一种带肋钢筋负偏差监测系统及负偏差检测计算方法

摘要

本发明涉及一种带肋钢筋负偏差监测系统及负偏差检测计算方法，包括数据采集系统、数据处理系统、现有棒材轧线自动控制系统和现场显示系统，数据采集系统以及现有棒材轧线自动控制系统与数据处理系统采用工业以太网进行通讯，数据处理系统与现场显示系统之间采用串行总线相连；数据采集系统包括钢材称重终端、热金属监测器和可编程序控制器PLC1，钢材称重终端通过现场总线与PLC1相连，热金属监测器采用屏蔽电缆与PLC1相连；现有棒材轧线自动控制系统包括上位机、直流调速装置和可编程序控制器PLC2，上位机与PLC2之间采用工业以太网进行通讯，直流调速装置通过现场总线与PLC2相连。本系统能有效提高钢坯的成材率，降低轧制成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带肋钢筋轧制生产线上的带肋钢筋负偏差监测系统及负偏差检测计算方法，属于钢铁冶炼中钢筋线材的生产技术领域。

背景技术

冶金行业轧钢企业在进行带肋钢筋（俗称螺纹钢）轧制时，在不增加生产成本或降低成本的前提下可通过合理的负偏差轧制来提高钢材成材率。螺纹钢的负偏差轧制是保证产品的各项性能完全满足国家标准和用户要求的前提下，在轧制过程中使成品钢材的断面尺寸按规定标准控制在公称尺寸的负偏差范围内，但由于螺纹钢重量负偏差受横肋、纵肋、内径、钢温、张力等因素的影响，导致钢筋尺寸变化较大，使得其负偏差不易监测。传统的负偏差监测方式是由精轧调整工每轧一段时间后采用游标卡尺测量带肋钢筋的几何尺寸，并根据最大负偏差的可能几何尺寸凭经验进行带肋钢筋的负偏差控制。这种经验监测方式不仅存在精轧调整工的主观调整误差大，使得轧制的成品钢材存在较大的尺寸偏差，成品钢材的合格率比较低，致使企业的效益严重受损，同时也由于整个轧制过程带肋钢筋是高速运动且连续不断地前进的使得这种方式存在信息反馈不及时，无法实现动态实时监测，严重影响了螺纹钢的生产效率。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种带肋钢筋负偏差监测系统及负偏差检测计算方法，该系统整体自动化程度高，能够在线实时监测带肋钢筋的几何尺寸，从而更好地控制带肋钢筋的负偏差，操作方便，大大减少了操作人员的劳动强度及控制难度，有效提高钢坯的成材率，降低轧制成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种带肋钢筋负偏差监测系统及负偏差检测计算方法，其特征在于，所述负偏差监测系统包括数据采集系统、数据处理系统、现有棒材轧线自动控制系统和现场显示系统，所述数据采集系统以及现有棒材轧线自动控制系统与数据处理系统采用工业以太网进行通讯，所述数据处理系统与现场显示系统之间采用串行总线相连；所述数据采集系统包括钢材称重终端、热金属监测器和可编程序控制器PLC1，所述钢材称重终端通过现场总线与可编程序控制器PLC1相连，所述热金属监测器采用屏蔽电缆与可编程序控制器PLC1相连；所述现有棒材轧线自动控制系统包括上位机、直流调速装置和可编程序控制器PLC2，所述上位机与可编程序控制器PLC2之间采用工业以太网进行通讯，所述直流调速装置通过现场总线与可编程序控制器PLC2相连。

所述现场显示系统为一设置在钢材轧制现场的LCD液晶显示屏或LED显示屏，所述显示屏通过RS232/RS485转换器与所述数据处理系统的上位机相连。所述工业以太网选用一种标准开放式的网络，即为基于TCP/IP网络协议的以太网，由其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以很容易实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享，且数据的传输距离长、传输效率高。所述可编程序控制器PLC1和可编程序控制器PLC2采用西门子S7-300 PLC，它包括电源模块、CPU模块、存储器模块、高速计数模块、CP通讯模块和I/O模块等模块，把所述数据采集系统以及现有棒材轧线自动控制系统所采集的信息进行处理并传输至上位机。所述钢材称重终端采用型号为XK3139的IND560 称重显示控制器，可连接广泛使用的应变式称重传感器和电磁力补偿式传感器，且其具有众多与上位机或可编程序控制器PLC的通讯接口方式和数字I/O控制端口。所述现场总线采用PROFIBUS-DP总线，便于利用IND560 称重显示控制器的PROFIBUS-DP接口与可编程序控制器PLC1的Profibus-DP通讯模块互连通讯，把钢坯的实际重量读到可编程序控制器PLC1里。

带肋钢筋负偏差监测系统所采用的负偏差检测计算方法为在带肋钢筋生产过程中，对钢坯进行连续称重，通过所述数据采集系统采集加热炉出口钢坯的实际重量和成品轧机处的热金属检测信号，并通过所述现有棒材轧线自动控制系统采集成品轧机的转速，所述数据处理系统计算出钢筋的理论重量及负偏差，并将钢筋的负偏差数据输出至所述现场显示系统。所述负偏差检测计算方法是利用钢筋比重（即每米重量，亦为钢筋密度）不变的原理，采用称重的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：在带肋钢筋生产线开机之前，在所述现有棒材轧线自动控制系统的上位机上设置包含钢筋轧制规格、钢筋比重、钢坯根数和成品轧机辊径等带肋钢筋轧制工艺参数；

步骤2：在带肋钢筋生产过程中，采用所述钢材称重终端对加热炉出口处的钢坯进行连续称重，所得钢坯的实际重量读取到可编程序控制器PLC1上并通过工业以太网传输至所述数据处理系统的上位机，采用所述热金属监测器监测钢筋信号或成品轧机咬钢电流信号，并通过工业以太网传输至所述数据处理系统的上位机；

步骤3：在带肋钢筋生产过程中，采用所述可编程序控制器PLC2读取所述直流调速装置上成品轧机的转速，并通过工业以太网传输至所述数据处理系统的上位机；

步骤4：在带肋钢筋生产过程中，所述数据处理系统的上位机接收所述数据采集系统和现有棒材轧线自动控制系统传输来的工艺参数、成品轧机转速、热金属检测信号以及钢坯的实际重量，根据成品轧机转速与线速度的转换公式（1）计算成品轧机的线速度，并根据公式（2）编写程序计算钢筋的理论长度，再根据公式（3）计算钢筋的理论重量，最后根据公式（4）计算带肋钢筋的负偏差数据；

步骤5：在带肋钢筋生产过程中，所述数据处理系统将计算所得的负偏差数据经所述RS232/RS485转换器传送至所述现场显示系统的显示屏进行输出显示；

其中，步骤2和3没有先后顺序之分，能够同时进行或者按照任意顺序实施。在计算钢筋的理论长度的程序中采用OB35定时中断组织块，定时中断扫描的优势在于固定扫描周期，每个设定的时间周期执行一次，通常OB35的扫描周期默认值为100ms执行一次，在本系统中将OB35的工作周期设定为15ms。从成品轧机出口热检信号上升沿或有咬钢电流信号开始，用成品轧机瞬时线速度乘以15ms，并一直累加（15ms一次）至热检信号下降沿或无咬钢电流信号，并通过修正得出钢筋的理论长度。

带肋钢筋生产线开机前先设定好钢筋的轧制规格、轧机辊径及钢筋比重等相关参数，开机后称重显示控制器连续读取加热炉出口钢坯的实际重量，并将数据传送至PLC1中，PLC1处理后将数据输送至上位机上进行处理和显示；将PLC2与直流调速装置建立通讯，读取成品轧机的转速并传送至上位机；通过热金属监测器监测成品轧机处的热金属检测信号（包括钢筋信号或成品轧机咬钢电流信号），PLC1采集到热金属检测信号后送至上位机，上位机根据成品轧机的转速以及热金属检测信号进行成品钢筋的理论重量计算；并将成品钢筋的理论重量与实际钢坯重量作比较得出钢筋负偏差数据并将负偏差百分值和比较结果通过现场显示屏显示出来；由于在上位机上已录入热轧带肋钢筋国家标准GB1499-1998中相应规格最大负偏差数据，将上述比较所得负偏差数据与理论最大负偏差数据进行比较，超出允许范围将发出报警，操作人员可以直观的在上位机或现场显示屏上监视钢筋负偏差变化情况，并根据负偏差变化情况及时对带肋钢筋生产线进行调整（包括调整成品轧机的堆拉关系或条形尺寸等参数），从而将带肋钢筋的负偏差值控制在理想范围内。此外，在所述数据处理系统上可以连接打印机设备，便于将必要的生产数据打印出来。

相对于现有技术，本发明所提出的负偏差监测系统能够动态实时监测带肋钢筋的负偏差，并将负偏差数据送至现场显示屏进行显示并报警提醒，让操作人员做到及时准确的掌握成品钢筋负偏差变化情况，大大减少了操作人员的劳动强度及负偏差控制难度的同时提高了钢筋轧制的成材率以及降低了轧制成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

如图1所示，一种带肋钢筋负偏差监测系统，包括数据采集系统、数据处理系统、现有棒材轧线自动控制系统和现场显示系统，所述数据采集系统以及现有棒材轧线自动控制系统与数据处理系统采用基于TCP/IP网络协议的以太网进行通讯，所述数据处理系统与现场显示系统之间采用RS232/RS485转换器相连；所述数据采集系统包括钢材称重终端、热金属监测器和可编程序控制器PLC1，所述钢材称重终端通过PROFIBUS-DP接口与可编程序控制器PLC1进行通讯，所述热金属监测器采用屏蔽电缆与可编程序控制器PLC1相连；所述现有棒材轧线自动控制系统包括上位机、直流调速装置和可编程序控制器PLC2，所述上位机与可编程序控制器PLC2之间采用基于TCP/IP网络协议的以太网进行通讯，所述直流调速装置通过PROFIBUS-DP总线与可编程序控制器PLC2相连。

所述可编程序控制器PLC1和可编程序控制器PLC2采用西门子S7-300 PLC，它包括电源模块、CPU模块、存储器模块、高速计数模块、CP通讯模块和I/O模块等模块。所述数据采集系统把加热炉出口钢坯的实际重量、成品轧机转速和成品轧机处的热金属检测信号以及设定的相关工艺参数等数据采集到PLC和上位机里。

在上位机上设定好钢筋的轧制规格、轧机辊径及钢筋比重等相关参数，通过热金属监测器监测成品轧机处的热金属检测信号（包括钢筋信号或成品轧机咬钢电流信号），PLC控制器采集到热金属检测信号后送至上位机。在钢坯称重方面选用梅特勒-托利多(常州)称重设备系统有限公司生产的型号为XK3139的IND560 称重显示控制器来读取每根钢坯的实际重量，利用IND560 称重显示控制器的PROFIBUS-DP接口与PLC1通讯，把钢坯重量读到PLC1里并在上位机上显示。

成品轧机转速、轧制规格、钢筋比重、成品轧机辊径以及钢坯根数通过现有棒材轧线自动控制系统的TCP/IP通讯读取到数据采集系统的PLC1里，现场热金属检测器通过屏蔽电缆接线到PLC1的I/O模块上，这样热金属检测器的开关量信号采集到PLC1里。

数据处理系统主要是把数据采集系统采集到的钢坯实际重量、成品轧机转速、热金属检测器信号以及设定的工艺参数采集过来，并利用这些参数计算出钢筋理论长度、钢筋理论重量以及负偏差百分值。

1) 钢筋理论重量的计算

将PLC2与直流调速装置建立通讯，读出成品轧机的转速n，并在上位机上设定成品轧机的辊径D，再根据转速与线速度的转换公式（1）计算出成品轧机线速度V。

其中，n的单位是r/min，D的单位是m，V的单位是m/s。

在STEP7软件中设有计算钢筋的理论长度程序，程序中采用OB35定时中断组织块。定时中断扫描的优势在于固定扫描周期，每个设定的时间周期执行一次，通常OB35的扫描周期默认值为100ms执行一次。OB35在硬件组态中的CPU属性中有一个cyclic interrupts里面设置OB35的中断周期，此处的工作周期设定为15ms，然后CPU就可以按照该工作周期来调用OB35定时中断组织块了。从成品轧机出口热检信号上升沿或有咬钢电流开始，用成品轧机瞬时线速度（即线速度V）乘以15ms，一直累加（15ms一次）至热检信号下降沿或无咬钢电流，并通过修正得出钢筋理论长度。如下公式（2）：

15ms中断时间。

钢筋的理论重量用钢筋理论长度乘以钢筋比重得出，在上位机上显示。如下公式（3）：

2) 负偏差的计算

通过下述公式（4）计算带肋钢筋的负偏差，如下：

通过将负偏差与理论最大负偏差（即热轧带肋钢筋国家标准GB1499-1998中相应规格最大负偏差）进行比较，并将每根带肋钢筋的负偏差情况以表1的形式显示在大屏上，当钢筋的负偏差超出允许范围将发出报警，便于热检工观看数据，了解负偏差情况。

表1   带肋钢筋轧制生产线上钢筋负偏差情况表

经实际生产实践表明，本发明所提出的负偏差监测系统及其采用的负偏差检测方法能够及时、准确地将带肋钢筋生产线上带肋钢筋生产过程中各种规格的带肋钢筋负偏差情况反馈给操作人员，不仅大大降低了劳动强度及负偏差控制难度，同时也实现了钢筋轧制过程管理数据自动化，提高了生产现场的管理水平，同时对带肋钢筋成品的检验表明，成品的负偏差波动范围很小，基本不会出现超过负偏差的不合格生产情况，提高了钢筋轧制的成材率，为企业带来良好的经济效益。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。