CN104199467A - 基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于热备份冗余检测技术的热处理炉物料跟踪系统。系统由进料/炉内变频/出料/升降/横移卸料电机，接近开关、上升/下降限位器，断链检测装置、编码器，激光对射仪组，马达控制中心MCC柜、控制系统组成。“3+1”结构的激光对射仪组采用热备份冗余检测技术获取物料位置，检测的物料位置信号按“3取2原则”进行两次逻辑处理；排除了干扰造成的信号失真，消除了干扰造成的工况误判；一旦激光对射仪出现故障，备用激光对射仪投运，提高了物料位置检测的可靠性。热备份冗余物料位置检测结合变频器电机驱动技术，提升了辊底式热处理炉的热处理效率和品质。

Description

基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统及方法

技术领域

本发明属热处理炉物料位置检测和跟踪的技术范畴，特别是指基于热备份冗余位置检测技术的、辊底式热处理炉物料跟踪系统及方法。

背景技术

1868年，俄国冶金学家D.K.切尔诺夫发现钢在加热和冷却过程中存在固态相变现象，并且对相变临界温度点进行了测定，学术界亦将相变临界温度点命名为切尔诺夫点；F.奥斯蒙德用采用热分析法确定钢的相变临界温度，进而建立合金状态图。自此，热处理从工匠手艺脱胎演变成现代的热处理理论和热处理工艺；热处理工艺能改善材料的组织结构、改进材料的性能，使零部件质量和寿命大大提高。热处理炉是热处理工艺的必要设备，辊底式炉占据今日三种主流热处理炉的一席之地；辊底式热处理炉生产的钢材质量好、产量高、易于实现机械化、自动化操作。辊底式热处理炉按辊道驱动方式分成两类：一变频器对应一辊道的一对一驱动方式热处理炉，一变频器对应一组辊道的驱动方式热处理炉；两种驱动方式各有利弊，本发明围绕后者展开。

2013年我国粗钢产量77904万吨，首超世界钢产量的一半；但一个不争的事实是全行业产能过剩、效益下降；淘汰落后的过剩产能，面向市场需求调结构、调生产方式，增加产品的技术含量和附加值是钢铁行业摆脱困境的唯一出路。焊接技术的进步，传统上采用铸造工艺制造的一些大型部件，现逐渐转向中厚钢板焊接结构，这种转移趋势近年来呈加速态势；如轧钢机机架，人字齿轮机座及大型型钢矫直机机架等，均已成功采用中厚钢板焊接结构；甚至主战坦克的楔形装甲也依靠中厚钢板的焊接工艺生产。中厚钢板焊接产品可减轻重量、节约材料、降低制造成本，还能缩短制造工期；而且产品拥有更佳的精度、强度和刚度。优质高效的热处理是生产高性价比中厚钢板的必要条件。辊底式热处理炉作为热处理工艺的关键设备，学术界企业界持续的研究改进工作从未中断：

·借助辐射管加热和脉冲式燃烧技术，辊底式热处理炉的物料温控指标实现了质的提升；因此，辊底式热处理炉的物料加热和控制技术成熟可靠，具备支持中厚钢板高品质热处理的能力。

·得益现代变频技术的发展、变频器驱动的电机转速误差极小，辊底式热处理炉的物料传输精度和可靠性取得了長足进步；因此，辊底式热处理炉的物料传输和控制技术成熟可靠，具备支持中厚钢板高品质热处理的能力。

·借鉴软测量领域的科研成果，辊底式热处理炉的物料位置检测取得了一定的进展；但由于辊底式热处理炉的苛刻工作环境，辊底式热处理炉的物料位置检测无论是精度、还是可靠性，亟待进一步提高；因此，就现有的辊底式热处理炉物料的位置检测技术而言，满足中厚钢板高品质热处理的要求尚有距离。

辊底式热处理炉对物料跟踪精度有严格的要求，是高效率、高品质热处理的前提和基础；辊底式热处理炉的物料位置检测则是物料跟踪的基石。引入航天和核电等领域得到成功应用的热备份冗余检测技术、并辅以变频器驱动电机技术，有望全面提升辊底式热处理炉物料的位置检测精度和可靠性。实践表明，物料跟踪系统中控制装置、传动装置的可靠性和精度能满足物料跟踪的要求，问题源由物料实时位置参数的可靠获取。软测量技术能提高物料跟踪的精度和可靠性，但其效果无法达到令人满意的程度，本发明旨在补上这一课。目前，较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“用于辊底式热处理炉中的物料跟踪控制方法”(专利号ZL200910272331.X)，提出利用了RBF神经网络整定分段速度补偿系数来实现对物料的跟踪控制。

·发明专利“一种提高带钢跟踪精确度的方法”(专利号ZL201010209249.5)，提出修改各PLC相关程序，增加检测手段和通讯接口，改善系统和分区结构，通过物料跟踪系统与相关系统的有效通讯和联系，提高出口成品卷数据检测和存储准确性。

·发明专利“一种用于物料跟踪系统的容错控制方法及系统”(ZL201210165935.6)，提出通过对采集的光栅实时信号进行质量分析，减少因光栅误信号导致的炉内物料跟踪混乱问题。

上述有益探索，提出采用软测量和信号质量分析技术提高物料跟踪精度和可靠性的方法，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限；因此，有必要在现有研究成果的基础上作深入的研究与创新，探寻现有物料位置检测和跟踪技术的替代方案。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统及方法。

一种基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统包括辊底式热处理炉的传动检测系统和控制系统；

辊底式热处理炉的传动检测系统按物料运动方向分为进料、炉膛和出料3个子系统：进料子系统包括进料电机和接近开关，炉膛子系统包括4台炉内变频传动电机、4台断链检测装置、4台编码器、4组“3+1”结构的激光对射仪组，出料子系统包括出料电机、升降电机、横移卸料电机、上升限位器和下降限位器；控制系统包括马达控制中心MCC柜、分层架构的PLC下位机和触摸屏上位机控制系统；

4组“3+1”结构的激光对射仪组沿96米長的辊底炉等距安装，第一、二、三和四“3+1”结构的激光对射仪组分别位于辊底炉的24、48、72和96米处，4台炉内变频传动电机的安装位置位于辊底炉的24、48、72和96米处；4台断链检测装置与4台炉内变频传动电机一一对应，安装在各自对应的炉内变频传动电机的传动链旁，4台编码器与4台炉内变频传动电机一一对应，与各自对应的炉内变频传动电机同轴安装；进料电机、接近开关依次安装在进料子系统，出料电机位于出料子系统入口，升降电机和横移卸料电机则安装在出料子系统的出口；4台炉内变频传动电机、4台编码器与马达控制中心MCC柜相连，4台断链检测装置与PLC下位机相连，PLC下位机与马达控制中心MCC柜相连。

所述的控制系统的PLC下位机采用S7-300系列，由电源模块PS307、CPU315-2PN/DP、通信模块340-1CH02、数字量输入模块321-1BL00、数字量输出模块322-1BL00组成，DI信号使用的位号是I0.0～I6.4、备用的位号是I6.5～6.7，DO信号使用的位号是Q0.0～Q3.4、备用的位号是Q3.5～Q3.7；控制系统的触摸屏上位机型号为MP277，触摸屏上位机和PLC下位机经PROFI-BUS现场总线连接；马达控制中心MCC柜配置4台M440型变频器，每台变频器均配编码器模块、DP通讯模块以及BOP面板，M440的DP通讯模块与通信模块340-1CH02通过PROFI-BUS现场总线连接；

1LG01304AA70型进料电机与数字量输入模块321-1BL00、数字量输出模块322-1BL00连接，点位分配：I0.0启动按钮、I0.1停止按钮、I0.2运行状态、I0.3故障状态，Q0.0启动停止输出；

1LG01304AA70型出料电机与数字量输入模块321-1BL00、数字量输出模块322-1BL00连接，点位分配：I0.5启动按钮、I0.6停止按钮、I0.7运行状态、I1.0故障状态，Q0.1启动停止输出；

1LG01304AA70型升降电机与数字量输入模块321-1BL00、数字量输出模块322-1BL00连接，点位分配：I1.1上升按钮、I1.2下降按钮、I1.3停止按钮、I1.4上升状态、I1.5下降状态、I1.6故障状态，Q0.2上升输出、Q0.3下降输出；

1LG01304AA70型横移卸料电机与数字量输入模块321-1BL00、数字量输出模块322-1BL00连接，点位分配：I1.7启动按钮、I2.0停止按钮、I2.1运行状态、I2.2故障状态，Q0.4启动停止输出；

4台炉内变频传动电机的电机型号为1LG01346AA70，一一对应配置4台M440型变频器、4台RHI90N-OHAK1R61N-01024型编码器，4台炉内变频传动电机与4台编码器一一对应，编码器的输入信号端子A、AN、B、BN、PE与炉内变频传动电机相连，其输出信号则一一对应接入M440的编码器模块；每台炉内变频传动电机借助链传动驱动30根传动辊、120根传动辊沿96米長辊底式热处理炉等距分布，PLC下位机通过马达控制中心MCC柜控制4台炉内变频传动电机；

4台炉内变频传动电机的第一、二、三和四台与数字量输入模块321-1BL00、数字量输出模块322-1BL00连接，依次的点位分配是：I2.3启动按钮、I2.4停止按钮、I2.5复位按钮，Q0.5故障指示灯、Q0.6运行指示灯；I2.6启动按钮、I2.7停止按钮、I3.0复位按钮，Q0.7故障指示灯、Q1.0运行指示灯；I3.1启动按钮、I3.2停止按钮、I3.3复位按钮，Q1.1故障指示灯、Q1.2运行指示灯；I3.4启动按钮、I3.5停止按钮、I3.6复位按钮，Q1.3故障指示灯、Q1.4运行指示灯；TL-Q5MC1-Z型断链检测装置安装在传动齿轮侧，4台断链检测装置的第一、二、三和四断链检测装置与数字量输入模块321-1BL00连接，点位依次分配：I5.7、I6.0、I6.1和I6.2；接近开关、上升限位器、下降限位器的DI信号接入数字量输入模块321-1BL00，点位依次分配：I0.4、I6.3和I6.4，型号是：CJ8M-A1NK、CJ8M-A1NK和CJ8M-A1NK；

4组“3+1”结构的激光对射仪组包括第一“3+1”结构的激光对射仪组、第二“3+1”结构的激光对射仪组、第三“3+1”结构的激光对射仪组和第四“3+1”结构的激光对射仪组，激光对射仪组均是4支IGE-94型激光对射仪的组合；每支激光对射仪输出1个DI状态信号、接收1个DO控制信号，DI和DO分别接入数字量输入模块321-1BL00、数字量输出模块322-1BL00；第一“3+1”结构的激光对射仪组第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I3.7，受点位Q1.5的DO信号控制；第一“3+1”结构的激光对射仪组第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.0，受点位Q1.6的DO信号控制，第一“3+1”结构的激光对射仪组第3支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.1，受点位Q1.7的DO信号控制，第一“3+1”结构的激光对射仪组第4支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.2，受点位Q2.0的DO信号控制，第二“3+1”结构的激光对射仪组第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.3，受点位Q2.1的DO信号控制；第二“3+1”结构的激光对射仪组第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.4，受点位Q2.2的DO信号控制，第二“3+1”结构的激光对射仪组第3支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.5，受点位Q2.3的DO信号控制，第二“3+1”结构的激光对射仪组第4支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.6，受点位Q2.4的DO信号控制；第三“3+1”结构的激光对射仪组第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.7，受点位Q2.5的DO信号控制；第三“3+1”结构的激光对射仪组第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.0，受点位Q2.6的DO信号控制，第三“3+1”结构的激光对射仪组第3支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.1，受点位Q2.7的DO信号控制，第三“3+1”结构的激光对射仪组第4支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.2，受点位Q3.0的DO信号控制；第四“3+1”结构的激光对射仪组第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.3，受点位Q3.1的DO信号控制；第四“3+1”结构的激光对射仪组第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.4，受点位Q3.2的DO信号控制，第四“3+1”结构的激光对射仪组第3支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.5，受点位Q3.3的DO信号控制，第四“3+1”结构的激光对射仪组第4支激光对射仪的DI检测信号的点位I5.6，受点位Q3.4的DO信号控制。

所述的“3+1”结构的激光对射仪组每组配置4支激光对射仪，毎支激光对射仪由激光对射仪发射端、激光对射仪接收端两部分组成，激光对射仪的发射/接收端外部设保护罩，PLC下位机输出的DO信号控制保护罩的闭合/打开、实施“3+1”激光对射仪的高可靠检测；在每一组激光对射仪辊底炉安装点相应的炉膛壁上开一长方形检测孔，将2个支架基座正向相对、分别置于炉膛两侧，支架基座上设置一根垂直的支架定位安装槽，左/右侧支架基座的支架定位安装槽中各布置4只、从上/下向下/上依次排列的激光对射仪发射/接收端的安装支架；激光对射仪的发射/接收端一一对应、固定于激光对射仪发射/接收端的安装支架；

每一组激光对射仪的第1只激光对射仪发射端的支架向下倾斜30°安装、激光对射仪接收端的支架则向上倾斜30°安装，每一组第2只激光对射仪的支架安装方式同上，角度取15°；每一组第3只激光对射仪发射端的支架向上倾斜15°安装、激光对射仪接收端的支架则向下倾斜15°安装，每一组第4只激光对射仪的支架安装方式同上，角度取30°；调校激光对射仪发射/接收端的支架倾角，使激光对射仪发射端的激光束直射对应接收端的通光口；同组4支激光对射仪的激光束借助支架基座的支架定位安装槽具有相同的X、即物料运动方向的位置参数，物料未进入激光对射仪的检测区域时、激光对射仪的输出均为常闭信号，一旦物料进入激光对射仪的检测区域、激光对射仪则输出开信号。

所述系统的基于热备份冗余检测技术的物料跟踪方法是：

“3+1”结构的激光对射仪组检测物料位置，对检测的物料位置信号按“3取2原则”进行两次逻辑处理；“3取2原则”是指开关量控制时的投票制,同一信号采三冗余信号进行表决,二个满足即认为条件满足；“3+1”结构的激光对射仪组的3支激光对射仪工作、1支备用；激光对射仪组实施“3+1”传感器的高可靠检测，变量Variance表征激光对射仪组的工况：Variance＝0为正常、Variance≥3为故障，Variance＝1或2则表示激光对射仪组的工况待定；“3+1”结构激光对射仪组的、双“3取2原则”的信号处理流程包括如下步骤：

1)初始化Variance＝0；

2)3支检测状态下的激光对射仪依次各发射激光信号3次、合计发射9次，发射频率100HZ；

3)3支检测状态下的激光对射仪分别接收、处理各自的3个信号：

3-1、3个信号一致，该支激光对射仪输出接收的输入信号；

3-2、3个信号不一致，该支激光对射仪按“3取2原则”、输出接收的输入信号；

4)处理3支激光对射仪的输出信号：

4-1、3支激光对射仪的输出信号一致，Variance＝0、输出第1组激光对射仪组信号、返回“1”；

4-2、3支激光对射仪的输出信号不一致，Variance＝Variance+1，3支激光对射仪的输出信号按“3取2原则”、生成第1组激光对射仪组的输出信号；

5)激光对射仪组的故障处理：

5-1、Variance<3，返回“1”；

5-2、Variance≥3，故障激光对射仪切出，备用激光对射仪保护罩打开、投运，Variance＝0、发出维修报警，返回“1”。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明采用热备份冗余检测技术获取辊底式热处理炉的物料位置，结合变频器电机技术驱动物料，提升了辊底式热处理炉的效率和品质。“3+1”结构的激光对射仪组检测物料位置，并对检测的物料位置信号按“3取2原则”进行两次逻辑处理；既排除了干扰造成的信号失真，又消除了干扰造成的工况误判；一旦激光对射仪出现故障，切出故障激光对射仪、备用激光对射仪投运，提高了物料位置检测的可靠性。

附图说明

图1是基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统结构图；

图2是辊底式热处理炉的物料跟踪控制系统原理图；

图3是“3+1”结构的激光对射仪组结构图；

图4是物料位置检测信号的逻辑图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统包括辊底式热处理炉的传动检测系统和控制系统；

辊底式热处理炉的传动检测系统按物料运动方向分为进料、炉膛和出料3个子系统：进料子系统包括进料电机1和接近开关2，炉膛子系统包括4台炉内变频传动电机10、4台断链检测装置20、4台编码器30、4组“3+1”结构的激光对射仪组100，出料子系统包括出料电机3、升降电机4、横移卸料电机5、上升限位器6和下降限位器7；控制系统包括马达控制中心MCC柜46、分层架构的PLC下位机40和触摸屏上位机50控制系统；

4组“3+1”结构的激光对射仪组100沿96米長的辊底炉等距安装，第一、二、三和四“3+1”结构的激光对射仪组(110、120、130和140)分别位于辊底炉的24、48、72和96米处，4台炉内变频传动电机10的安装位置位于辊底炉的24、48、72和96米处；4台断链检测装置20与4台炉内变频传动电机10一一对应，安装在各自对应的炉内变频传动电机10的传动链旁，4台编码器30与4台炉内变频传动电机10一一对应，与各自对应的炉内变频传动电机10同轴安装；进料电机1、接近开关2依次安装在进料子系统，出料电机3位于出料子系统入口，升降电机4和横移卸料电机5则安装在出料子系统的出口；4台炉内变频传动电机10、4台编码器30与马达控制中心MCC柜46相连，4台断链检测装置20与PLC下位机40相连，PLC下位机40与马达控制中心MCC柜46相连。

如图2所示，控制系统的PLC下位机40采用S7-300系列，由电源模块PS307(41)、CPU315-2PN/DP(42)、通信模块340-1CH02(43)、数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)组成，DI信号使用的位号是I0.0～I6.4、备用的位号是I6.5～6.7，DO信号使用的位号是Q0.0～Q3.4、备用的位号是Q3.5～Q3.7；控制系统的触摸屏上位机50型号为MP277，触摸屏上位机50和PLC下位机40经PROFI-BUS现场总线连接；马达控制中心MCC柜46配置4台M440型变频器，每台变频器均配编码器模块、DP通讯模块以及BOP面板，M440的DP通讯模块与通信模块340-1CH02(43)通过PROFI-BUS现场总线连接；

1LG01304AA70型进料电机1与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，点位分配：I0.0启动按钮、I0.1停止按钮、I0.2运行状态、I0.3故障状态，Q0.0启动停止输出；

1LG01304AA70型出料电机3与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，点位分配：I0.5启动按钮、I0.6停止按钮、I0.7运行状态、I1.0故障状态，Q0.1启动停止输出；

1LG01304AA70型升降电机4与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，点位分配：I1.1上升按钮、I1.2下降按钮、I1.3停止按钮、I1.4上升状态、I1.5下降状态、I1.6故障状态，Q0.2上升输出、Q0.3下降输出；

1LG01304AA70型横移卸料电机5与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，点位分配：I1.7启动按钮、I2.0停止按钮、I2.1运行状态、I2.2故障状态，Q0.4启动停止输出；

4台炉内变频传动电机10的电机型号为1LG01346AA70，一一对应配置4台M440型变频器、4台RHI90N-OHAK1R61N-01024型编码器30，4台炉内变频传动电机10与4台编码器30一一对应，编码器的输入信号端子A、AN、B、BN、PE与炉内变频传动电机相连，其输出信号则一一对应接入M440的编码器模块；每台炉内变频传动电机借助链传动驱动30根传动辊、120根传动辊沿96米長辊底式热处理炉等距分布，PLC下位机40通过马达控制中心MCC柜46控制4台炉内变频传动电机10；

4台炉内变频传动电机10的第一、二、三和四台与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，依次的点位分配是：I2.3启动按钮、I2.4停止按钮、I2.5复位按钮，Q0.5故障指示灯、Q0.6运行指示灯；I2.6启动按钮、I2.7停止按钮、I3.0复位按钮，Q0.7故障指示灯、Q1.0运行指示灯；I3.1启动按钮、I3.2停止按钮、I3.3复位按钮，Q1.1故障指示灯、Q1.2运行指示灯；I3.4启动按钮、I3.5停止按钮、I3.6复位按钮，Q1.3故障指示灯、Q1.4运行指示灯；TL-Q5MC1-Z型断链检测装置安装在传动齿轮侧(炉辊正常传动时1-0-1信号周而复始、信号不变代表断链并报警)，4台断链检测装置20的第一、二、三和四断链检测装置与数字量输入模块321-1BL00(44)连接，点位依次分配：I5.7、I6.0、I6.1和I6.2；接近开关2、上升限位器6、下降限位器7的DI信号接入数字量输入模块321-1BL00(44)，点位依次分配：I0.4、I6.3和I6.4，型号是：CJ8M-A1NK、CJ8M-A1NK和CJ8M-A1NK；

4组“3+1”结构的激光对射仪组100包括第一“3+1”结构的激光对射仪组110、第二“3+1”结构的激光对射仪组120、第三“3+1”结构的激光对射仪组130和第四“3+1”结构的激光对射仪组140，激光对射仪组均是4支IGE-94型激光对射仪的组合；每支激光对射仪输出1个DI状态信号、接收1个DO控制信号，DI和DO分别接入数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)；第一“3+1”结构的激光对射仪组110第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I3.7，受点位Q1.5的DO信号控制；第一“3+1”结构的激光对射仪组110第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.0，受点位Q1.6的DO信号控制，余类推；第四“3+1”结构的激光对射仪组140第4支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.6，受点位Q3.4的DO信号控制。

如图3所示，“3+1”结构的激光对射仪组配置4支激光对射仪，每支激光对射仪由激光对射仪发射端、激光对射仪接收端两部分组成，激光对射仪的发射/接收端外部设保护罩，PLC下位机40控制保护罩的闭合/打开、实施“3+1”激光对射仪的高可靠检测；以第一“3+1”结构的激光对射仪组110为例，包括第1、2、3和4支激光对射仪发射端111a、112a、113a和114a，第1、2、3和4支激光对射仪接收端111b、112b、113b和114b；在第1组激光对射仪辊底炉安装点相应的炉膛壁上开一长方形检测孔，将2个支架基座正向相对、分别置于炉膛两侧，支架基座上设置一根垂直的支架定位安装槽，左/右侧支架基座的支架定位安装槽中各布置4只、从上/下向下/上依次排列的激光对射仪发射/接收端的安装支架；激光对射仪的发射/接收端一一对应、固定于激光对射仪发射/接收端的安装支架；

第1只激光对射仪发射端111a的支架向下倾斜30°安装、激光对射仪接收端111b的支架则向上倾斜30°安装，第2只激光对射仪的支架安装方式同上，角度取15°；第3只激光对射仪发射端113a的支架向上倾斜15°安装、激光对射仪接收端113b的支架则向下倾斜15°安装，第4只激光对射仪的支架安装方式同上，角度取30°；调校激光对射仪发射/接收端的支架倾角，使激光对射仪发射端的激光束直射对应接收端的通光口；同组4支激光对射仪的激光束借助支架基座的支架定位安装槽具有相同的X、即物料运动方向的位置参数，物料未进入激光对射仪的检测区域时、激光对射仪的输出均为常闭信号，一旦物料进入激光对射仪的检测区域、激光对射仪则输出开信号。

如图4所示，“3+1”结构的激光对射仪组的3支激光对射仪工作、1支备份；激光对射仪组实施“3+1”传感器的高可靠检测，现以第一“3+1”结构的激光对射仪组110为例展开论述：第1支激光对射仪111a与111b、第2支激光对射仪112a与112b和第3支激光对射仪113a与113b处于检测状态，第4支激光对射仪114a与114b则处于备用状态；变量Variance表征激光对射仪组的工况：Variance＝0为正常、Variance≥3为故障，Variance＝1或2则表示激光对射仪组的工况待定；換言之，连续3次检出激光对射仪组存在故障时才启动故障处理进程、从而消除干扰造成的工况误判；同理，物料位置检测时激光对射仪的发射端需发射3次激光束、激光对射仪的接收端按“3取2原则”处理入射的3个信号后再输出，从而排除干扰造成的信号失真；“3+1”结构激光对射仪组的、双“3取2原则”的信号处理流程包括如下步骤：

1)初始化Variance＝0；

2)3支检测状态下的激光对射仪依次各发射激光信号3次、合计发射9次，发射频率100HZ；

3)3支检测状态下的激光对射仪分别接收、处理各自的3个信号：

3-1、3个信号一致，该支激光对射仪输出接收的输入信号；

3-2、3个信号不一致，该支激光对射仪按“3取2原则”、输出接收的输入信号；

4)处理3支激光对射仪的输出信号：

4-1、3支激光对射仪的输出信号一致，Variance＝0、输出第1组激光对射仪组信号、返回“1”；

4-2、3支激光对射仪的输出信号不一致，Variance＝Variance+1，3支激光对射仪的输出信号按“3取2原则”、生成第1组激光对射仪组的输出信号；

5)激光对射仪组的故障处理：

5-1、Variance<3，返回“1”；

5-2、Variance≥3，故障激光对射仪切出，备用激光对射仪保护罩打开、投运，Variance＝0、发出维修报警，返回“1”。

触摸屏上位机50根据物料的热处理工艺，生成物料的运动速度、物料之间的间隔参数，并下发给PLC下位机40；PLC下位机40读取4组“3+1”结构的激光对射仪组100的物料位置检测数据、以及4台编码器30提供的4台炉内变频传动电机10转速、跟踪辊底式热处理炉的物料，通过马达控制中心MCC柜46调节4台炉内变频传动电机10的转速；既杜绝了物料碰撞事故，又保证了热处理的高效。

Claims (4)

1.一种基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统，其特征在于包括辊底式热处理炉的传动检测系统和控制系统；

辊底式热处理炉的传动检测系统按物料运动方向分为进料、炉膛和出料3个子系统：进料子系统包括进料电机(1)和接近开关(2)，炉膛子系统包括4台炉内变频传动电机(10)、4台断链检测装置(20)、4台编码器(30)、4组“3+1”结构的激光对射仪组(100)，出料子系统包括出料电机(3)、升降电机(4)、横移卸料电机(5)、上升限位器(6)和下降限位器(7)；控制系统包括马达控制中心MCC柜(46)、分层架构的PLC下位机(40)和触摸屏上位机(50)控制系统；

4组“3+1”结构的激光对射仪组(100)沿96米長的辊底炉等距安装，第一、二、三和四“3+1”结构的激光对射仪组(110、120、130和140)分别位于辊底炉的24、48、72和96米处，4台炉内变频传动电机(10)的安装位置位于辊底炉的24、48、72和96米处；4台断链检测装置(20)与4台炉内变频传动电机(10)一一对应，安装在各自对应的炉内变频传动电机(10)的传动链旁，4台编码器(30)与4台炉内变频传动电机(10)一一对应，与各自对应的炉内变频传动电机(10)同轴安装；进料电机(1)、接近开关(2)依次安装在进料子系统，出料电机(3)位于出料子系统入口，升降电机(4)和横移卸料电机(5)则安装在出料子系统的出口；4台炉内变频传动电机(10)、4台编码器(30)与马达控制中心MCC柜(46)相连，4台断链检测装置(20)与PLC下位机(40)相连，PLC下位机(40)与马达控制中心MCC柜(46)相连。

2.根据权利要求1所述的基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统，其特征在于所述的控制系统的PLC下位机(40)采用S7-300系列，由电源模块PS307(41)、CPU315-2PN/DP(42)、通信模块340-1CH02(43)、数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)组成，DI信号使用的位号是I0.0～I6.4、备用的位号是I6.5～6.7，DO信号使用的位号是Q0.0～Q3.4、备用的位号是Q3.5～Q3.7；控制系统的触摸屏上位机(50)型号为MP277，触摸屏上位机(50)和PLC下位机(40)经PROFI-BUS现场总线连接；马达控制中心MCC柜(46)配置4台M440型变频器，每台变频器均配编码器模块、DP通讯模块以及BOP面板，M440的DP通讯模块与通信模块340-1CH02(43)通过PROFI-BUS现场总线连接；

1LG01304AA70型进料电机(1)与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，点位分配：I0.0启动按钮、I0.1停止按钮、I0.2运行状态、I0.3故障状态，Q0.0启动停止输出；

1LG01304AA70型出料电机(3)与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，点位分配：I0.5启动按钮、I0.6停止按钮、I0.7运行状态、I1.0故障状态，Q0.1启动停止输出；

1LG01304AA70型升降电机(4)与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，点位分配：I1.1上升按钮、I1.2下降按钮、I1.3停止按钮、I1.4上升状态、I1.5下降状态、I1.6故障状态，Q0.2上升输出、Q0.3下降输出；

1LG01304AA70型横移卸料电机(5)与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，点位分配：I1.7启动按钮、I2.0停止按钮、I2.1运行状态、I2.2故障状态，Q0.4启动停止输出；

4台炉内变频传动电机(10)的电机型号为1LG01346AA70，一一对应配置4台M440型变频器、4台RHI90N-OHAK1R61N-01024型编码器(30)，4台炉内变频传动电机(10)与4台编码器(30)一一对应，编码器的输入信号端子A、AN、B、BN、PE与炉内变频传动电机相连，其输出信号则一一对应接入M440的编码器模块；每台炉内变频传动电机借助链传动驱动30根传动辊、120根传动辊沿96米長辊底式热处理炉等距分布，PLC下位机(40)通过马达控制中心MCC柜(46)控制4台炉内变频传动电机(10)；

4台炉内变频传动电机(10)的第一、二、三和四台与数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)连接，依次的点位分配是：I2.3启动按钮、I2.4停止按钮、I2.5复位按钮，Q0.5故障指示灯、Q0.6运行指示灯；I2.6启动按钮、I2.7停止按钮、I3.0复位按钮，Q0.7故障指示灯、Q1.0运行指示灯；I3.1启动按钮、I3.2停止按钮、I3.3复位按钮，Q1.1故障指示灯、Q1.2运行指示灯；I3.4启动按钮、I3.5停止按钮、I3.6复位按钮，Q1.3故障指示灯、Q1.4运行指示灯；TL-Q5MC1-Z型断链检测装置安装在传动齿轮侧，4台断链检测装置(20)的第一、二、三和四断链检测装置与数字量输入模块321-1BL00(44)连接，点位依次分配：I5.7、I6.0、I6.1和I6.2；接近开关(2)、上升限位器(6)、下降限位器(7)的DI信号接入数字量输入模块321-1BL00(44)，点位依次分配：I0.4、I6.3和I6.4，型号是：CJ8M-A1NK、CJ8M-A1NK和CJ8M-A1NK；

4组“3+1”结构的激光对射仪组(100)包括第一“3+1”结构的激光对射仪组(110)、第二“3+1”结构的激光对射仪组(120)、第三“3+1”结构的激光对射仪组(130)和第四“3+1”结构的激光对射仪组(140)，激光对射仪组均是4支IGE-94型激光对射仪的组合；每支激光对射仪输出1个DI状态信号、接收1个DO控制信号，DI和DO分别接入数字量输入模块321-1BL00(44)、数字量输出模块322-1BL00(45)；第一“3+1”结构的激光对射仪组(110)第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I3.7，受点位Q1.5的DO信号控制；第一“3+1”结构的激光对射仪组(110)第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.0，受点位Q1.6的DO信号控制，第一“3+1”结构的激光对射仪组(110)第3支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.1，受点位Q1.7的DO信号控制，第一“3+1”结构的激光对射仪组(110)第4支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.2，受点位Q2.0的DO信号控制，第二“3+1”结构的激光对射仪组(120)第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.3，受点位Q2.1的DO信号控制；第二“3+1”结构的激光对射仪组(120)第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.4，受点位Q2.2的DO信号控制，第二“3+1”结构的激光对射仪组(120)第3支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.5，受点位Q2.3的DO信号控制，第二“3+1”结构的激光对射仪组(120)第4支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.6，受点位Q2.4的DO信号控制；第三“3+1”结构的激光对射仪组(130)第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I4.7，受点位Q2.5的DO信号控制；第三“3+1”结构的激光对射仪组(130)第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.0，受点位Q2.6的DO信号控制，第三“3+1”结构的激光对射仪组(130)第3支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.1，受点位Q2.7的DO信号控制，第三“3+1”结构的激光对射仪组(130)第4支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.2，受点位Q3.0的DO信号控制；第四“3+1”结构的激光对射仪组(140)第1支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.3，受点位Q3.1的DO信号控制；第四“3+1”结构的激光对射仪组(140)第2支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.4，受点位Q3.2的DO信号控制，第四“3+1”结构的激光对射仪组(140)第3支激光对射仪的DI检测信号的点位是I5.5，受点位Q3.3的DO信号控制，第四“3+1”结构的激光对射仪组(140)第4支激光对射仪的DI检测信号的点位I5.6，受点位Q3.4的DO信号控制。

3.根据权利要求1所述的基于热备份冗余检测技术的物料跟踪系统，其特征在于所述的“3+1”结构的激光对射仪组(100)每组配置4支激光对射仪，每支激光对射仪由激光对射仪发射端、激光对射仪接收端两部分组成，激光对射仪的发射/接收端外部设保护罩，PLC下位机(40)输出的DO信号控制保护罩的闭合/打开、实施“3+1”激光对射仪的高可靠检测；在每一组激光对射仪辊底炉安装点相应的炉膛壁上开一长方形检测孔，将2个支架基座正向相对、分别置于炉膛两侧，支架基座上设置一根垂直的支架定位安装槽，左/右侧支架基座的支架定位安装槽中各布置4只、从上/下向下/上依次排列的激光对射仪发射/接收端的安装支架；激光对射仪的发射/接收端一一对应、固定于激光对射仪发射/接收端的安装支架；

每一组激光对射仪的第1只激光对射仪发射端的支架向下倾斜30°安装、激光对射仪接收端的支架则向上倾斜30°安装，每一组第2只激光对射仪的支架安装方式同上，角度取15°；每一组第3只激光对射仪发射端的支架向上倾斜15°安装、激光对射仪接收端的支架则向下倾斜15°安装，每一组第4只激光对射仪的支架安装方式同上，角度取30°；调校激光对射仪发射/接收端的支架倾角，使激光对射仪发射端的激光束直射对应接收端的通光口；同组4支激光对射仪的激光束借助支架基座的支架定位安装槽具有相同的X、即物料运动方向的位置参数，物料未进入激光对射仪的检测区域时、激光对射仪的输出均为常闭信号，一旦物料进入激光对射仪的检测区域、激光对射仪则输出开信号。

4.一种如权利要求1所述系统的基于热备份冗余检测技术的物料跟踪方法，其特征在于：

“3+1”结构的激光对射仪组检测物料位置，对检测的物料位置信号按“3取2原则”进行两次逻辑处理；“3取2原则”是指开关量控制时的投票制,同一信号采三冗余信号进行表决,二个满足即认为条件满足；“3+1”结构的激光对射仪组的3支激光对射仪工作、1支备用；激光对射仪组实施“3+1”传感器的高可靠检测，变量Variance表征激光对射仪组的工况：Variance＝0为正常、Variance≥3为故障，Variance＝1或2则表示激光对射仪组的工况待定；“3+1”结构激光对射仪组的、双“3取2原则”的信号处理流程包括如下步骤：

1)初始化Variance＝0；

2)3支检测状态下的激光对射仪依次各发射激光信号3次、合计发射9次，发射频率100HZ；

3)3支检测状态下的激光对射仪分别接收、处理各自的3个信号：

3-1、3个信号一致，该支激光对射仪输出接收的输入信号；

3-2、3个信号不一致，该支激光对射仪按“3取2原则”、输出接收的输入信号；

4)处理3支激光对射仪的输出信号：

4-1、3支激光对射仪的输出信号一致，Variance＝0、输出第1组激光对射仪组信号、返回“1”；

4-2、3支激光对射仪的输出信号不一致，Variance＝Variance+1，3支激光对射仪的输出信号按“3取2原则”、生成第1组激光对射仪组的输出信号；

5)激光对射仪组的故障处理：

5-1、Variance<3，返回“1”；

5-2、Variance≥3，故障激光对射仪切出，备用激光对射仪保护罩打开、投运，Variance＝0、发出维修报警，返回“1”。