SIA轧钢机轧制力测量系统.doc

轧制力测量系统

一、系统简介：
应变式轧机轧制力测量系统:专门用于各种轧机轧制力测量，特别是现代高速冷、热连轧机轧制力测量。测量系统由轧制力传感器和信号处理器构成。

下面的框图示出了应变式轧机轧制力测量系统的组成：

张力放大器或控制器
传感器A
传感器B

伺服电机

磁粉制动器

直流电机

二、测量原理：
应变式轧制力传感器测量原理为电阻应变原理：当传感器的弹性体受到机械力（F）的作用时，弹性体发生应力变形，粘贴到弹性体上的电阻应变片也随之变形，电阻应变片的电阻值发生变化（△R），利用惠斯顿电桥，将应变片的电阻变化转化成电压或电流的变化（△V或△I），从而测出受力的大小，即F--△R--△V--△I。

应变式轧制力传感器有多种弹性体结构。目前应用最普遍的有三种：盘型（C1型），环形（C2型），矩形（TI型，又称为长条型），为了适应轧制力测量的特殊要求（诸如：低高度，大力值，恶劣的工作环境，冲击载何等），

应变式轧制力传感器的特点：精度高（非线性度： <士0.5%，滞后： <士0.3%，重复性： <0.05%），频率响应快，可测量0～几十KHz的动态范围，抗过载能力强，标定方便。

三、安装位置:
为了获得尽可能好的测量结果，安装轧制力传感器应遵守下列几个基本原则：
l 要测量的力必须全部通过传感器。
l 传感器应尽可能靠近力源。
l 传感器的位置尽可能远离弯曲力，边界力和扭矩力。

轧机的辊缝通常由压下螺丝或液压定位器控制。传感器可以安装在几个不同的位置，但从费用和技术方面考虑，传感器最好安装在下支持辊轴承箱下面。目前有三种最常见的安装方式：（1）在压下螺丝下面；（2）压下螺母与机架底座之间；（3）下支承轧辊轴承箱下面。

3.1 与液压定位器配合安装
当轧机辊缝控制用液压定位器时，传感器可与液压定位器的部分组件集成一体，即与运动活塞集成一体。因为液压定位器是精密制造的单元，因此能很容易地满足与传感器的公差配合要求，而且液体压力的均匀分布能保证传感器有很好的负荷分布。

3.2 在压下螺丝下
对于安装在压下螺丝下，传感器可与止推轴承和均压板组成一体固定到螺丝下，随压下螺丝运动，换辊很方便。这种安装方式的优点是：力的分布好，安装简单，费用低，容易维护。另外，不必研磨轧机机架的任何表面。但这种安装方式需占用轧机牌坊窗口空间。

3.3 在下支承轧辊轴承箱下
若传感器安装在下支承辊轴承箱下面，轧机的下部需要一个足够大的平面。但这种安装方式具有一个最好的特点就是在换辊时，不必移动传感器，传感器的保护条件好。一般新轧钢机多采用此方式。

3.4 环型传感器安装在机架基座与压下螺母之间
当轧机的压下螺丝下和下支承辊轴承箱下没有足够的空间安装传感器时，这种安装方式也使测量轧制力成为可能。这种安装方式的优点是，换辊时不必移动传感器，而且对传感器有很好的保护，一般地，旧轧机改造采取这种方式。

四、传感器说明:
应变式轧制力传感器经过长期的发展，目前已在各种轧机上普遍应用，逐步取代性能较差的压磁式轧制力传感器，其性能和可靠性已逐步显示出较大优势，是轧制力传感器的发展方向。

在传感器内部的电阻应变片作为敏感组件，使用直流激励以获得对力或负荷的快速响应。
传感器具有各种弹性体结构形式：矩型，环型和盘型，以及特有的梯型。以适应不同的安装位置。测量范围：0.5MN～100 MN（50～10，000吨力）。

除用于轧制力测量外，还可用于其它机械的力或负荷的测量，例如：有色金属轧机轧制力的测量，造纸机纸带张力的测量和控制；大力值（≥5MN）的测量。

4·1特性:
* 可直接替换原有的轧制力传感器；
* 由单块高强度优质合金锻钢加工而成；
* 焊接密封结构，内充干燥惰性气体，以保持长期稳定性和可靠性；
* 优良的重复性，线性度和低的滞后性能；
* 传感器可为标准系列也可为用户特别设计。为了保证正确安装，我们为用户准备了详细的每个传感器和相关组件的装配图。
* 每个传感器带有标准长度的电缆(根据不同型号而定)。电缆为四芯镀银双屏蔽高温电缆（耐油、耐水），固定连接到传感上。电缆另一端连接到安装在机架顶部的接线盒中。电缆长度也可根据用户需要而定。可提供各种必须的安装配件。
* 传感器与信号处理器间也可用插头连接。

4·2 SIA 传感器类型
ＳＩＡ轧制力传感有５种结构类型，即盘型（Ｃ１）、环型（Ｃ２）、圆柱型（Ｃ３）、距型（Ｔ１）、Ｔ形垫块型（Ｔ２）。参见下页图片。

４·２·１ 盘型（Ｃ２）轧制力传感器
C1型盘型轧制力传感器通常适用于安装在轧机的压下螺丝下面。标准系列的工作直经为30mm的倍数，可直接替代现有轧机上使用的压磁式或应变式轧制力传感器，标准系列有25个规格，量程范围：0.6MN~100MN。
其它规格可专门为用户设计制造。一般，配带电缆10米。

4·2·2 环型（Ｃ２）轧制力传感器
C2型环型轧制力传感器，通常安装在压下螺母与机架之间。环型传感器的标准尺寸对应的标称负荷为2MN~28MN。其它尺寸和规格的传感器可按订货要求制作。一般，配带电缆10米。
4·2·3 圆柱型（Ｃ３）轧制力传感器
C3型－圆柱型轧制力传感器，通常安装在压下丝杠与上支持辊轴承箱之间。圆柱型传感器的标称负荷为2MN~１０MN。其它尺寸和规格的传感器可按订货要求制作。一般，配带电缆10米。

4·2·4 矩型（Ｔ１）轧制力传感器
T1型矩型轧制力传感器通常安装在下支承辊轴承箱下面，也可用于压下螺丝的下面。传感器可以是用户要求的外型尺寸，长度和宽度均为30mm的倍数。
这种传感器的标准负荷范围：0.6MN~100MN。一般带电缆15米。

4·2·5 T型垫块式（Ｔ２）轧制力传感器
T２型为应变式轧制力传感器特有的弹性体形式。通常安装在下支承辊轴承箱下面。测力范围：0.5MN~60MN。一般带电缆15米。

6·3 传感器的技术性能指标：

测量范围：0～100MN 非线性度： ≤士0.5% F·S
桥路电阻：50～700Ω 过载能力： 300% 标称负荷没有零点漂移
供桥电压：6～25VDC或AC 500% 标称负荷性能不改变
灵 敏 度：1.0～2.5mV/V 零点漂移： ≤士50ppM/ ℃ （在20~+150℃）
响应时间：<0.1mS 工作温度范围：0～150℃
绝缘电阻：>2000M 储运温度：－40～+180℃
不重复性：≤0.05%F·S 压缩比：传感器高度的0.1%（标称负荷）
滞 后：≤士0.3%F·S

定义：
标称负荷(Fnom)：即传感器设计要求测量力的数值。

滞 后：当加负荷从0～Fnom～0循环时，输出信号的最大偏差。通常以此偏差占标称负荷时输出信号的百分数表示。

非线性度：为传感器的输出信号曲线与理想的传感器输出信号曲线（即零与标称负荷时输出信号两点联机）之间的最大偏差。通常以此偏差占标称负荷时输出信号的百分数表示。

不重复性：为多次重复加某一载荷时，输出信号的最大读数误差，通常以此偏差占标称负荷输出信号的百分数表示。

零点的温度漂移：为不加负荷时传感器输出信号随温度的变化。

压缩比：为传感器加标称负荷时高度的变化量，以占高度的比例表示。

传感器性能指标定义图

五、订货指南：
5·1 矩型轧制力传感器(T1型)

标准负荷系列(标称负荷，MN)
0.6
0.8
1.0
1.2
1.6
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
6.5
8.0
10
12
14
16
18
20
22
25
28
30
35
40
45
50
56
60
80
100

长度L：mm
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
750
780
810
840
870
900
930
960
990
1020
1050
1080
1110
1140
1170
1200
1230
1260
1290

宽度B：mm
70
100
130
160
190
220
250
280
310
370
400
430
460
490
520
550
580
610

订货如下：
l 确定传感器要测量的负荷值，尔后从标准负荷系列表中选取比计算值大的最近的一个标准负荷 即可。
l 先确定一个尺寸(长或宽)，尔后利用下式计算另一个尺寸(宽或长)：
B x L x 0.0001=F
式中，B=传感器的宽度mm， L=传感器的长度mm， F=标称负荷MN（从标准系列表中选取），据计算的B或L，从B或L表中，选取比计算值大的第一个值即可。
l 标明传感器所需电缆长度
例如：
标称负荷14MN，宽度定为400mm，那么长度将为360mm（从计算值350mm往上靠），当订货时，请注明：
----选用的传感器型号，----标称负荷，----长x宽，----电缆长度L
例如:
T1，14MN，360×400mm ， L=10米

5·2盘型轧制力传感器 C1型

19
C1标准系列:
标称负荷 D1内径 D2外径
MN mm mm
1.6 150 210
2.5 180 240
3.0 210 270
4.0 240 290
5.0 270 320
6.3 300 350
8.0 330 380
10 360 410
12.5 390 440
14 420 470
16 450 500
18 480 530
20 510 560
22 540 590
25 570 620
28 600 650
30 630 710
35 660 740
40 720 800
45 750 830
50 780 860
55 810 890
60 810 890
80 840 920
100 870 950

订货如下：
l 确定传感器的使用负荷，从标准系列表中选取大于计算值的第一个负荷。

l 订货时请注明:
----传感器的型号，
----标称负荷，
----电缆长度L，
例如: C1，20MN，L=15米。

5．3环型轧制力传感器 C2型:

C2-标准尺寸规格表：
负荷
MN
D1
mm
D2
mm
D3
mm
D4
mm
2
100
130
200
240
2.5
100
130
210
250
3
200
230
300
340
4
225
255
340
380
5
255
285
380
410
6.5
285
315
420
450
8
320
350
470
500
10
355
385
525
550
12
400
430
590
620
14
420
450
620
650
16
450
480
660
690
18
480
510
700
730
20
505
535
735
765
22
535
565
775
805
25
565
595
820
850
28
595
625
865
895

30~100MN按用户要求制造。

订货须知:
l 确定传感器的测量负荷，从标准系列表中选取大于需要负荷值的一个标准负荷值即可。
l 对于非标准负荷传感器的尺寸不适用的情况下，可根据用户要求制作。
l 对于非标准传感器计算公式：
F=兀/4(D3-D2)×0.0001MN

订货(标准系列)请注明:
----传感器型号，----标准负荷，----D1和D4，----电缆长度。
例如: C2-10MN，D1=355，D4=500，L=15米。

六、SIA数字式信号处理器DSP8A

6·1 SIA－数字式信号处理器DSP8Ａ简介：
SIA－数字式信号处理器DSP8A，是处理SIA应变式力传感器（或者其他厂家应变式力传感器），例如：用于处理轧制力测量、张力测量、工业称重以及压力传感器和位移传感器信号的微处理机控制的数字／模拟混合式信号处理器。
SIA－数字式信号处理器DSP8A为冶金工业的热轧带钢机、冷连轧带钢轧机控制系统提供适宜的控制和显示数据。为了适应不同的应用要求，SIA数字式信号处理器DSP8A采用全数字形式处理传感器的信号，并且可提供数字量和模拟量输出。
先进的软件技术，保证所处理的传感器信号的真实性。因此，能够实现对模拟输入信号的快速实时处理。完善的在线诊断功能，连续不断地监视系统运行。
微处理机（CPU）、触摸屏显示器、输入/输出模块均安装在标准19˝抽屉式仪表内。本信号处理器采用模块化设计，允许为用户提供多种形式配置的最终产品。

6·2 SIA数字式信号处理器DSP8A的特点：
l 轧制力、张力传感器的单独值、和、差输出。
对于压力传感器则输出单独值、和值、差值。
l 测量单量程、双量程张力，固定夹角或者变夹角情况下，输出张力辊两侧张力的平均值、和值、差值。
l 位移测量，可适用于轧机单侧或双侧绝对位移传感器。
l 调零：可通过主计算机串口、逻辑输入、或触摸屏调整零点。
l 向轧机AGC系统提供模拟输出和数字输出。
l 力、张力、位移值的显示。
l 力值门限值的设定和显示：用户选择作为逻辑输出，可用于轧机的咬钢、抛钢信号。具体值可由轧机上位机通过串口进行遥控。
l 校准：SIA数字式信号处理器DSP8A的校准应变式传感器有三种方式：即通过轧机主计算机的串口、逻辑输入和用户小键盘设定。
l 单传感器运行：若轧机两侧的一对传感器有一个损坏，另一个传感器可单独运行。单传感器运行方式可由用户选择，但是，必须通过轧机主计算机串口，或者通过触摸屏进行设定。
l 实时在线诊断：
1. 供桥电源过流，
2. 信号电缆与屏蔽层的绝缘，
3. 输入通道饱和，
4. 系统电源故障，
5. 系统CPU故障。
l 零点调整和参数校验：为了保证系统参数在允许范围内，须经常性地进行零点调整和参数校验。调整后的增益值和零点值储存在防掉电存储器内，不受电源停电的影响。
l 完善的自检功能，系统自检在5秒钟内完成，若有故障会自动发现和显示。

6·3 SIA数字式信号处理器DSP8A的组成：
SIA数字式信号处理器DSP8A由下列部分组成：
CPU、一个逻辑输入/输出模块、电源、用户面板（包括操作小键盘和LCD显示器）、输入模块、输出模块选件，以满足不同用户的需要。如图6.3 a所示。

触摸屏

位移传感器
输入模块(4通道)

CPU

模拟输入模块
(8通道)

应变电桥
输入模块
（4通道）

逻辑输入/输出
模块

数字输出模块
（8通道）

数字输出模块
（8通道）
模拟
隔离模块
管理计算机系统

轧钢
AGC
计算机

绝对位移
传感器

模拟输入
张力夹角

应变式传感器
张力传感器
轧制力传感器

图6.3 a SIA数字式信号处理器--系统组成

负荷传感器、张力传感器、液体压力传感器通过应变桥输入模块与CPU连接。每一个应变桥输入模块可提供2个传感器的供桥电压源，放大器和模/数转换器。绝对位移传感器通过绝对位移传感器输入模块与CPU连接，每个绝对位移传感器输入模块可连接2个绝对位移传感器。SIA数字式信号处理器DSP8A能够安装2个或4个传感器输入模块：
l 2个应变桥输入模块，
l 或者 2个绝对位移传感器输入模块，
l 或者 每种1个。

6.4 CPU：
数字方式处理所有传感器的设置信号；
监视信号大小，并指示报警状态；
监视系统运行，并提供诊断信息。
1个串行接口用于直接传输和接收管理程序、状态和诊断信息给主计算机。
附属模拟数据，例如冷连轧应用时的带钢包角，轧制线高度和带钢厚度数据，通过串行口输入给CPU，或通过用户选用的8通道模拟输入模块输入CPU。
力、‘压力’、张力和位移数据能以数字量或模拟量输出，或两者都有，这由用户选用的具体输出模块定。
每个数字输出模块可通过并行光电隔离口，同时传输8个传热器的测量数据，具体时间传输那人数据由控制系统请求。
每个模拟输出模块可提供路隔离输出信号。对于一对输入通道共4个通道，输出配置如下：
负荷传感器：2个单值，1个“和”，1个“差”值。
张力传感器：2个单值，1个“平均”值，1个“差”值。
液体压力传感器
绝对位移传感器
每个应变桥输入模块，或者绝对位移传感器输入模块要求1个模拟输出模块。
当需要多于1个以上的隔离模拟电压输出参数，或模拟电流输出时，需要另接1个模拟量隔离模块。每个模拟输出模块可提供8路单独隔离输出，每路可单独地连接到。每个模拟输出模块可接最多2个模拟量隔离模块。
调零、校准、自检和键盘锁的逻辑输入，和速度、门限指示：系统参数均可通过逻辑输入/输出模块交换。1个逻辑输入/输出模块包含8路输入，4个系统参数输出，和8个用户设定的门限值报警输出。可安装第2个逻辑输入/输出模块以提供附加的8路用户设定的速度和门限报警输出。但是，第2个逻辑输入/输出模块的逻辑输入不能使用。
系统通过用户面板启动。启动包括：输入传感器的校参数，设定报警门坎数值（用户选择），选择LCD显示的工程单位。仪表运行过程中，所选择的单位、和、差输出显示在LCD显示器上。用户面板包括：4行40个字符显示数据，1个20键的操作小键盘。小键盘可上锁，以防止非法操作。
上述模块（最多7个），除模拟量隔离模块外，均安装在前面板上。模拟量隔离模块安装在DSP800表的内部后面板上。

5种仪表柜，每种都包含有推拉轨道，均可安装本表。

l 地面安装，自然对流柜，可安装4个SIA数字式信号处理器DSP8A（ 型号：FMC2001—V）。
l 地面安装，强制空冷柜，可安装4个SIA数字式信号处理器DSP8A（型号：FMC2001-F）。
l 地面安装，密封、强制风冷柜，可安装2个SIA数字式信号处理器DSP8A。（型号：FMC2012-S）。
l 地面安装，空调，强制风冷，可安装4个SIA数字信号处理器DSP8A（型号：FMC2012—A）。
l 墙面安装柜：安装1台SIA数字式信号处理器DSP8A。
6·5 性能参数：
6·5·1简要说明
在下列性能参数中，满量程（F·S）指传感器标称负荷时的输出值。
6·5.2 输入
6·5·2·1 应变桥输入模块（4通道）
输入阻抗： ≥1GΩ
共模抑制比： ＞106dB(在60Hz，±10V峰—峰输入)
失效输入： 250V AC RMS 共模
50V AC RMS 差模
取样速率： 8000次/秒
饱和： 200%F·S输入
传感器供桥电源： 10V DC（最大85mA）恒压，短路保护
隔离： 250V AC RMS/通道，独立隔离。
以上性能参数适用于下列传感器参数情况：
桥路电阻： 120～2000Ω
灵敏度： 0.5～2.5Mv/v
6·5·2·2 模拟输入模块（8通道）
输入范围： ±10V DC（满量程）
输入阻抗： 1MΩ
读数精度： 优于0.1%
最大失效输入： 250V AC RMS 共模
50V AC RMS 差模
取样速率： 100次/秒

6·5·3 输出
6·5·3·1 数字输出模块（8通道）
格式： 8个24bit数值，1byte/次
定标： 1数码=0.01% F·S
控制信号：
- 输入SIA DSP8A： 3-bit字选，2-bit比特率选
- 出SIA DSP8A： 当数据总线稳定，数据应答
- 信号值： 符合RS422 和RS485

数据传输时间： 10μs（或用户设定）/1个满24-bit字
隔离： 250 V AC RMS
数据更新速率： 8000次/秒

6·5·3·2 模拟输出模块（8路输出）
范围： 0～10V DC 或±10 V DC
定标：
单值和和值： 10 VDC=100%F·S或200%F·S
差值： 10 VDC=X%F·S（用户定义）
隔离： 250V AC RMS
饱和： ±11 V DC
负载： ≥2000Ω
数据更新速率： 8000次/秒

6·5·3·3 模拟隔离模块（8路输出）
范围： 0～10V DC 或±10 V DC
4～20mA,跳线设定
负载电阻： ≥2000Ω（电压输出）
≤500Ω（电流输出）
零点漂移（25℃）；
电压输出： 10 mV DC（最大）
电流输出： 20μADC (最大)

6·5·3·4逻辑输入/输出模块（8路输入/8路输出—8路用户选择）
输入：
形式：
取样速率： 100次/秒
隔离： 250V AC RMS

输出：
形式： 继电器（单级），每个继电器串联1个20Ω电阻。
容量： 10瓦 电阻负载（在150V DC时）最大值
数据更新速率： 500次/秒

控制串行口：
类型： RS232或RS422，跳线设定
波特率： 9600，4800，2400，1200，600和300，用户选择奇偶校验：奇、偶、非—用户选择
停止位： 1位
数据位： 8位

6·5·4 性能
6·5·4·1 力、压力、和张力传感器的电气性能：
零点补偿范围： ±50%F·S
零点漂移：
- 数字输出： 0.006 %F·S/℃
- 模拟输出： 0.010 %F·S/℃
- 隔离电压输出： 0.010 %F·S/℃
- 隔离电流输出： 0.012 %F·S/℃

增益设定精度： 0.10%F·S
增益漂移（V/V）：
- 数字输出： 0.006 %/℃
- 模拟输出： 0.0068%/℃
- 隔离电压输出： 0.0068 %/℃
- 隔离电流输出： 0.010 %/℃

尖峰和噪音：
- 数字输出： ±0.04 %F·S
- 模拟输出: 5mV, 0～20K Hz
- 隔离电压输出： 5mV,0～20K Hz
- 隔离电流输出： 10μA，0～20K Hz

非线性度： 0.05 %F·S
分辨率： 0.02 %F·S
阶跃响应时间: （0～90%最终输出）：
- 模拟输出： 0.75mS
- 数字输出： 0.55mS

6·5·4·2 位移电气性能：
零点补偿范围： 0-100%
零点漂移（不包括ADT头）：
- 数字输出时： 0.0005 % F·S/℃
- 模拟输出时： 0.002 % F·S/℃
- 隔离电压输出时： 0.003% F·S/℃
- 隔离电流输出时： 0.003%F·S/℃

增益漂移（不包括ADT头，V/V）：
- 数字输出： 0.006%/℃
- 模拟输出： 0.005%/℃
- 隔离电压输出： 0.005%/℃
- 隔离电流输出： 0.007%/℃

干扰和噪音：
数字输出： ±0.02% F·S
模拟输出： 5mV(峰-峰，0～20 KHz)
隔离电压输出： 5mV(峰-峰，0～20 KHz)
隔离电流输出： 10μA（峰-峰，0～20 KHz）

非线性度（不包括ADT头）：≤0.05%
成分辨率： （数字输出）：0.5μm
阶跃响应： 0～90% 原始输出在3mS内
输出更新速度： 1000 次/秒

6·5·4·3 报警—位置（逻辑输出）：
响应： 当信号值超过用户设定值的时间在0～999mS（用户设定）时， 报警。
饱和： 当报警状态存在时。

6.5.4.4 报警—变化速度（逻辑输出）
响应： 当超过用户设定的变化速率1mS时，报警。
饱和： 0～999mS（用户定义）。

6.5.4.5物理特性：
电源要求： 220 V AC±20%（或115V AC±20%）
50～60 Hz
200 VA
运行温度： 0～40℃
运行湿度： 90%（40℃）
贮存温度： -20℃～+80℃
贮存湿度： ＜70%HR（40℃）
外形尺寸： 宽X高X深=483X267X225mm
重量： 7.0 kg (15 pounds)

鞍山瑞达仪器仪表有限公司
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2004年8月 第7版 中国 鞍山