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　　摘要：儀器儀表的更新?lián)Q代是為了工業(yè)的更好發(fā)展，寶鋼公司一直都走在科技發(fā)展的位置，替換了3臺(tái)德國(guó)公司測(cè)厚儀。文章簡(jiǎn)要分析應(yīng)用在1420軋機(jī)上的德國(guó)IMS公司X射線測(cè)厚儀的測(cè)量原理、系統(tǒng)架構(gòu)、性能指標(biāo)及部分維護(hù)要領(lǐng)。
　　　　
　　引言
　　
　　隨著生產(chǎn)工藝對(duì)測(cè)量精度、測(cè)量穩(wěn)定性要求的提高和舊設(shè)備的性能劣化，寶鋼分公司1420軋軋機(jī)測(cè)厚儀更換改造于2006年10月年修期間實(shí)施完成，把原來(lái)3臺(tái)DMC公司的480型測(cè)厚儀改造為德國(guó)IMS公司的X射線測(cè)厚儀。至此，分別位于1機(jī)架前后、5機(jī)架前后的4臺(tái)冷軋帶鋼測(cè)厚儀全部為技術(shù)*、集成化程度高、性能穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高的德國(guó)IMS公司的X射線測(cè)厚儀，為穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)能提供了有力的保證。
　　
　　1、系統(tǒng)分析
　　
　　1.1X射線測(cè)厚原理
　　
　　X射線穿透物質(zhì)時(shí)的衰減規(guī)律是X射線測(cè)厚儀測(cè)量的理論基礎(chǔ)，光電式傳感器將射線強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跈z測(cè)、處理和傳輸?shù)碾娏孔兓?。如圖1所示，當(dāng)X射線投射到被測(cè)物后，一部分射線為被測(cè)物吸收，一部分射線穿過(guò)被測(cè)物，穿過(guò)被測(cè)物質(zhì)后的射線強(qiáng)度，在物質(zhì)成分一定的情況下，和被測(cè)物的厚度和密度有關(guān)，若被測(cè)物的密度為已知時(shí)，則可以根據(jù)檢測(cè)到的射線強(qiáng)度來(lái)計(jì)算出被測(cè)物質(zhì)的厚度。X射線測(cè)厚儀就是基于此關(guān)系原理制造而成的測(cè)厚系統(tǒng)。　　　　
　　X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)部分被吸收，其強(qiáng)度被衰減，經(jīng)衰減后的強(qiáng)度按指數(shù)曲線下降,其吸收關(guān)系式為
　　
　　I=I0EXP（-ρu’s）（1）
　　
　　式中，I為探測(cè)器上探測(cè)到的被衰減后的射線強(qiáng)度，I0為X射線源發(fā)射的初始輻射強(qiáng)度,ρ為被測(cè)材料的密度，u’為材料對(duì)X射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，s為被測(cè)材料的厚度。
　　
　　1.2IMS測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
　　4臺(tái)測(cè)厚儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量框架—C型架分別位于1機(jī)架前后、5機(jī)架前后，對(duì)應(yīng)的測(cè)厚儀系統(tǒng)裝置命名為T0、T1、T4、T5。T0測(cè)出的厚度值送給軋機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，參與前饋控制；T1、T4、T5由于位于軋機(jī)后，其測(cè)量值則參與反饋控制，4臺(tái)測(cè)厚儀的測(cè)量結(jié)果、測(cè)量精度和運(yùn)行狀況將直接影響軋機(jī)軋制的精度、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。
　　
　　其中T1、T4、T5的C型架上集成了激光測(cè)速儀的激光探頭，但測(cè)速儀的操作、處理、顯示部分獨(dú)立于測(cè)厚儀之外，通過(guò)內(nèi)部Ethernet網(wǎng)絡(luò)可以和測(cè)厚儀通信；T1、T4共用一個(gè)電氣柜（位于電氣室內(nèi)），亦即二者共用處理、存儲(chǔ)、顯示部分。不考慮現(xiàn)場(chǎng)C型架上的激光測(cè)速部分，則4臺(tái)測(cè)厚儀具有相同的系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理流程，下面以T0為例來(lái)加以解釋說(shuō)明。
　　
　　T0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　　　　
　　總體上，從位置和區(qū)域來(lái)講，該測(cè)量系統(tǒng)可以分為兩大部分：軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、轉(zhuǎn)換部分和儀表室處理、控制部分。從功能來(lái)講，可分為三大部分：探頭信號(hào)測(cè)量處理部分、光管及高壓控制部分和輸入/輸出信號(hào)部分。
　　
　　探頭感應(yīng)X射線強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)（10-12~10-7A），經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換器放大并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)，利用光纖介質(zhì)快速、穩(wěn)定地傳輸?shù)絻x表控制室，光纖傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換為5類雙絞線后，連接到系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，數(shù)據(jù)zui終被M—Client計(jì)算機(jī)獲得。M—Client獲得數(shù)字化的厚度測(cè)量值，進(jìn)行一系列計(jì)算處理，處理后的數(shù)字量一路用于M—Server計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件顯示、控制，通過(guò)V—Client顯示器觀察；另一路轉(zhuǎn)換為模擬量，輸出到現(xiàn)場(chǎng)總線Interbus模擬量模塊，并zui終送給軋機(jī)控制系統(tǒng)的PLC。同時(shí)，送給軋機(jī)PLC的還有測(cè)厚儀狀態(tài)信號(hào)，從軋機(jī)PLC接收控制用設(shè)定數(shù)據(jù)，包括軋制目標(biāo)厚度值、鋼卷號(hào)等。
　　
　　高壓發(fā)生器供給X射線管發(fā)射X射線所需的陰極負(fù)高壓和燈絲電流，X射線控制器通過(guò)串行口控制高壓發(fā)生器所提供的高壓和燈絲電流大小，并通過(guò)測(cè)量反饋數(shù)據(jù)線來(lái)獲得當(dāng)前的光管電流、高壓、燈絲電流等實(shí)際值，用于狀態(tài)監(jiān)視和控制。這些數(shù)據(jù)由射線控制器串行口輸出，經(jīng)由COM—Server接口轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為RJ-45接口后，送給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，于是便可在M—Server內(nèi)的軟件上顯示、控制。
　　
　　該測(cè)厚系統(tǒng)輔助I/O信號(hào)用現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)傳輸，選用的是德國(guó)PhoenixContact電氣公司的Interbus總線?，F(xiàn)場(chǎng)的高壓有無(wú)、快門狀態(tài)、C型架位置、冷卻水溫度流量是否超限等狀態(tài)信號(hào)，均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線Interbus傳輸至儀表控制室的工控處理機(jī)M—Client，并由前述M—Server內(nèi)的軟件顯示出來(lái)，用于監(jiān)視、處理。
　　
　　Q-Server計(jì)算機(jī)用于大量數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其內(nèi)裝有SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)顯示、分析軟件，Q-Client顯示器用于對(duì)Q-Server內(nèi)容的顯示。數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，既適應(yīng)了生產(chǎn)工藝的需求，又有利于測(cè)厚儀的長(zhǎng)期維護(hù)。NAT32作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，用于測(cè)厚儀TCP/IP協(xié)議和西門子H1協(xié)議的轉(zhuǎn)換和兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，完成設(shè)定數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸。
　　
　　1.3測(cè)厚儀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　
　　測(cè)量數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)到儀表控制室的傳輸、測(cè)量結(jié)果和狀態(tài)被M—Server內(nèi)軟件調(diào)用、測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Q—Server數(shù)據(jù)庫(kù)、測(cè)量數(shù)據(jù)偏差及測(cè)厚儀狀態(tài)數(shù)字量信號(hào)送出、設(shè)定數(shù)據(jù)的接收、各測(cè)厚儀間通信等等都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果把與測(cè)厚儀系統(tǒng)通信的軋機(jī)控制系統(tǒng)所在網(wǎng)絡(luò)理解為外部網(wǎng)絡(luò)，則測(cè)厚儀系統(tǒng)各裝置之間的則是通過(guò)內(nèi)部以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖3所示。　　
　　測(cè)厚儀系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)子網(wǎng)：①數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸子網(wǎng)N1；②測(cè)量數(shù)據(jù)處理、調(diào)用、存儲(chǔ)、顯示及系統(tǒng)各參數(shù)配置管理子網(wǎng)，亦即系統(tǒng)控制管理子網(wǎng)N2。
　　
　　在測(cè)厚儀系統(tǒng)內(nèi)部，該通信網(wǎng)絡(luò)及其終端稱為MEVInet，它是“Measuringandvisualizationnetwork”的縮寫(xiě)，由IMS公司開(kāi)發(fā)、已經(jīng)注冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)符合通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并能在軟件和硬件間提供zui大化的透明度。因此，網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，通信速度快（100MB/s），便于擴(kuò)展，維護(hù)起來(lái)非常方便。MEVInet由4個(gè)子系統(tǒng)組成：
　　
　?、費(fèi)EVInet-M（測(cè)量、控制、管理功能）
　　
　　-M-Server
　　
　　-M-Client
　　
　　②MEVInet-V（顯示、監(jiān)視功能）
　　
　　-V-Client
　　
　?、跰EVInet-Q（質(zhì)量管理功能）
　　
　　-Q-Server
　　
　　-Q-Client
　　
　?、躆EVInet-N（通信連接功能）
　　
　　-Switch
　　
　　-EthernetCard
　　
　　-5UTPandFiber
　　
　　MEVInet-N建立起通信鏈路，把MEVInet-M、MEVInet-V、MEVInet-Q等3個(gè)子系統(tǒng)組成一個(gè)內(nèi)部局域網(wǎng)。
　　
　　1.4儀表特性
　　
　　系統(tǒng)選用MXR161型號(hào)的金屬陶瓷管，zui大承受高壓為160KV；高壓發(fā)生器型號(hào)為HSG101，zui高可提供100KV的高壓。在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)采用了約80KV的管高壓和3.0mA的管電流，使射線管長(zhǎng)期工作于zui大耐壓的1/2處，可以有效地延長(zhǎng)射線管的使用壽命。該射線管正常使用壽命可以達(dá)到4~6年。
　　
　　T0選用了4個(gè)相同型號(hào)KG20/20的電離室作探頭，每個(gè)電離室的高壓均用1200V，電離室zui大可輸出電流約為100000pA。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置采用C型框架，從“待機(jī)”位向“測(cè)量”位由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可自由移動(dòng)?？扉T及內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)板的動(dòng)作由壓縮空氣和彈簧機(jī)構(gòu)組成的力平衡系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快門開(kāi)光和標(biāo)準(zhǔn)板的進(jìn)（IN）/出（OUT）。X射線管用二次循環(huán)冷卻水冷卻，冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)。測(cè)厚儀系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。　　　　
　　1.5系統(tǒng)性能指標(biāo)
　　
　　2006年10月年修期間施工安裝并完成調(diào)試后，以T0為例，得出如下性能指標(biāo)：
　　
　?、俦粶y(cè)材料為碳鋼和高強(qiáng)度鋼板；
　　
　　②測(cè)量范圍0.1~4.0mm；
　　
　?、劬€性≤±0.05%；
　　
　?、軙r(shí)間常數(shù)1.4ms（圖4）；
　　
　?、葜貜?fù)性（2σ）≤±0.1%；
　　
　?、奁贫唐谄?le;±0.05%、長(zhǎng)期漂移（8小時(shí)）≤±0.1%；
　　
　?、呓y(tǒng)計(jì)噪聲（2σ）≤±0.1%（在總的有效時(shí)間常數(shù)為10ms的條件下）。　　　　
　　關(guān)閉系統(tǒng)定時(shí)（8小時(shí)）校正功能，連續(xù)測(cè)量15個(gè)小時(shí)厚度為3451μm的鋼板，得到的漂移趨勢(shì)圖如圖5所示。圖6所示為所測(cè)鋼板厚度為0mm時(shí)得到的噪聲曲線圖。　　　　　　
　　2、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　本系統(tǒng)X光管采用二次水循環(huán)冷卻，在日常的點(diǎn)檢維護(hù)過(guò)程中，X光管冷卻水的溫度和流量監(jiān)視是重要工作之一，因?yàn)槔鋮s的效果將直接影響到光管性能和壽命，進(jìn)而影響到測(cè)量精度和穩(wěn)定性。光管高壓接頭定期涂抹硅膠，以確保其良好的絕緣性，對(duì)于光管維護(hù)和確保測(cè)量精度意義重大。軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，如：噪音、水、油、乳化液等，如吹掃工作不到位，將會(huì)影響X射線光路的清潔度；振動(dòng)、機(jī)械移位等，將會(huì)改變測(cè)量的角度和距離（passline高度）。如果這種影響在一定范圍內(nèi)，則可以通過(guò)系統(tǒng)“校正”功能修正、消除，不僅可以提高測(cè)量精度，也方便了日常設(shè)備的維護(hù)。
　　
　　本測(cè)厚系統(tǒng)采用了噪聲低、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定的X射線源以及惰性氣體電離室、光纖傳輸介質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，利用集成化程度很高、功能強(qiáng)大的工控機(jī)（M—Client）進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的處理。一系列*技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，有效地降低了故障點(diǎn)，減輕了日常點(diǎn)檢維護(hù)工作的強(qiáng)度。雖然較高的集成化程度降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障點(diǎn)，但同時(shí)帶來(lái)了主要備件更換的昂貴代價(jià)。另外，該系統(tǒng)本身高昂的價(jià)格，也為其應(yīng)用增添了一些局限性。