CN102357561B - 一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法，通过光电检测装置获取带材宽度方向边缘位置电压信号，以及同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度电压信号发送到控制器；由控制器得到带材宽度方向边缘位置上不受光源老化和污染影响的相对位置信号；控制器根据开卷机或卷取机中辊筒光电编码器的脉冲数，与带材厚度参数，得到带材卷径变化量，随后得出光电检测器与带材之间测量高度修正值，通过已标定的光电检测器的视场角得到光电检测器的视场宽度修正值，最终得到带材偏移量发送给伺服放大器板，由伺服放大器板输出电流信号控制液压系统，完成纠偏控制。本发明在不增外设的情况下，保证光电式纠偏控制系统的测量精度和纠偏效果。

Description

一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法

技术领域

本发明属于光机电液一体化的测量技术领域，具体涉及一种用于冷轧生产线上开卷机或卷取机的光电式纠偏控制系统中的纠偏控制方法。

背景技术

在现代化冷轧带材生产线上，由于受生产线较长、机组设备的安装精度、辊子的制造精度和使用后的磨损、带材运行速度快、带材板形不好(如边浪、镰刀弯、焊接偏移等)等各种因素的影响，往往会出现带材跑偏的现象。带材跑偏不仅使带材无法卷齐，而且会使带材表面出现划伤，带材边缘碰撞折边，甚至会造成带材断带和设备损坏等生产事故。为了提高带材质量、降低成本，以满足市场对优质带材的需求，纠偏控制系统已成为冷轧生产线上不可缺少的设备。它广泛应用于冷轧生产线如退火线、酸洗线、镀锌线、平整线、重卷线等领域。

纠偏控制系统根据带材位置检测原理不同，可以分为光电式、电容式、电感式、CCD摄像式等几种检测方式。其中光电式和电感式已经成为纠偏控制系统的首选检测方式。电感式纠偏控制系统运行可靠、测量精度较高、免维护，但只能用于磁性带材生产线，测量高度有限制(电感测量框架一般高度为250mm～500mm)。现在常用的光电式纠偏控制系统具有能够克服光源老化和污染、不受外界光的干扰、测量精度高、测量高度范围大等优点，特别适合用在冷轧生产线的开卷机和卷取机的纠偏控制。在冷轧机组中，为了减小滞后，一般地将光电检测装置放在开卷机之后并尽量靠近开卷机，或者光电检测装置安装在卷取机上。但是由于带材卷径不断的变化(开卷时卷径越来越小，卷取时卷径越来越大)，而造成带材与光源、带材与光电检测器之间的距离发生变化，从而影响检测精度和纠偏效果。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供了一种用于冷轧生产线上开卷机或卷取机的光电式纠偏控制系统中的纠偏控制方法，在没有增加外围设备的情况下，可及时修正由于带材卷径的变化而带来的测量误差，从而保证测量精度和控制效果。

本发明一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法，通过下述步骤来实现：

步骤1：标定带材上方设置的光电检测器的视场角∠1；

根据光电检测器距离带材的实际高度h_标和光电检测器在带材上实测的视场宽度D_标，标定出光电检测器的视场角∠1，Tan∠1＝D_标/(2＊h_标)。

步骤2：获取带材宽度方向边缘位置的电压信号，以及同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号，并发送到控制器；

光电检测器通过接收没有完全被带材遮挡的光通量，得到带材宽度方向边缘位置的电压信号；参考检测器通过接收完全不被带材遮挡的光通量，得到同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号。

在开卷机纠偏控制中，通过带材上方两侧设置的光电检测器分别检测到带材左右两侧边缘位置的电压信号V_AL、V_AR到控制器；通过带材上方两侧设置的参考检测器分别检测到带材左右两侧边缘位置光源背景亮度的电压信号V_BL、V_BR，发送到控制器；在卷取机纠偏控制中，通过带材上方一侧设置的光电检测器检测到带材一侧边缘位置的电压信号V_A，并通过带材上方同一侧设置的参考检测器检测到带材同一侧边缘位置的光源背景亮度的电压信号V_B，并发送到控制器。

步骤3：获得带材宽度方向边缘位置上不受光源老化和污染影响的相对位置信号；

控制器根据接收到的带材宽度方向边缘位置的电压信号，以及同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号，得到带材同侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置。

在开卷机纠偏控制中，控制器根据接收到的带材右侧边缘位置的电压信号V_AR与光源背景亮度的电压信号V_BR，通过V_AR/V_BR得到带材右侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置；控制器根据接收到的带材左侧边缘位置的电压信号V_AL与光源背景亮度的电压信号V_BL，通过V_AL/V_BL得到左侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置；在卷取机纠偏控制中，控制器根据接收到的带材一侧边缘位置的电压信号V_A与同一侧边缘位置的光源背景亮度的电压信号V_B，通过V_A/V_B获取带材一侧边缘上不受光源老化和污染影响的相对位置；

步骤4：获得开卷机或卷取机的辊筒卷半径R；

根据控制器中的计数器得到开卷机或卷取机辊筒上安装的光电编码器的脉冲数，从而获得开卷机或卷取机辊筒的圈数n，再乘以带材的厚度T，得到开卷机或卷取机辊筒卷半径的减小量ΔR或增加量ΔR’，由此实时得到开卷机或卷取机辊筒卷半径值R；

步骤5：获得光电检测器的视场宽度修正值D；

通过控制器得出带材倾斜角度tan∠2＝(a-R)/x；其中，x为导向辊中心到开卷机或卷取机辊筒中心的距离，a为辊道平面到开卷机或卷取机辊筒轴线所在水平面的垂直距离。进而得到光电检测器与带材之间的高度变化差h2＝x1×tan∠2＝x1×(a-R)/x，其中，x1为开卷机或卷取机辊筒中心到光电检测器中心线的距离；由此根据步骤1中标定的光电检测器的视场角∠1，得出光电检测器的视场宽度修正值D＝2×(h-h2-R)×tan∠1；其中，h为光电检测器到开卷机或卷取机辊筒轴线所在水平面的垂直距离。

步骤6：获得带材的偏移量d；

根据步骤3中得到的带材宽度方向边缘位置上不受光源老化和污染影响的相对位置信号，以及步骤5中得到的光电检测器的视场宽度修正值，最终得到带材的偏移量；在开卷机纠偏控制中，通过控制器得到带材右侧的边缘绝对位置D_R＝V_AR/V_BR×D，与带材左侧的边缘绝对位置D_L＝V_AL/V_BL×D，由此，得到带材的偏移量d＝D_R-D_L；在卷取机纠偏控制中，通过控制器得出带材的偏移量d＝V_A/V_B×D-D/2。

步骤7：进行纠偏控制；

通过控制器将带材偏移量的发送到伺服放大器板，由伺服放大器板输出电流信号给伺服阀，从而通过伺服阀控制液压站的液压缸来驱动执行机构完成纠偏控制，使带材回到初始位置或带材边缘卷齐。

本发明的优点在于：

1)本发明纠偏控制方法在不增加额外设备的情况下，修正了由于被测带材卷径变化而引起的测量误差，保证光电式纠偏控制系统的测量精度和纠偏效果；

2)本发明的方法简单，保证光电式纠偏控制系统的运行速度，适用于高速的冷轧生产线。

附图说明

图1为本发明光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法流程图；

图2为本发明中光电式纠偏控制中卷径与检测高度关系图；

图3为本发明中光电式检测器透镜视场与检测高度关系图；

图4为采用本发明纠偏控制方法的纠偏控制系统结构框图。

图中：

1-光源箱          2-光电检测装置    3-安装支架      4-控制箱

5-伺服阀          6-液压站          7-执行机构      8-位移传感器

9-驱动电机        10-光电编码器     11-被测带材     12-导向辊

201-光电检测器    202-参考检测器    301-滑动丝杠    401-控制器

402-伺服放大器板

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法，如图1所示，通过下述步骤来实现：

步骤1：标定光电检测器的视场角；

根据位于带材上方设置的光电检测器距离带材的实际高度h_标和光电检测器在带材上实测的视场宽度D_标，标定出光电检测器的视场角∠1，Tan∠1＝D_标/(2＊h_标)。

步骤2：获取带材宽度方向边缘位置的电压信号，以及同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号，并发送到控制器；

光电检测器通过接收没有完全被带材遮挡的光通量，得到带材宽度方向边缘位置的电压信号，并发送给控制器；参考检测器通过接收完全不被带材遮挡的光通量，得到同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号。

在开卷机纠偏控制中，通过带材上方两侧设置的光电检测器分别检测到带材左右两侧边缘位置的电压信号V_AL、V_AR到控制器；通过带材上方两侧设置的参考检测器分别检测到带材左右两侧边缘位置光源背景亮度的电压信号V_BL、V_BR，发送到控制器。

在卷取机纠偏控制中，通过带材上方一侧设置的光电检测器检测到带材一侧边缘位置的电压信号V_A，并发送到控制器；通过带材上方同一侧设置的参考检测器检测到带材同一侧边缘位置的光源背景亮度的电压信号V_B，并发送到控制器。

步骤3：获得带材宽度方向边缘位置上不受光源老化和污染影响的相对位置信号，即为带材同侧边缘位置的电压信号与光源背景亮度电压信号的比值；

控制器根据接收到的带材宽度方向边缘位置的电压信号，以及同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号，经过运算得到带材同侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置。

在开卷机纠偏控制中，控制器根据接收到的带材右侧边缘位置的电压信号V_AR与光源背景亮度的电压信号V_BR，通过V_AR/V_BR得到带材右侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置；控制器根据接收到的带材左侧边缘位置的电压信号V_AL与光源背景亮度的电压信号V_BL，通过V_AL/V_BL得到左侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置。

在卷取机纠偏控制中，控制器根据接收到的带材一侧边缘位置的电压信号V_A与同一侧边缘位置的光源背景亮度的电压信号V_B，通过V_A/V_B获取带材这一侧边缘上不受光源老化和污染影响的相对位置。

步骤4：获得开卷机或卷取机的辊筒卷半径R；

根据控制器中的计数器得到开卷机或卷取机的辊筒光电编码器的脉冲数，获得辊筒的圈数n，再乘以带材的厚度T，得到辊筒卷半径的减小量ΔR或增加量ΔR’，由此可实时得到辊筒卷半径值R。

在开卷机纠偏控制中，R＝R0-ΔR，在卷取机纠偏控制中，R＝R1+ΔR’，其中，R0为带材卷外半径，R1为带材卷内半径。

步骤5：获得光电检测器的视场宽度；

如图2所示，由于开卷机(或卷取机)的辊筒中心与开卷机之后(或卷取机之前)的导向辊中心间距x保持不变，则控制器通过计算得出带材倾斜角度tan∠2＝(a-R)/x；其中，x为导向辊中心到开卷机或卷取机辊筒中心的距离，a为辊道平面到开卷机或卷取机辊筒轴线所在水平面的垂直距离。进而得到光电检测器与带材之间的高度变化差h2＝x1×tan∠2＝x1×(a-R)/x，其中，x1为开卷机或卷取机辊筒轴线到光电检测器中心线的距离；由此根据步骤1中标定的光电检测器的视场角∠1，得出光电检测器的视场宽度修正值D＝2×(h-h2-R)×tan∠1；其中，h为光电检测器到开卷机或卷取机辊筒轴线所在水平面的垂直距离。

步骤6：获得带材的偏移量；

根据步骤3中得到的带材宽度方向边缘位置上不受光源老化和污染影响的相对位置信号，以及步骤5中得到的光电检测器的视场宽度修正值，最终得到带材的偏移量。

在开卷机纠偏控制中，首先，控制器得到带材右侧的边缘绝对位置D_R＝V_AR/V_BR×D，与带材左侧的边缘绝对位置D_L＝V_AL/V_BL×D；由此，得到带材的偏移量d＝D_R-D_L；

在卷取机纠偏控制中，通过控制器得出带材的偏移量d＝V_A/V_B×D-D/2；

步骤7：进行纠偏控制；

通过控制器将带材偏移量d的发送到伺服放大器板，由伺服放大器板输出0～±300mA带颤振的电流信号给伺服阀，从而通过伺服阀控制液压站的液压缸来驱动执行机构完成纠偏控制，使带材回到初始位置或保证带材边缘卷齐，从而完成纠偏控制。同时与执行机构联动的位移传感器将执行机构的位置反馈到伺服放大器板中，以保证纠偏控制的准确性和稳定性。

基于上述方法本发明还提供一种光电式纠偏控制系统，如图4所示，包括光源箱1、光电检测装置2、安装支架3、控制箱4、伺服阀5、液压站6、执行机构7、位移传感器8、驱动电机9和光电编码器10。所述光电检测装置2包括光电检测器201和参考检测器202，控制箱4包括控制器401和伺服放大器板402，执行机构7可为开卷机或卷取机。

其中，光源箱1安装在被测带材11的下方，在光源箱1的上方开有通光孔并罩有有机玻璃，由此对光源进行保护，光源箱1通过通光孔垂直向上发射光波。安装支架3横跨在被测带材11的上方，光电检测器201和参考检测器202安装在安装支架3上方。当执行机构7为开卷机时，在安装支架3上方安装有两个光电检测器201与两个参考检测器202，且其中一个光电检测器201与一个参考检测器202位于被测带材11一侧边缘上方，另一个光电检测器201与另一个参考检测器202位于被测带材11另一侧边缘上方。当执行机构7为卷取机时，在安装支架3上安装有一个光电检测器201与一个参考检测器202，且均位于被测带材11一侧边缘上方。上述的光电检测器201与参考检测器202均通过安装板固定在安装支架3上的一条沿带材宽度方向设置的滑动丝杠301的滑块上，滑动丝杠301通过驱动电机9(直流步进电机)转动，由此随着被测带材11宽度的变化，控制器401可控制驱动电机9驱动滑动丝杠301转动，从而带动连有光电检测器201和参考检测器202的滑块在被测带材11宽度方向上同步向内或向外移动，从而能自动寻找被测带材11的边缘。

上述光电检测器201、参考检测器202均通过导线与控制器401相连，光电检测器201用来接收部分没有被被测带材11遮挡的光通量，得到代表被测带材11边缘位置的电压信号送到控制器401，参考检测器202用来接收完全不被被测带材11遮挡的光通量，得到代表被测带材11同测边缘光源背景亮度的电压信号送到控制器401。控制器401通过由光电检测器201和参考检测器202发送的代表被测带材11边缘位置的电压信号与代表被测带材11同测边缘光源背景亮度的电压信号，得到不受光源老化和污染影响的被测带材11宽度方向边缘的相对的位置信号。

所述光电编码器10安装在执行机构7的辊筒上，并与控制器401相连，通过控制器401中的计数器得到光电编码器10的脉冲数。控制器401还与伺服放大器板402相连，控制器401通过获取的光电编码器10的脉冲数，结合被测带材11的厚度，得到卷绕在执行机构7辊筒上的被测带材11实时的半径，然后根据几何三角关系得出光电检测器201与被测带材11之间的高度变化量，再通过光电检测器201中透镜组的视场角得出的光电检测器201的视场宽度修正值，从而得出精确的被测带材11边缘的绝对位置信号，最终得到被测带材准确的偏移量，并发送给伺服放大器板402。

伺服放大器板402通过导线与伺服阀5、位移传感器8相连，位移传感器8焊接在执行机构7机身上，且使位移传感器8的检测抽头的方向与执行机构7运动方向平行，由此保证位移传感器8的检测抽头与执行机构7随动，通过位移传感器8将执行机构7的运动位移反馈到伺服放大器板8中，保证纠偏控制系统的稳定性和准确性。伺服放大器板402根据控制器401发送来的被测带材11偏移量和位移传感器8的反馈信号经过硬件处理输出0～±300mA带颤振的电流信号给伺服阀5。伺服阀5通过螺钉固定在液压站6上，伺服阀根据电流的方向和大小控制液压站6中的液压缸驱动执行机构7完成被测带材的纠偏，使被测带材边缘卷齐。

实施例1

以某钢厂1250mm冷轧厂带钢连续退火线中的入口段开卷机的纠偏控制为例，该生产线的产品规格为：

带钢宽度：600mm～1250mm    卷内径：508mm

带钢厚度：0.3mm～1.0mm     卷外径：1200mm～2000mm

机组速度：max110m/min

退火线中入口段的开卷机与导向辊12的距离为2000mm，在距离开卷机800mm的带钢上方两侧设置光电检测器201和参考检测器202。根据带钢卷外径的范围，光电检测器201距离辊道平面的安装高度为1200mm，辊道平面到辊筒中心线的距离为800mm，光电检测器201的视场角现场标定为10°。在生产线运行时，随着开卷机辊筒卷径越来越小，带钢与辊道平面的倾斜角度越来越大，控制器401实时得出光电检测器201的测量高度的修正值，用于修正光电检测器201的视场宽度，得到精确的带钢偏移量信号发送给伺服放大器板402，伺服放大器板402输出电流给伺服阀控制液压站5驱动开卷机左右直线运动，最终使带钢回到初始位置上。

光电式纠偏控制系统的扫描周期一般为5ms～20ms，远远高于带钢的运行速度，而且冷轧带钢的厚度很小，所以本发明中的控制器401不用在每次扫描周期内都得出测量高度和视场宽度的修正值，可以每隔100～300个扫描周期后更新一次光电检测装置的测量高度及视场宽度的修正值，由此既可以减少控制器401的工作周期，又可以保证光电检测装置2的测量精度。

Claims (5)

1.一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法，其特征在于：通过下述步骤来实现：

步骤1：标定带材上方设置的光电检测器的视场角∠1；

根据光电检测器距离带材的实际高度h_标和光电检测器在带材上实测的视场宽度D_标，标定出光电检测器的视场角∠1，Tan∠1=D_标/（2*h_标）；

步骤2：获取带材宽度方向边缘位置的电压信号，以及同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号，并发送到控制器；

光电检测器通过接收没有完全被带材遮挡的光通量，得到带材宽度方向边缘位置的电压信号；参考检测器通过接收完全不被带材遮挡的光通量，得到同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号；

在开卷机纠偏控制中，通过带材上方两侧设置的光电检测器分别检测到带材左右两侧边缘位置的电压信号V_AL、V_AR到控制器；通过带材上方两侧设置的参考检测器分别检测到带材左右两侧边缘位置光源背景亮度的电压信号V_BL、V_BR，发送到控制器；在卷取机纠偏控制中，通过带材上方一侧设置的光电检测器检测到带材一侧边缘位置的电压信号V_A，并通过带材上方同一侧设置的参考检测器检测到带材同一侧边缘位置的光源背景亮度的电压信号V_B，并发送到控制器；

步骤3：获得带材宽度方向边缘位置上不受光源老化和污染影响的相对位置信号；

控制器根据接收到的带材宽度方向边缘位置的电压信号，以及同侧带材宽度方向边缘位置的光源背景亮度的电压信号，得到带材同侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置；

在开卷机纠偏控制中，控制器根据接收到的带材右侧边缘位置的电压信号V_AR与光源背景亮度的电压信号V_BR，通过V_AR/V_BR得到带材右侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置；控制器根据接收到的带材左侧边缘位置的电压信号V_AL与光源背景亮度的电压信号V_BL，通过V_AL/V_BL得到左侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置；在卷取机纠偏控制中，控制器根据接收到的带材一侧边缘位置的电压信号V_A与同一侧边缘位置的光源背景亮度的电压信号V_B，通过V_A/V_B获取带材一侧边缘上不受光源老化和污染影响的相对位置；

步骤4：获得开卷机或卷取机的辊筒卷半径R；

根据控制器中的计数器得到开卷机或卷取机辊筒上安装的光电编码器的脉冲数，从而获得开卷机或卷取机辊筒的圈数n，再乘以带材的厚度T，得到开卷机或卷取机辊筒卷半径的减小量△R或增加量△R’，由此实时得到开卷机或卷取机辊筒卷半径值R；

步骤5：获得光电检测器的视场宽度修正值D；

通过控制器得出带材倾斜角度tan∠2=(a-R)／x；其中，x为导向辊中心到开卷机或卷取机辊筒中心的距离，a为辊道平面到开卷机或卷取机辊筒轴线所在水平面的垂直距离；进而得到光电检测器与带材之间的高度变化差h2=x1×tan∠2=x1×(a-R)／x，其中，x1为开卷机或卷取机辊筒轴线到光电检测器中心线的距离；由此根据步骤1中标定的光电检测器的视场角∠1，得出光电检测器的视场宽度修正值D=2×（h-h2-R）×tan∠1；其中，h为光电检测器到开卷机或卷取机辊筒轴线所在水平面的垂直距离；

步骤6：获得带材的偏移量d；

根据步骤3中得到的带材宽度方向边缘位置上不受光源老化和污染影响的相对位置信号，以及步骤5中得到的光电检测装置的视场宽度修正值，最终得到带材的偏移量；在开卷机纠偏控制中，通过控制器得到带材右侧的边缘绝对位置D_R=V_AR／V_BR×D，与带材左侧的边缘绝对位置D_L=V_AL／V_BL×D，由此，得到带材的偏移量d=D_R-D_L；在卷取机纠偏控制中，通过控制器得出带材的偏移量d=V_A／V_B×D-D/2；

步骤7：进行纠偏控制；

通过控制器将带材偏移量发送到伺服放大器板，由伺服放大器板输出电流信号给伺服阀，从而通过伺服阀控制液压站的液压缸来驱动执行机构完成纠偏控制，使带材边缘卷齐。

2.如权利要求1所述一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法，其特征在于：所述步骤4中，在开卷机中纠偏控制中，R=R0-△R，在卷取机纠偏控制中，R=R1+△R’，其中，R0为带材卷外半径，R1为带材卷内半径。

3.如权利要求1所述一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法，其特征在于：所述步骤7中，伺服放大器板输出0～±300mA带颤振的电流信号。

4.如权利要求1所述一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法，其特征在于：所述步骤7中，位移传感器将执行机构的位置实时反馈到伺服放大器板中。

5.如权利要求1所述一种冷轧生产线上光电式纠偏控制系统的纠偏控制方法，其特征在于：所述控制器每隔100～300个扫描周期后更新一次光电检测器的检测高度及光电检测器视场宽度的修正值。

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