X射線(xiàn)測厚儀在寶鋼1420 軋機上的應用

摘 要：簡(jiǎn)要分析應用在1420 軋機上的德國IMS 公司X 射線(xiàn)測厚儀的測量原理、系統架構、性能指標及部分維護要領(lǐng)。
關(guān)鍵詞：X 射線(xiàn)測厚 性能指標

引言

隨著(zhù)生產(chǎn)工藝對測量精度、測量穩定性要求的提高和舊設備的性能劣化，寶鋼分公司1420軋軋機測厚儀更換改造于2006 年10 月年修期間實(shí)施完成，把原來(lái)3 臺DMC 公司的480 型測厚儀改造為德國IMS 公司的X 射線(xiàn)測厚儀。至此，分別位于1 機架前后、5 機架前后的4 臺冷軋帶鋼測厚儀全部為技術(shù)先進(jìn)、集成化程度高、性能穩定可靠、測量精度高的德國IMS 公司的X 射線(xiàn)測厚儀，為穩定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)能提供了有力的保證。

1 系統分析

1.1 X 射線(xiàn)測厚原理

X 射線(xiàn)穿透物質(zhì)時(shí)的衰減規律是X 射線(xiàn)測厚儀測量的理論基礎，光電式傳感器將射線(xiàn)強度的變化轉變?yōu)橐子跈z測、處理和傳輸的電量變化。如圖1 所示，當X 射線(xiàn)投射到被測物后， 一部分射線(xiàn)為被測物吸收， 一部分射線(xiàn)穿過(guò)被測物，穿過(guò)被測物質(zhì)后的射線(xiàn)強度， 在物質(zhì)成分一定的情況下，和被測物的厚度和密度有關(guān)，若被測物的密度為已知時(shí)，則可以根據檢測到的射線(xiàn)強度來(lái)計算出被測物質(zhì)的厚度。X 射線(xiàn)測厚儀就是基于此關(guān)系原理制造而成的測厚系統。

圖1 測量原理圖

X 射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)時(shí)部分被吸收，其強度被衰減，經(jīng)衰減后的強度按指數曲線(xiàn)下降, 其吸收關(guān)系式為

I =I0 EXP（-ρu’ s ） （1）

式中，I 為探測器上探測到的被衰減后的射線(xiàn)強度， I0 為X 射線(xiàn)源發(fā)射的初始輻射強度, ρ為被測材料的密度，u’為材料對X 射線(xiàn)的質(zhì)量吸收系數，s 為被測材料的厚度。

1.2 IMS 測厚儀系統結構

4 臺測厚儀的現場(chǎng)測量框架—C 型架分別位于1 機架前后、5 機架前后，對應的測厚儀系統裝置命名為T(mén)0、T1、T4、T5。T0 測出的厚度值送給軋機基礎自動(dòng)化控制系統，參與前饋控制；T1、T4、T5 由于位于軋機后，其測量值則參與反饋控制，4 臺測厚儀的測量結果、測量精度和運行狀況將直接影響軋機軋制的精度、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速儀的激光探頭，但測速儀的操作、處理、顯示部分獨立于測厚儀之外，通過(guò)內部Ethernet 網(wǎng)絡(luò )可以和測厚儀通信；T1、T4 共用一個(gè)電氣柜（位于電氣室內），亦即二者共用處理、存儲、顯示部分。不考慮現場(chǎng)C 型架上的激光測速部分，則4 臺測厚儀具有相同的系統配置、網(wǎng)絡(luò )結構和信號處理流程，下面以T0 為例來(lái)加以解釋說(shuō)明。

T0 系統結構如圖2 所示。

圖2 T0 系統結構圖

總體上，從位置和區域來(lái)講，該測量系統可以分為兩大部分：軋機現場(chǎng)測量、轉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：探頭信號測量處理部分、光管及高壓控制部分和輸入/輸出信號部分。

探頭感應X 射線(xiàn)強度并轉化為電流信號（10^-12~10^-7A），經(jīng)測量轉換器放大并轉變?yōu)閿底中盘柡蠼?jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)，利用光纖介質(zhì)快速、穩定地傳輸到儀表控制室，光纖傳輸介質(zhì)轉換為5 類(lèi)雙絞線(xiàn)后，連接到系統內部網(wǎng)絡(luò )交換機，數據zui終被M—Client 計算機獲得。M—Client 獲得數字化的厚度測量值，進(jìn)行一系列計算處理，處理后的數字量一路用于M—Server 計算機內的軟件顯示、控制，通過(guò)V—Client 顯示器觀(guān)察；另一路轉換為模擬量，輸出到現場(chǎng)總線(xiàn)Interbus 模擬量模塊，并zui終送給軋機控制系統的PLC。同時(shí)，送給軋機PLC 的還有測厚儀狀態(tài)信號，從軋機PLC 接收控制用設定數據，包括軋制目標厚度值、鋼卷號等。

高壓發(fā)生器供給X 射線(xiàn)管發(fā)射X 射線(xiàn)所需的陰極負高壓和燈絲電流，X 射線(xiàn)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)測量反饋數據線(xiàn)來(lái)獲得當前的光管電流、高壓、燈絲電流等實(shí)際值，用于狀態(tài)監視和控制。這些數據由射線(xiàn)控制器串行口輸出，經(jīng)由COM—Server 接口轉換器，轉換為RJ-45 接口后，送給內部網(wǎng)絡(luò )交換機，于是便可在M—Server內的軟件上顯示、控制。

該測厚系統輔助I/O 信號用現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)傳輸，選用的是德國Phoenix Contact 電氣公司的Interbus 總線(xiàn)?，F場(chǎng)的高壓有無(wú)、快門(mén)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，均通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)Interbus 傳輸至儀表控制室的工控處理機M—Client，并由前述M—Server 內的軟件顯示出來(lái)，用于監視、處理。

Q-Server 計算機用于大量數據長(cháng)期存儲和數據統計分析，其內裝有SQL Server 數據庫和數據顯示、分析軟件，Q-Client 顯示器用于對Q-Server 內容的顯示。數據的海量存儲和數據統計，既適應了生產(chǎn)工藝的需求，又有利于測厚儀的長(cháng)期維護。NAT32 作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，用于測厚儀TCP/IP協(xié)議和西門(mén)子H1 協(xié)議的轉換和兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )的通信，完成設定數據、測量數據和狀態(tài)數據的傳輸。

1.3 測厚儀的網(wǎng)絡(luò )結構

測量數據從現場(chǎng)到儀表控制室的傳輸、測量結果和狀態(tài)被M—Server 內軟件調用、測量數據存儲到Q—Server 數據庫、測量數據偏差及測厚儀狀態(tài)數字量信號送出、設定數據的接收、各測厚儀間通信等等都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現的。如果把與測厚儀系統通信的軋機控制系統所在網(wǎng)絡(luò )理解為外部網(wǎng)絡(luò )，則測厚儀系統各裝置之間的則是通過(guò)內部以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現的。如圖3 所示。

圖3 T0 網(wǎng)絡(luò )結構圖

測厚儀系統內部網(wǎng)絡(luò )分為兩個(gè)子網(wǎng)：① 數據測量傳輸子網(wǎng)N1；② 測量數據處理、調用、存儲、顯示及系統各參數配置管理子網(wǎng)，亦即系統控制管理子網(wǎng)N2。

在測厚儀系統內部，該通信網(wǎng)絡(luò )及其終端稱(chēng)為MEVInet，它是“Measuring and visualization network”的縮寫(xiě)，由IMS 公司開(kāi)發(fā)、已經(jīng)注冊的標準自動(dòng)化系統網(wǎng)絡(luò )。該系統符合通用技術(shù)標準，并能在軟件和硬件間提供zui大化的透明度。因此，網(wǎng)絡(luò )性能穩定，通信速度快（100MB/s），便于擴展，維護起來(lái)非常方便。MEVInet 由4 個(gè)子系統組成：

① MEVInet-M （測量、控制、管理功能）

- M-Server
- M-Client

② MEVInet-V （顯示、監視功能）

- V-Client

③ MEVInet-Q （質(zhì)量管理功能）

- Q-Server
- Q-Client

④ MEVInet-N（通信連接功能）

-Switch
-Ethernet Card
-5UTP and Fiber

MEVInet-N 建立起通信鏈路，把MEVInet-M、MEVInet-V、MEVInet-Q 等3 個(gè)子系統組成一個(gè)內部局域網(wǎng)。

1.4 儀表特性

系統選用MXR161 型號的金屬陶瓷管，zui大承受高壓為160KV；高壓發(fā)生器型號為HSG101，zui高可提供100KV 的高壓。在正常工作狀態(tài)下，系統采用了約80KV 的管高壓和3.0mA 的管電流，使射線(xiàn)管長(cháng)期工作于zui大耐壓的1/2 處，可以有效地延長(cháng)射線(xiàn)管的使用壽命。該射線(xiàn)管正常使用壽命可以達到4~6 年。

T0 選用了4 個(gè)相同型號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。

現場(chǎng)測量裝置采用C 型框架，從“待機”位向“測量”位由電動(dòng)馬達驅動(dòng)，可自由移動(dòng)?？扉T(mén)及內部標準板的動(dòng)作由壓縮空氣和彈簧機構組成的力平衡系統驅動(dòng)，實(shí)現快門(mén)開(kāi)光和標準板的進(jìn)（IN）/出（OUT）。X 射線(xiàn)管用二次循環(huán)冷卻水冷卻，冷卻水循環(huán)控制系統自行設計。測厚儀系統參數見(jiàn)表1。

表1 測厚儀系統參數

1.5 系統性能指標

2006 年10 月年修期間施工安裝并完成調試后，以T0 為例，得出如下性能指標：

① 被測材料為碳鋼和高強度鋼板；
② 測量范圍0.1~4.0mm；
③ 線(xiàn)性≤±0.05%；
④ 時(shí)間常數1.4ms（圖4）；
⑤ 重復性（2σ）≤±0.1%；
⑥ 漂移短期漂移 ≤±0.05%、長(cháng)期漂移（8 小時(shí)）≤±0.1%；
⑦ 統計噪聲（2σ）≤±0.1%（在總的有效時(shí)間常數為10ms 的條件下 ）。

圖4 T0 時(shí)間常數

關(guān)閉系統定時(shí)（8 小時(shí)）校正功能，連續測量15 個(gè)小時(shí)厚度為3451μm 的鋼板，得到的漂移趨勢圖如圖5 所示。圖6 所示為所測鋼板厚度為0mm 時(shí)得到的噪聲曲線(xiàn)圖。

圖5 長(cháng)時(shí)間漂移測試

圖6 噪聲曲線(xiàn)圖

2 結束語(yǔ)

本系統X 光管采用二次水循環(huán)冷卻，在日常的點(diǎn)檢維護過(guò)程中，X 光管冷卻水的溫度和流量監視是重要工作之一，因為冷卻的效果將直接影響到光管性能和壽命，進(jìn)而影響到測量精度和穩定性。光管高壓接頭定期涂抹硅膠，以確保其良好的絕緣性，對于光管維護和確保測量精度意義重大。軋機現場(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(xiàn)光路的清潔度；振動(dòng)、機械移位等，將會(huì )改變測量的角度和距離（passline 高度）。如果這種影響在一定范圍內，則可以通過(guò)系統“校正”功能修正、消除，不僅可以提高測量精度，也方便了日常設備的維護。

本測厚系統采用了噪聲低、壽命長(cháng)、性能穩定的X 射線(xiàn)源以及惰性氣體電離室、光纖傳輸介質(zhì)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，利用集成化程度很高、功能強大的工控機（M—Client）進(jìn)行數據信號的處理。一系列先進(jìn)技術(shù)的應用，大大提高了測量的精度和穩定性，有效地降低了故障點(diǎn)，減輕了日常點(diǎn)檢維護工作的強度。雖然較高的集成化程度降低了系統的復雜性和故障點(diǎn)，但同時(shí)帶來(lái)了主要備件更換的昂貴代價(jià)。另外，該系統本身高昂的價(jià)格，也為其應用增添了一些局限性。

參考文獻
1 謝忠信,等.X 射線(xiàn)光譜分析.科學(xué)出版社,1982.
2 德國 IMS 公司.操作手冊（Operating Manual）.設備資料,2006.（end）