用等。

2、磁致伸縮位移傳感器在重軌軋機中的應(yīng)用

重軌粗軋機控制系統(tǒng)已在包鋼軌梁廠應(yīng)用。本系統(tǒng)是一個高精度、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RS485網(wǎng)線連接,數(shù)據(jù)格式采用PROFIBUS-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,在組態(tài)工具下提供的功能包括診斷、監(jiān)視。帶有PROFIBUS-DP接口的磁致伸縮位移傳感器是作為一個站點直接連接到bus網(wǎng)上。磁傳感器可以將最多15個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、機前及機后大小推床位置傳感器都作為其中一個站點掛接到PROFIBUS-DP網(wǎng)上,且直接傳送到主站的CPU 416-2DP上。

2.1 傳感器零點的設(shè)定

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

2.2 位移量的采集計算

由于本系統(tǒng)中,應(yīng)用的位移零點都設(shè)定在某一端。所以程序設(shè)計中不存在判別移動方向問題。當(dāng)設(shè)備移動時,通過讀取站點地址的低位、中位脈沖數(shù)相加再加上預(yù)置時的脈沖數(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)就是工程實際值。

3、重軌粗軋機輥縫調(diào)節(jié)過程及傳感器應(yīng)用

重軌粗軋機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?；究刂七^程如下:在軋制道次切換,PLC程序中檢測到有輥縫值變動時,從程序中輸出的壓下電機給定值通過profibus網(wǎng)控制壓下電機變頻器動作,從而壓下電機執(zhí)行向上或向下動作。當(dāng)輥縫調(diào)大時,壓下電機向上運動,同時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帶動的絲杠運動。最終帶動上輥向上運動。當(dāng)輥縫調(diào)小時,壓下電機向下運動,在壓下電機對上輥平衡系統(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。從機械方面來說,上水平軋輥將通過2個螺旋壓下銷軸和與之連接的蝸輪機構(gòu)來進行調(diào)節(jié)(壓下)。兩個齒輪機構(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電機用來驅(qū)動帶有獨立制動器的軸。同時,1臺液壓缸操作的離合器布置在上輥兩個螺旋壓下機構(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,在操作側(cè)蝸輪機構(gòu)和電液操作的摩擦離合器之間設(shè)置一個制動閘。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,該制動閘通過動作磁鐵來脫開。壓下電機的位置檢測來說,與壓下電機同軸帶一個碼盤變送器,碼盤實際是起雙碼盤的作用,返回一路位置信號到PLC站點,另一路測速信號返回到壓下電機變頻器。所以,壓下電機控制系統(tǒng)實際是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于輥縫探測及計算而言,實際也都是從壓下電機碼盤著手。每次換輥之后,碼盤變送器需要進行校正。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,換輥之后進行理論輥縫計算。實際輥縫通過一同移動軋輥來實現(xiàn)-通過計算上、下輥之間插入墊片來實現(xiàn)。如果實際使用該墊片的話,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,上輥平衡液壓缸內(nèi)還裝有一個傳感器,通過PROFIBUS網(wǎng)與S7-400主站相互通信。從這個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、結(jié) 論

自從應(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。