隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路技術(shù)的發(fā)展正朝著高速度、大運(yùn)量和自動化牽引方向邁進(jìn)。為了保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩⒖焖?，要求重軌具?a target="_blank">高精度、高平直度、高熱處理強(qiáng)度和長尺化。這就對重軌軋機(jī)的輥縫控制技術(shù)提出更高要求。以往通過機(jī)械指針等顯示輥縫位移的傳統(tǒng)方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今軋機(jī)控制精度及快速性。當(dāng)今較為先進(jìn)的軋機(jī)控制系統(tǒng)中絕大多數(shù)采用具有非接觸式測量、傳輸距離遠(yuǎn)、適應(yīng)惡劣環(huán)境且可靠性高的直線位移式磁致伸縮傳感器。這種傳感器的應(yīng)用，為軋機(jī)控制的高精度、控制過程的動態(tài)化、控制響應(yīng)的高速性、自動化提供了可能。相對于其他測量方式，基于磁致伸縮技術(shù)的位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

(1)精度高。傳統(tǒng)位移傳感器的測量精度只有0.1%FS左右，因磁致伸縮位移傳感器將位移量轉(zhuǎn)化為發(fā)射和返回脈沖的時(shí)間間隔進(jìn)行測量，測量精度高到0.01%FS。

(2)可靠性強(qiáng)。由于磁致伸縮位移傳感器的非接觸測量特性，被測物體與敏感元件不需要機(jī)械接觸，沒有摩擦磨損，而且其整個電路轉(zhuǎn)換部分封閉在不銹鋼管內(nèi)，使其能承受高壓、高溫和強(qiáng)振動。

(3)量程大。磁致伸縮位移傳感器的適用范圍很廣，測量范圍很大，能勝任大型機(jī)械設(shè)備的測量任務(wù)。

(4)安裝、維護(hù)簡便。由于磁致伸縮位移傳感器可以采用法蘭安裝方式，并且無需重新標(biāo)定或定期維護(hù)，給使用者提供了方便。

(5)利于系統(tǒng)自動化。磁致伸縮位移傳感器可以提供標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，便于微機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)信號處理工作，極大地提高了測量系統(tǒng)的自動化程度。

1磁致伸縮技術(shù)原理及特性

1.1磁致伸縮技術(shù)原理

磁致伸縮技術(shù)原理是利用兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，然后計(jì)算這個信號被探測所需的時(shí)間周期，從而換算出準(zhǔn)確的位置。這兩個磁場一個來自在傳感器外面的活動磁鐵，另一個則源自傳感器內(nèi)波導(dǎo)管(Waveguide)的電流脈沖，而這個電流脈沖其實(shí)是由傳感器頭的固有電子部件所產(chǎn)生的。當(dāng)兩個磁場相交時(shí)，所產(chǎn)生的一個應(yīng)變脈沖(Strain Pulse)會以聲音的固定速度運(yùn)行回電子部件的感測線圈。從產(chǎn)生電流脈沖的一刻到測回應(yīng)變脈沖所需要的時(shí)間周期乘以這個固定速度，我們便能準(zhǔn)確的計(jì)算出位置磁鐵的變動。

如圖一所示。這個過程是連續(xù)不斷的，所以每當(dāng)活動磁鐵被帶動時(shí)，新的位置很快就會被感測出來。由于輸出信號是一個真正的絕對位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號，所以不存在信號飄移或變值的情況，因此不必像其它位移傳感器一樣需要定期重標(biāo)和維護(hù)。

磁致伸縮位移傳感器利用非接觸之科技監(jiān)察著活動磁鐵的位移，由于磁鐵和傳感器并無直接之接觸，因此傳感器在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，例如易受油漬、溶液、塵?；蚱渌奈廴?，并不構(gòu)成問題。此外，傳感器更能承受高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境。傳感器輸出信號為絕對數(shù)值，所以假使電源中斷重接也不會對數(shù)據(jù)接收構(gòu)成問題，更無須重新歸回零位。最后，由于傳感元件都是非接觸的，所以就算感測過程是不斷重復(fù)的，也不會對傳感器造成任何磨損。

因此磁致伸縮位移傳感器非常適合這種工作在比較惡劣環(huán)境軋機(jī)設(shè)備。

1.2磁致伸縮傳感器特性

磁致伸縮傳感器輸出為電流、電壓、MODBUS、SSI、脈沖輸出；工作電壓為+15V~+24V;工作溫度為-40℃~85℃;線性度±0.01%;響應(yīng)頻率0.2ms~5ms;分辨率±0.001%ES;量程范圍80mm～12000mm;接口RS232、RS485、RS422。綜上所述，這種傳感器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如非接觸式測量、高精度、高重復(fù)性測量、絕對量輸出、可同時(shí)測量多位置量、性能穩(wěn)定可靠、承壓性好、高分辨率、響應(yīng)時(shí)間快、堅(jiān)固防震、持久耐用等。

博爾森科技有限公司是市場上提供磁致伸縮(Magnetostrictive)位移測量技術(shù)的領(lǐng)先者，創(chuàng)新的科技和支援使博爾森的產(chǎn)品一直處于市場領(lǐng)先地位。其產(chǎn)品包括R、E、G、M四個系列。其中R系列輸出形式有模擬輸出、數(shù)字和總線形式輸出，總線輸出有CANbus、DeviceNet、Profi等，本系統(tǒng)中采用Profibus-DP輸出形式。

2磁致伸縮位移傳感器在重軌軋機(jī)中的應(yīng)用

重軌粗軋機(jī)控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

本系統(tǒng)已在包鋼軌梁廠應(yīng)用。本系統(tǒng)是一個高精度、高響應(yīng)的控制測試系統(tǒng)，要求控制測試精度達(dá)到5μm。所選用的博爾森RH系列磁致伸縮位移傳感器采用RS485網(wǎng)線連接，數(shù)據(jù)格式采用PROFIBUS-DP,最大傳輸速率為12Mbit/s。

PROFIBUS-DP是為現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在組態(tài)工具下提供的功能包括診斷、監(jiān)視。

帶有PROFIBUS-DP接口的磁致伸縮位移傳感器是作為一個站點(diǎn)直接連接到bus網(wǎng)上。磁傳感器可以將最多15個絕對值位置測量值通過RS485直接傳送到控制單元。本系統(tǒng)中，現(xiàn)場應(yīng)用安裝的上輥平衡位置傳感器、機(jī)前及機(jī)后大小推床位置傳感器都作為其中一個站點(diǎn)掛接到PROFIBUS-DP網(wǎng)上，且直接傳送到主站的CPU416-2DP上。

2.1傳感器零點(diǎn)的設(shè)定

傳感器的零點(diǎn)可以根據(jù)需要在有效區(qū)內(nèi)任意設(shè)定，零點(diǎn)的成功設(shè)置直接影響到該傳感器的正確應(yīng)用。將傳感器零點(diǎn)時(shí)的脈沖數(shù)保存起來，以備位移采集時(shí)使用。

2.2位移量的采集計(jì)算

由于本系統(tǒng)中，應(yīng)用的位移零點(diǎn)都設(shè)定在某一端。所以程序設(shè)計(jì)中不存在判別移動方向問題。當(dāng)設(shè)備移動時(shí)，通過讀取站點(diǎn)地址的低位、中位脈沖數(shù)相加再加上預(yù)置時(shí)的脈沖數(shù)既是當(dāng)前的非線性化的位置值，再減去偏差值除以固定系數(shù)就是工程實(shí)際值。綜上，PROFIBUS-DP傳感器的工作流程方式如圖3所示。

3重軌粗軋機(jī)輥縫調(diào)節(jié)過程及傳感器應(yīng)用

重軌粗軋機(jī)的輥縫控制主要通過電動壓下裝置、上輥平衡裝置、防卡缸裝置等協(xié)調(diào)配合完成?；究刂七^程如下：在軋制道次切換時(shí)，PLC程序中檢測到有輥縫值變動時(shí)，從程序中輸出的壓下電機(jī)給定值通過profibus網(wǎng)控制壓下電機(jī)變頻器動作，從而壓下電機(jī)執(zhí)行向上或向下動作。當(dāng)輥縫調(diào)大時(shí)，壓下電機(jī)向上運(yùn)動，同時(shí)上輥平衡液壓缸上腔在瞬間與回油管接通，壓力降低，從而上輥平衡在下腔的作用下向上跟隨壓下電機(jī)帶動的絲杠運(yùn)動。最終帶動上輥向上運(yùn)動。當(dāng)輥縫調(diào)小時(shí)，壓下電機(jī)向下運(yùn)動，在壓下電機(jī)對上輥平衡系統(tǒng)向下壓的作用下，上輥平衡液壓缸的下腔壓力大于主油路壓力，從而使油回流。到達(dá)目標(biāo)位后，上輥平衡液壓缸的上腔壓力迅速恢復(fù)到主油路壓力值，從而再次達(dá)到平衡狀態(tài)。

壓下電機(jī)的控制是通過西門子變頻器控制，由S7-400通過profibus網(wǎng)發(fā)送控制字到變頻器站點(diǎn)。從機(jī)械方面來說，上水平軋輥將通過2個螺旋壓下銷軸和與之連接的蝸輪機(jī)構(gòu)來進(jìn)行調(diào)節(jié)(壓下)。兩個齒輪機(jī)構(gòu)通過一根軸連接，該軸可采用電液操作的摩擦離合器斷開。1臺AC電機(jī)用來驅(qū)動帶有獨(dú)立制動器的軸。同時(shí)，1臺液壓缸操作的離合器布置在上輥兩個螺旋壓下機(jī)構(gòu)的蝸輪之間。離合器的脫離目的是為了壓下銷軸可以按照爬破速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。從而使上輥與下輥能平行定位，也可以適當(dāng)?shù)厥股陷亙A斜一定程度。制動時(shí)，在操作側(cè)蝸輪機(jī)構(gòu)和電液操作的摩擦離合器之間設(shè)置一個制動閘。它由制動盤和制動抓組成，者采用電磁方式打開、彈簧作用下關(guān)閉。當(dāng)要操作壓下系統(tǒng)時(shí)，該制動閘通過動作磁鐵來脫開。

壓下電機(jī)的位置檢測來說，與壓下電機(jī)同軸帶一個碼盤變送器，碼盤實(shí)際是起雙碼盤的作用，返回一路位置信號到PLC站點(diǎn)，另一路測速信號返回到壓下電機(jī)變頻器。所以，壓下電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于輥縫探測及計(jì)算而言，實(shí)際也都是從壓下電機(jī)碼盤著手。每次換輥之后，碼盤變送器需要進(jìn)行校正。這將通過軋輥接觸由校正持續(xù)來完成。依據(jù)所知道的軋輥直徑(接觸直徑)和所知道的墊片厚度，換輥之后進(jìn)行理論輥縫計(jì)算。實(shí)際輥縫通過一同移動軋輥來實(shí)現(xiàn)一通過計(jì)算上、下輥之間插入墊片來實(shí)現(xiàn)。如果實(shí)際使用該墊片的話，則由操作員在軋輥關(guān)閉之前輸入墊片的厚度。在電機(jī)啟動之后，扭矩將受到限制(電流極限),壓下速度減慢。在這種情況下，軋輥分力增加或電機(jī)停止，輥縫被設(shè)定=0和/或=墊片厚度。

上輥平衡系統(tǒng)的控制是通過液壓缸控制，由2個液壓缸和調(diào)節(jié)螺栓相關(guān)平衡接收裝置拉動上輥來達(dá)到上輥壓下機(jī)械部件的重量平衡和避免松弛。壓力是變化的，通過一壓力控制系統(tǒng)來保持恒定。在調(diào)節(jié)過程中，通過改變平衡缸上腔設(shè)定壓力來減少平衡力。同時(shí)，上輥平衡液壓缸內(nèi)還裝有一個博爾森位置傳感器，通過PROFIBUS網(wǎng)與S7-400主站相互通信。從這個位置傳感器傳回的值同給定值相比較，在誤差范圍內(nèi)就認(rèn)為上輥平衡到位，反之繼續(xù)調(diào)整。所以，上輥平衡系統(tǒng)也是單閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4應(yīng)用總結(jié)

自應(yīng)用這種位移傳感器以來，其可靠的穩(wěn)定性、精度的準(zhǔn)確性以及安裝的便捷性為重軌軋機(jī)的快節(jié)奏、大負(fù)荷生產(chǎn)以及高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供了有力保障。實(shí)踐證明，應(yīng)用磁致伸縮位移傳感器具有非常低的故障率，并且為生產(chǎn)的全集成自動化提供了有力保障。