X射线测厚仪在宝钢1420 轧机上的应用

引言

随着生产工艺对测量精度、测量稳定性要求的提高和旧设备的性能劣化，宝钢分公司1420轧轧机测厚仪更换改造于2006 年10 月年修期间实施完成，把原来3 台DMC 公司的480 型测厚仪改造为德国IMS 公司的X 射线测厚仪。至此，分别位于1 机架前后、5 机架前后的4 台冷轧带钢测厚仪全部为技术先进、集成化程度高、性能稳定可靠、测量精度高的德国IMS 公司的X 射线测厚仪，为稳定生产、提高产品质量、增加产能提供了有力的保证。

1 系统分析

1.1 X 射线测厚原理

X 射线穿透物质时的衰减规律是X 射线测厚仪测量的理论基础，光电式传感器将射线强度的变化转变为易于检测、处理和传输的电量变化。如图1 所示，当X 射线投射到被测物后， 一部分射线为被测物吸收， 一部分射线穿过被测物，穿过被测物质后的射线强度， 在物质成分一定的情况下，和被测物的厚度和密度有关，若被测物的密度为已知时，则可以根据检测到的射线强度来计算出被测物质的厚度。X 射线测厚仪就是基于此关系原理制造而成的测厚系统。

图1 测量原理图

X 射线通过物质时部分被吸收，其强度被衰减，经衰减后的强度按指数曲线下降, 其吸收关系式为

I =I0 EXP（-ρu’ s ） （1）

式中，I 为探测器上探测到的被衰减后的射线强度， I0 为X 射线源发射的初始辐射强度, ρ为被测材料的密度，u’为材料对X 射线的质量吸收系数，s 为被测材料的厚度。

1.2 IMS 测厚仪系统结构

4 台测厚仪的现场测量框架—C 型架分别位于1 机架前后、5 机架前后，对应的测厚仪系统装置命名为T0、T1、T4、T5。T0 测出的厚度值送给轧机基础自动化控制系统，参与前馈控制；T1、T4、T5 由于位于轧机后，其测量值则参与反馈控制，4 台测厚仪的测量结果、测量精度和运行状况将直接影响轧机轧制的精度、产品质量和产量。

其中T1、T4、T5 的C 型架上集成了激光测速仪的激光探头，但测速仪的操作、处理、显示部分独立于测厚仪之外，通过内部Ethernet 网络可以和测厚仪通信；T1、T4 共用一个电气柜（位于电气室内），亦即二者共用处理、存储、显示部分。不考虑现场C 型架上的激光测速部分，则4 台测厚仪具有相同的系统配置、网络结构和信号处理流程，下面以T0 为例来加以解释说明。

T0 系统结构如图2 所示。

图2 T0 系统结构图

总体上，从位置和区域来讲，该测量系统可以分为两大部分：轧机现场测量、转换部分和仪表室处理、控制部分。从功能来讲，可分为三大部分：探头信号测量处理部分、光管及高压控制部分和输入/输出信号部分。

探头感应X 射线强度并转化为电流信号（10-12~10-7A），经测量转换器放大并转变为数字信号后经由工业以太网，利用光纤介质快速、稳定地传输到仪表控制室，光纤传输介质转换为5 类双绞线后，连接到系统内部网络交换机，数据最终被M—Client 计算机获得。M—Client 获得数字化的厚度测量值，进行一系列计算处理，处理后的数字量一路用于M—Server 计算机内的软件显示、控制，通过V—Client 显示器观察；另一路转换为模拟量，输出到现场总线Interbus 模拟量模块，并最终送给轧机控制系统的PLC。同时，送给轧机PLC 的还有测厚仪状态信号，从轧机PLC 接收控制用设定数据，包括轧制目标厚度值、钢卷号等。

高压发生器供给X 射线管发射X 射线所需的阴极负高压和灯丝电流，X 射线控制器通过串行口控制高压发生器所提供的高压和灯丝电流大小，并通过测量反馈数据线来获得当前的光管电流、高压、灯丝电流等实际值，用于状态监视和控制。这些数据由射线控制器串行口输出，经由COM—Server 接口转换器，转换为RJ-45 接口后，送给内部网络交换机，于是便可在M—Server内的软件上显示、控制。

该测厚系统辅助I/O 信号用现场总线来传输，选用的是德国Phoenix Contact 电气公司的Interbus 总线。现场的高压有无、快门状态、C 型架位置、冷却水温度流量是否超限等状态信号，均通过现场总线Interbus 传输至仪表控制室的工控处理机M—Client，并由前述M—Server 内的软件显示出来，用于监视、处理。 [page]

Q-Server 计算机用于大量数据长期存储和数据统计分析，其内装有SQL Server 数据库和数据显示、分析软件，Q-Client 显示器用于对Q-Server 内容的显示。数据的海量存储和数据统计，既适应了生产工艺的需求，又有利于测厚仪的长期维护。NAT32 作为一个网关，用于测厚仪TCP/IP协议和西门子H1 协议的转换和两个网络的通信，完成设定数据、测量数据和状态数据的传输。

1.3 测厚仪的网络结构

测量数据从现场到仪表控制室的传输、测量结果和状态被M—Server 内软件调用、测量数据存储到Q—Server 数据库、测量数据偏差及测厚仪状态数字量信号送出、设定数据的接收、各测厚仪间通信等等都是通过网络来实现的。如果把与测厚仪系统通信的轧机控制系统所在网络理解为外部网络，则测厚仪系统各装置之间的联系则是通过内部以太网网络来实现的。如图3 所示。

图3 T0 网络结构图

测厚仪系统内部网络分为两个子网：① 数据测量传输子网N1；② 测量数据处理、调用、存储、显示及系统各参数配置管理子网，亦即系统控制管理子网N2。

在测厚仪系统内部，该通信网络及其终端称为MEVInet，它是“Measuring and visualization network”的缩写，由IMS 公司开发、已经注册的标准自动化系统网络。该系统符合通用技术标准，并能在软件和硬件间提供最大化的透明度。因此，网络性能稳定，通信速度快（100MB/s），便于扩展，维护起来非常方便。MEVInet 由4 个子系统组成：

① MEVInet-M (测量、控制、管理功能)

- M-Server
- M-Client

② MEVInet-V (显示、监视功能)

- V-Client

③ MEVInet-Q (质量管理功能)

- Q-Server
- Q-Client

④ MEVInet-N（通信连接功能）

-Switch
-Ethernet Card
-5UTP and Fiber

MEVInet-N 建立起通信链路，把MEVInet-M、MEVInet-V、MEVInet-Q 等3 个子系统组成一个内部局域网。

1.4 仪表特性

系统选用MXR161 型号的金属陶瓷管，最大承受高压为160KV；高压发生器型号为HSG101，最高可提供100KV 的高压。在正常工作状态下，系统采用了约80KV 的管高压和3.0mA 的管电流，使射线管长期工作于最大耐压的1/2 处，可以有效地延长射线管的使用寿命。该射线管正常使用寿命可以达到4~6 年。

T0 选用了4 个相同型号KG20/20 的电离室作探头，每个电离室的高压均用1200V，电离室最大可输出电流约为100000pA。

现场测量装置采用C 型框架，从“待机”位向“测量”位由电动马达驱动，可自由移动。快门及内部标准板的动作由压缩空气和弹簧机构组成的力平衡系统驱动，实现快门开光和标准板的进（IN）/出（OUT）。X 射线管用二次循环冷却水冷却，冷却水循环控制系统自行设计。测厚仪系统参数见表1。 [page]

表1 测厚仪系统参数

1.5 系统性能指标

2006 年10 月年修期间施工安装并完成调试后，以T0 为例，得出如下性能指标：

① 被测材料为碳钢和高强度钢板；
② 测量范围0.1~4.0mm；
③ 线性≤±0.05%；
④ 时间常数1.4ms（图4）；
⑤ 重复性（2σ）≤±0.1%；
⑥ 漂移短期漂移 ≤±0.05%、长期漂移（8 小时）≤±0.1%；
⑦ 统计噪声（2σ）≤±0.1%（在总的有效时间常数为10ms 的条件下 ）。

图4 T0 时间常数

关闭系统定时（8 小时）校正功能，连续测量15 个小时厚度为3451μm 的钢板，得到的漂移趋势图如图5 所示。图6 所示为所测钢板厚度为0mm 时得到的噪声曲线图。

图5 长时间漂移测试

图6 噪声曲线图

2 结束语

本系统X 光管采用二次水循环冷却，在日常的点检维护过程中，X 光管冷却水的温度和流量监视是重要工作之一，因为冷却的效果将直接影响到光管性能和寿命，进而影响到测量精度和稳定性。光管高压接头定期涂抹硅胶，以确保其良好的绝缘性，对于光管维护和确保测量精度意义重大。轧机现场的恶劣环境，如：噪音、水、油、乳化液等，如吹扫工作不到位，将会影响X射线光路的清洁度；振动、机械移位等，将会改变测量的角度和距离（passline 高度）。如果这种影响在一定范围内，则可以通过系统“校正”功能修正、消除，不仅可以提高测量精度，也方便了日常设备的维护。

本测厚系统采用了噪声低、寿命长、性能稳定的X 射线源以及惰性气体电离室、光纤传输介质和现场总线技术，利用集成化程度很高、功能强大的工控机（M—Client）进行数据信号的处理。一系列先进技术的应用，大大提高了测量的精度和稳定性，有效地降低了故障点，减轻了日常点检维护工作的强度。虽然较高的集成化程度降低了系统的复杂性和故障点，但同时带来了主要备件更换的昂贵代价。另外，该系统本身高昂的价格，也为其应用增添了一些局限性。

参考文献
1 谢忠信,等.X 射线光谱分析.科学出版社,1982.
2 德国 IMS 公司.操作手册（Operating Manual）.设备资料,2006.(end)