CN103464525B - 一种实现卷取机与光电检测装置同步移动的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种实现卷取机与光电检测装置同步移动的方法及分离式光电卷取纠偏控制系统，用于冷轧带材生产线的纠偏控制。利用设置在带材某侧边缘的光电检测装置计算出不受光源老化和污染影响的带材某侧边缘的绝对位置和带材偏移量；控制器PLC一方面根据边缘绝对位置向伺服驱动器发出方向和位置的脉冲信号驱动伺服电机转动，带动光电检测装置跟踪带材边缘；另一方面延时一定时间后，根据带材偏移量向伺服放大器发送控制信号，伺服放大器发送电流信号给伺服阀去控制液压缸驱动卷取机对带材边缘进行跟踪。本发明简单实用，实现了卷取机与光电式检测装置机械上分离，但电气上同步移动的目的，保证光电式卷取EPC纠偏控制的测量精度和纠偏效果。

Description

一种实现卷取机与光电检测装置同步移动的方法及系统

技术领域

本发明属于光机电液一体化的测量技术领域，具体涉及一种实现卷取机与光电检测装置机械上分离但同步移动的方法及对应的光电式纠偏控制系统。

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～400mm）。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。在冷轧生产线上，开卷机的纠偏和中间纠偏控制（CPC）是对带材边缘位置的偏差进行纠正，而卷取机的纠偏（EPC）则是对带材边缘位置进行跟踪。由于带材不会总是在同一点位置运行，卷取机和纠偏检测装置必须随时跟踪带材横移，以保证带材直线卷取。因此在卷取机的纠偏控制（EPC）中，一般地将光电检测装置通过刚性机械臂连接在卷取机上，但是在带材高速卷取时会产生抖动从而使卷取机也随着生产带来振动，卷取机的振动使光电检测装置不能正常工作，影响检测精度，从而造成成品卷会出现塔形卷、溢出边卷和错边卷取的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现卷取机与光电式检测装置机械上分离，但电气上同步移动的方法以及光电式纠偏控制系统，克服由于卷取机的振动而影响光电式检测装置的正常工作的问题，从而保证光电式检测装置的测量精度和带材卷取控制效果。

本发明提供的一种实现卷取机与光电检测装置同步移动的方法，包括如下步骤：

步骤1：在卷取机之前的导向辊的前面、被测带材某一侧边缘的上方设置有光电检测装置，光电检测装置包括主光电检测器和参考光电检测器，通过标定器实测出主光电检测器的视场宽度D_标；

步骤2：对于被测带材的某一侧边缘，通过主光电检测器检测该侧边缘位置的电压信号V_A，通过参考光电检测器检测该侧边缘位置的光源背景亮度的电压信号V_B，将电压信号V_A和V_B发送给控制器PLC；

步骤3：控制器PLC根据电压信号，获得被测带材某一侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置信号V_A/V_B；

步骤4：控制器PLC确定被测带材某一侧边缘的绝对位置D和带材偏移量d；其中，D=V_A/V_B×D_标，带材的偏移量d=D-D_标/2；

步骤5：控制器PLC获取被测带材的运行速度，根据光电检测装置与卷取机的水平距离，计算延时时间t₁；

步骤6：进行光电检测装置跟踪控制，具体是：控制器PLC根据带材边缘绝对位置D通过脉冲接口，向伺服驱动器发出正向或反向的位置脉冲信号驱动伺服电机运动；伺服电机根据位置脉冲信号通过滚珠丝杠带动光电检测装置寻找带材边缘，使该带材边缘置于主光电检测器光路的中心；伺服电机末端的光电编码器将伺服电机的角位移和转速通过脉冲信号的方式反馈至控制器PLC；控制器PLC通过计数器获伺服电机位置的反馈值，以保证主光电检测器光路的中心置于该带材边缘；

步骤7：进行卷取机跟踪控制，具体是：控制器PLC根据带材偏移量d在延迟时间t₁后，向伺服放大器发送0～±5V的电压信号，由伺服放大器输出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缸来驱动卷取机完成对带材边缘的跟踪控制，使带材边缘卷齐，完成纠偏控制；控制过程中，与液压缸联动的磁尺将液压缸的位置反馈到伺服放大器中。

本发明提供的一种分离式光电卷取纠偏控制系统，包括：光源箱、一套光电检测装置、安装支架、控制器PLC、伺服放大器、伺服驱动器、伺服阀、液压站、液压缸、磁尺、伺服电机、以及光电编码器，光电检测装置包括一个主光电检测器和参考光电检测器。安装支架横跨在被测带材的上方，光源箱放置在安装支架的正下方，且位于被测带材的下方。主光电检测器与参考光电检测器均固定在安装支架上横梁的一条沿带材宽度方向设置的滚珠丝杠的滑块上，滚珠丝杠通过伺服电机转动。安装支架位于卷取机之前的导向辊的前面，且主光电检测器与参考光电检测器均位于被测带材同一侧边缘的上方。伺服电机的末端安装有光电编码器。控制器PLC通过脉冲输出接口和方向输出接口与伺服驱动器相连，通过脉冲计数器接口与光电编码器相连。伺服放大器通过导线分别与伺服阀、磁尺相连，磁尺装在液压缸内。伺服阀固定在液压站上。

光源箱通过通光孔垂直向上发射光波，主光电检测器测得代表被测带材边缘位置的电压信号送到控制器PLC，参考光电检测器测得代表被测带材边缘位置的光源背景亮度的电压信号送到控制器PLC；控制器PLC计算得到不受光源老化和污染影响的被测带材边缘的相对位置，并进一步确定被测带材的边缘绝对位置D和带材偏移量d。

控制器PLC根据被测带材的边缘绝对位置向伺服驱动器发出正向或反向的位置脉冲信号驱动伺服电机运动，带动滚珠丝杠驱动光电检测装置寻找带材边缘，并通过计数器获取伺服电机位置的反馈值，使带材边缘置于主光电检测器光路的中心；控制器PLC还根据被测带材的运行速度以及光电检测装置与卷取机的水平距离，计算延时时间t1，并在延迟时间t1后，根据带材偏移量d向伺服放大器发送0～±5V的电压信号。

磁尺中的感应磁环随液压缸的活塞移动，磁尺将液压缸的运动位移反馈给伺服放大器，伺服放大器根据控制器PLC发送来的电压信号和磁尺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；伺服阀根据电流的方向和大小控制液压站的流量去驱动液压缸，从而驱动卷取机跟踪带材某一边缘位置，保证带材边缘卷齐。

本发明实现卷取机与光电检测装置同步移动的方法及光电式纠偏控制系统，具有如下优点和积极效果：

1)本发明的方法及纠偏控制系统实现了卷取机与光电式检测装置机械上分离，但电气上同步移动的目的，保证光电式纠偏控制的测量精度和纠偏效果；

2)光电式纠偏检测装置安装在导向辊之前，避免了由于带材卷径的变化而造成的测量误差，从而保证检测精度和纠偏效果；

3)本发明的方法及纠偏控制系统实现简单，运算不复杂，且保证了光电式纠偏控制系统的运行速度和卷取边缘的整齐度，适用于高速的冷轧生产线。

附图说明

图1本发明提供的分离式卷取机光电检测装置同步移动方法流程图；

图2本发明提供的分离式光电卷取纠偏控制系统框图；

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-卷取机             8-液压缸

9-伺服电机           10-磁尺              11-被测带材          12-导向辊

13-光电编码器        201-主光电检测器     202-参考光电检测器   301-滚珠丝杠

401-控制器PLC        402-伺服放大器       403-伺服驱动器

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实现分离式卷取机与光电检测装置同步移动的方法，通过下述步骤来实现：

步骤1：标定主光电检测器201的视场宽度。

在被测带材11某一侧边缘的上方设置有光电检测装置2，光电检测装置2包括主光电检测器201和参考光电检测器202。光电检测装置2安装在卷取机7之前的导向辊12的前面，则位于被测带材11某边缘上方的主光电检测器201距离带材的高度不随卷径的变化而变化，所以可通过标定器实测出主光电检测器201的视场宽度D_标。

步骤2：获取带材宽度方向某一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PLC401。

在卷取EPC纠偏控制时，通过带材上方一侧设置的主光电检测器201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PLC401；通过带材上方同一侧设置的参考光电检测器202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PLC401。

步骤3：获得带材宽度方向某一侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置信号，即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。

在卷取EPC纠偏控制时，控制器PLC401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，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V_A/V_B。

步骤4：获得被测带材11某侧边缘绝对位置和带材偏移量。

根据步骤1中标定得到的主光电检测器201的视场宽度D_标以及步骤3中得到的带材宽度方向某一侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置信号V_A/V_B，最终得到带材某边缘绝对位置和带材偏移量。

在卷取EPC纠偏控制时，控制器PLC401得到带材某一边缘绝对位置D=V_A／V_B×D_标，带材的偏移量d=D-D_标/2。

步骤5：获取带材运行速度，计算延时时间t₁；

控制器PLC401通过DP通讯接口获取带材的运行速度，根据光电检测装置2与卷取机7的水平距离，计算出延时时间去控制卷取机7动作。

步骤6：进行光电检测装置跟踪控制；

控制器PLC401根据带材边缘绝对位置D通过脉冲接口向伺服驱动器403发出正向或反向的位置脉冲信号驱动伺服电机9运动。伺服电机9根据位置脉冲信号通过滚珠丝杠301带动光电检测装置2寻找带材边缘，使该带材边缘置于主光电检测器201光路的中心。伺服电机9末端的光电编码器13将伺服电机9的角位移和转速通过脉冲信号的方式反馈至控制器PLC401。控制器PLC401可以通过计数器获伺服电机9位置的反馈值，以保证主光电检测器201光路的中心置于该带材边缘。

步骤7：进行卷取机跟踪控制。

通过控制器PLC401根据带材偏移量d向伺服放大器402发送0～±5V的电压信号，电压信号延迟时间t₁输出给伺服放大器402，由伺服放大器402输出0～±300mA带颤振的电流信号给伺服阀5，从而通过伺服阀5控制液压缸8来驱动卷取机7完成对带材边缘的跟踪控制，使带材边缘卷齐，完成纠偏控制。同时与液压缸8联动的磁尺10将液压缸8的位置反馈到伺服放大器402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分离式光电卷取纠偏控制系统，如图2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、卷取机7、液压缸8、伺服电机9、磁尺10和光电编码器13。光电检测装置2包括主光电检测器201和参考光电检测器202，控制箱4包括控制器PLC401、伺服放大器402和伺服驱动器403。

光源箱1放置在安装支架3的正下方处，且安装在被测带材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，且安装支架3位于卷取机7之前的导向辊12的前面。在安装支架3的上横梁上安装有一个主光电检测器201与一个参考光电检测器202，且均位于被测带材11一侧边缘的上方。主光电检测器201与参考光电检测器202均通过安装板一起固定在安装支架3上的一条沿带材宽度方向设置的滚珠丝杠301的滑块上，滚珠丝杠301通过伺服电机9转动。由此随着被测带材11边缘位置的变化，控制器PLC401可控制伺服驱动器403去驱动伺服电机9转动滚珠丝杠301，从而带动连有主光电检测器201和参考检测器202的滑块在被测带材11宽度方向上，向沿滚珠丝杠301轴线方向同步向内或向外移动，从而能自动跟踪被测带材11的边缘。

对于卷取EPC控制时，在开始生产前由伺服电机9驱动光电检测装置2自动寻找带材某一边缘，并且使该带材边缘置于主光电检测器201光路的中心，且带材位于设备中心线上，而同时卷取机7也位于设备中心线上。

主光电检测器201和参考光电检测器202均通过导线与控制器PLC401相连，主光电检测器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PLC401，参考光电检测器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边缘位置的光源背景亮度的电压信号送到控制器PLC401。控制器PLC401通过由主光电检测器201和参考光电检测器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同一侧边缘位置的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。生产运行时，控制器PLC401根据得到的带材边缘的相对位置和主光电检测器201的视场宽度，进一步获取被测带材11的边缘绝对位置D和带材偏移量d。

控制器PLC401控制光电检测装置2跟踪带材边缘形成一个闭环回路。控制器PLC401通过脉冲输出接口和方向输出接口与伺服驱动器403相连，控制器PLC401根据带材边缘绝对位置信号D通过连接电缆向伺服驱动器403发出正向或反向的位置脉冲信号驱动伺服电机9运动，从而通过滚珠丝杠301带动光电检测装置2寻找被测带材11的边缘，使得带材边缘置于主光电检测器201光路的中心。控制器PLC401通过脉冲计数器接口与伺服电机9末端的光电编码器13相连，光电编码器13将伺服电机9的角位移和转速通过脉冲信号的方式反馈至控制器PLC401，控制器PLC401通过计数器获取伺服电机位置的反馈值，以保证主光电检测器光路的中心置于该带材边缘。

控制器PLC401控制卷取机7跟踪带材边缘形成一个闭环回路。伺服放大器402通过导线与伺服阀5、磁尺10相连，磁尺10装在液压缸内，磁尺10中感应磁环随液压缸8的活塞移动，磁尺10将液压缸8的运动位移通过4-20mA的模拟信号反馈到伺服放大器402中，保证纠偏控制系统的稳定性和准确性。控制器PLC401获取被测带材的运行速度，根据光电检测装置2与卷取机7的水平距离，计算延时时间t₁。控制器PLC401通过导线与伺服放大器402相连，并根据带材偏移量d在延迟时间t₁后向伺服放大器402发送0～±5V的电压信号。伺服放大器402根据控制器PLC401发送来的电压信号和磁尺10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的流量去驱动液压缸，从而驱动卷取机7跟踪带材某一边缘位置，保证带材边缘卷齐。

控制器PLC401通过两路信号分别控制光电检测器2和卷取机7的运动，达到了虽然卷取机7与光电式检测装置2机械上分离，但电气上同步移动的目的，从而保证光电式卷取EPC纠偏控制的准确性和稳定性。

实施例1

以某钢厂950mm冷轧厂带钢连续退火线的出口段卷取机所设计的EPC纠偏控制为例，该生产线的产品规格为：

带钢宽度：600mm～850mm

带钢厚度：0.3mm～1.0mm

机组速度：max80m/min

退火线中出口段的卷取机7与之前的导向辊12的距离为1500mm，一套光电检测装置2安装在水平距离导向辊12之前的400mm，垂直距离辊道平面1200mm的上方，使主光电检测器201光路的中心置于带材某一边缘位置，主光电检测器201的视场宽度标定为50mm，这样保证了不会由于带材卷径变化而造成光电检测装置的测量误差。在生产线运行时，控制器PLC401根据光电检测装置2检测的带材边缘信号，一方面控制伺服驱动器403驱动伺服电机9转动，从而通过滚珠丝杠301带动光电检测装置2追踪带材边缘；另一方面通过控制伺服放大器402去控制伺服阀5，从而驱动液压缸8来完成卷取机7对带材边缘的跟踪。利用本发明的光电式纠偏控制系统以及方法，达到了卷取机7和光电检测装置2在机械上没有刚性连接，但电气上同步跟踪带材边缘的目的，完成卷取EPC的纠偏控制，保证带材边缘卷齐。

Claims (2)

1.一种分离式光电卷取纠偏控制系统，包括光源箱、一套光电检测装置、安装支架、控制器PLC、伺服放大器、伺服驱动器、伺服阀、液压站、液压缸、磁尺、伺服电机以及光电编码器；安装支架横跨在被测带材的上方，光源箱放置在安装支架的正下方，且位于被测带材的下方；光电检测装置包括一个主光电检测器和参考光电检测器；主光电检测器与参考光电检测器均固定在安装支架上横梁的一条沿带材宽度方向设置的滚珠丝杠的滑块上，滚珠丝杠通过伺服电机转动；其特征在于：所述的安装支架位于卷取机之前的导向辊的前面，且主光电检测器与参考光电检测器均位于被测带材同一侧边缘的上方；在伺服电机的末端安装有光电编码器；控制器PLC通过脉冲输出接口和方向输出接口与伺服驱动器相连，通过脉冲计数器接口与光电编码器相连；伺服放大器通过导线分别与伺服阀、磁尺相连，磁尺装在液压缸内；伺服阀固定在液压站上；

光源箱通过通光孔垂直向上发射光波，主光电检测器测得代表被测带材边缘位置的电压信号送到控制器PLC，参考光电检测器测得代表被测带材边缘位置的光源背景亮度的电压信号送到控制器PLC；控制器PLC计算得到不受光源老化和污染影响的被测带材边缘的相对位置，并进一步确定被测带材的边缘绝对位置D和带材偏移量d；

控制器PLC根据被测带材的边缘绝对位置向伺服驱动器发出正向或反向的位置脉冲信号驱动伺服电机运动，带动滚珠丝杠驱动光电检测装置寻找带材边缘，并通过计数器获取伺服电机位置的反馈值，使带材边缘置于主光电检测器光路的中心；控制器PLC还根据被测带材的运行速度以及光电检测装置与卷取机的水平距离，计算延时时间t₁，并在延迟时间t₁后，根据带材偏移量d向伺服放大器发送0～±5V的电压信号；

磁尺中的感应磁环随液压缸的活塞移动，磁尺将液压缸的运动位移反馈给伺服放大器，伺服放大器根据控制器PLC发送来的电压信号和磁尺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；伺服阀根据电流的方向和大小控制液压站的流量去驱动液压缸，从而驱动卷取机跟踪带材某一边缘位置，保证带材边缘卷齐。

2.一种利用权利要求1所述的控制系统实现卷取机与光电检测装置同步移动的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在卷取机之前的导向辊的前面、被测带材某一侧边缘的上方设置有光电检测装置，光电检测装置包括主光电检测器和参考光电检测器，通过标定器实测出主光电检测器的视场宽度D_标；

步骤2：对于被测带材的某一侧边缘，通过主光电检测器检测该侧边缘位置的电压信号V_A，通过参考光电检测器检测该侧边缘位置的光源背景亮度的电压信号V_B，将电压信号V_A和V_B发送给控制器PLC；

步骤3：控制器PLC根据电压信号，获得被测带材某一侧边缘不受光源老化和污染影响的相对位置信号V_A/V_B；

步骤4：控制器PLC确定被测带材的某一侧边缘的绝对位置D和带材偏移量d；其中，D＝V_A/V_B×D_标，带材的偏移量d＝D-D_标/2；

步骤5：控制器PLC获取被测带材的运行速度，根据光电检测装置与卷取机的水平距离，计算延时时间t₁；

步骤6：进行光电检测装置跟踪控制，具体是：控制器PLC根据带材边缘绝对位置D通过脉冲接口，向伺服驱动器发出正向或反向的位置脉冲信号驱动伺服电机运动；伺服电机根据位置脉冲信号通过滚珠丝杠带动光电检测装置寻找带材边缘，使该带材边缘置于主光电检测器光路的中心；伺服电机末端的光电编码器将伺服电机的角位移和转速通过脉冲信号的方式反馈至控制器PLC；控制器PLC通过计数器获伺服电机位置的反馈值，以保证主光电检测器光路的中心置于该带材边缘；

步骤7：进行卷取机跟踪控制，具体是：控制器PLC根据带材偏移量d在延迟时间t₁后，向伺服放大器发送0～±5V的电压信号，由伺服放大器输出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缸来驱动卷取机完成对带材边缘的跟踪控制，使带材边缘卷齐，完成纠偏控制；控制过程中，与液压缸联动的磁尺将液压缸的位置反馈到伺服放大器中。