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              激光厚度傳感器在造紙機上的應用
              中國紙業網造紙廠設備:2020-8-19 1:46:05 造紙機械|衛生紙機|銅版紙|瓦楞紙|造紙機
                

              魏國華 先生

                 高級工程師,全國五一勞動獎章獲得者,山東省首席技師,泰山產業領軍人才,山東省“勞動模范”;先后主導或參與完成重要革新成果8項,其中3項獲得國家實用新型專利,1項獲中國輕工業聯合會科學技術進步獎一等獎,1項獲山東省計算機應用優秀成果二等獎,2項技術成果通過鑒定。

              華泰PM8的QCS系統采用最先進的paper IQ質量控制系統,該系統配有定量、水分、厚度、灰分、顏色等傳感器用于在線測量。該生產線主要生產58~180g/m2銅版紙、雙膠紙、轉移印花紙,紙張厚度是一個比較重要的技術指標。本文介紹厚度傳感器的測量原理及硬件組成、日常維護、故障案例分析,希望能為同行提供借鑒。


              1 硬件組成及測量原理

              厚度測量一般有接觸式和非接觸式兩種測量方式,本文采用非接觸式激光厚度傳感器IQLaserCaliper,是一款無擠壓、無孔、定點自動校準、無需特殊維護的產品。其測量范圍:紙/紙板最小厚度:25μm,紙/紙板最大厚度:750μm;環境溫度:MAX85℃。

              1.1硬件組成

              厚度傳感器IQLaser Caliper是單面接觸式傳感器,分為上下兩個探頭,上面為檢測頭DH,下面為源頭SH。

              源頭SH內部由參考板、參考板執行器(帶步進電機的機構)、E/P轉換器、電磁閥、壓力和溫度測量傳感器、電路部分等組成。源頭SH外部接口:電源、通訊、冷卻水循環、壓縮空氣。其中壓縮空氣兩路:直徑φ8mm,用于產生真空;凈化空氣:直徑φ6mm,用于保持正壓(圖1)。

              檢測頭DH內部由激光三角測量傳感器、磁傳感器(線圈)、加熱裝置、流量檢測、電路部分等組成。檢測頭DH外部接口:電源、通訊、冷卻水循環、壓縮空氣。其中壓縮空氣兩路:直徑φ8mm,用于激光窗口打掃;凈化空氣:直徑φ6mm,用于保持正壓(圖2)。

              1.2測量原理

              厚度傳感器測量原理是采用激光三角測量和磁通量測量相結合的方法,激光三角測量點如圖3右側所標注的測量范圍:測量從激光傳感器到紙頁上表面的距離。當紙張厚度改變時,反射光束的焦點發生偏移,從而測量出激光傳感器到紙頁上表面的距離。磁通量線圈測量點如圖3左側所標注的測量范圍:測量從線圈到參考板表面的位置。參考板表面有鉆孔形成真空,將紙頁緊緊吸附在參考板上,從而磁通量線圈測量的位置即為線圈到紙頁下表面的距離。兩者測量的距離之差計算實際紙張厚度:

              紙頁厚度=磁通量線圈測量位置-激光傳感器測量位置+補償常數。

              1.3重要組件功能描述

              參考板:有3種型號,分別為RP-25、RP-10、RP-00。其中RP-25用于新聞紙、SC紙;RP-10用于涂布紙;RP-00用于紙板。在參考板的中心位置鑲嵌熱敏電阻,參考板表面溫度隨著接觸紙頁的溫度在隨時變化,溫度變化對線圈測量值影響很大,采用溫度補償進行修正。溫度補償系數在傳感器出廠參數中有標注,參與厚度計算。為減少磨損,參考板表面為光滑耐磨的金剛石涂層,更換周期與紙種、真空度大小有關系,一般3年左右。


              參考板執行器步進電機:帶動參考板垂直上下移動,正常測量位置略高于SH源頭表面。通過零位置值ZeroPos進行電機位置保護,它是電機找到零位置的步進數。指示步進電機的狀態,計算電機是否在運行過程中丟失任何步進。允許的零度公差為±10步。配有正反轉電機控制回路,電壓為±15V。

              激光傳感器:為紅色可見光,屬于3B級激光,對眼睛有害,必須注意避免直射。由于安全問題已采取特殊預防措施來控制激光狀態。除非傳感器處于測量模式,否則激光電源始終關閉。離合器分開,激光電源自動關閉。在正常測量狀態,可通過操作按鈕和微機界面選項進行ON/OFF轉化。進入激光窗口的壓縮空氣必須是過濾后的。

              磁傳感器(線圈):線圈是一個溫度敏感傳感器,配有塑料罩和穩定空氣。為了減小溫度的影響,在檢測頭DH如圖2(2)、(3)所標注的配有加熱裝置和循環系統,通過微機界面設定溫度值,在探頭內部通過壓縮空氣進行溫度調整。由于環境的變化,平臺的變形間隙距離會產生變化,對線圈測量值影響很大。


              1.4標準化方式

              厚度傳感器有兩種標準化方式:一種為離紙標準化,一種為定點標準化(圖4)。


              離紙標準化:在97.2.1.60界面設置,120min定時標準化。在離紙回車庫位置自動標準化,此時掃描架內沒有紙張,激光直接測量參考板,線圈直接測量參考板,標準化計算的數值自動記錄在97.2.22界面StzCaliper,目的是校準測量零點。校驗后Instantaneous Caliper值為-40左右。

              定點標準化:在97.2.22.2界面設置,設為自動允許模式為Enabled,按照右側設置計算進行定點標準化。大約需要3min,97.2.1界面設置定點位置fixedposition 300cm(根據實際工況可任意位置)。定點標準化開始后自動運行到300cm位置,參考板上下移動,激光傳感器測量紙張上表面,線圈直接測量參考板。在這個運動過程中,測量多個激光/線圈數據對,形成一條校準曲線(ABCDE)。此曲線在每次定點標準化中都會更新。如果曲線良好,線圈和激光給出的值相同,97.2.22界面“RawCaliper”的差值為零。再自動離紙回車庫做一次離紙標準化,激光和線圈都直接測量參考板,計算出97.2.22界面StzCaliper自動更新。

              標準化過程中出現問題,會出現標準化失敗報警,將會停止厚度掃描。

               

              2  安裝及日常維護

              厚度傳感器非常穩定,其使用狀況與安裝狀態和日常維護是密切相關的。

              2.1安裝注意事項

              (1)通常安裝于掃描架最后一個插槽,源頭(SH)帶有參考板安裝于平臺下方,檢測頭帶有激光傳感器防止紙毛、灰塵積聚安裝于平臺上方。掃描架進紙側和出紙側上下各安裝一對導紙輪,用于調整紙頁走向。為保證紙頁緊貼參考板,要注意調整導紙輪的位置。導紙輪上下間隙一般為3mm,用3mm內六角和水平儀進行調整。

              (2)檢查平臺上部和下部傳感器對齊,不能錯位和傾斜。在運行過程中也要保證對齊,不能錯位和傾斜??梢酝ㄟ^調整上下皮帶的松緊度調整錯位,通過調整軌道上4個軸承和上下頭固定螺絲調整傾斜。保證激光束應照射參考板的中心。

              (3)正確填寫每個傳感器配帶的內部校準報告,確保界面中輸入校準參數是正確的。每個傳感器都有一個SensorID。檢測頭DH的校準參數、源頭SH的校準參數位于97.2.22.2界面、97.2.22.1界面進行填寫。

              (4)上下探頭之間的間隙為6.0~6.5mm,兩個傳感器都有調整螺釘進行調整,測量間隙可用6mm內六角扳手。通過調整螺釘后,使LaserDistIV值在1200~1600μm之間(圖5)。


              (5)真空度的設置,在97.2.22界面左側設置,離紙回車庫位置Stz壓力值5,正常掃描壓力設為15,定點標準化壓力值為20。一般情況下掃描過程中真空度值在20以上且2sign值不能大于1,整個來回掃描周期內真空是平穩恒定的,紙頁一直吸附在參考板上。

              (6)調整參考板位置。在97.2.22.1設置Ref plate maxmum position為1000,防止步進電機移動位置太大使參考板接觸到檢測頭DH表面。在97.2.22設置參考板位置,在離紙車庫位置時LaserDistIV值、Coil1 thickness voltage、Coil 1 reference voltage,分別通過調整97.2.22.2界面的參考板位置、Coil 1thickness offset、Coil 1 reference offset值進行修正調整。

              (7)按照線圈多項式計算程序校準傳感器。

              ①將97.2.22.2界面的Coil Polyn Calc FixPoint √去掉,OffsetMeas offsheet√去掉。

              ②將Coil Polyn Calc offsheet√選中,點擊Manual stdz Start進行手動標準化。這一步進行線圈多項式計算,即界面97.2.22線圈測量校準曲線:ABCDE。

              ③將Coil Polyn Calc offsheet√去掉,Offset Meas offsheet√選中,點擊Manualstdz Start進行手動標準化,這一步為歸零標準化。

              ④將Coil Polyn Calc FixPoint√選中后再進行一次標準化。

              標準化過程中沒有任何報警說明通過;標準化過程中有報警97.2.22.5界面查看報警原因。在校驗過程中CoiDistMIV電壓值不能太大,否則校驗將不能通過??赏ㄟ^再調整上下頭間隙和參考板位置再進行第7步校驗,直至校驗通過。

              2.2日常維護

              (1)每天清理參考板表面灰塵,防止因紙毛多將孔洞堵塞造成真空不穩定。

              (2)每周檢查傳感器的狀態,離紙車庫的值,如:LaserDistIV、Coil 1 thicknessvoltage、Coil 1 reference voltage。檢查標準化趨勢圖、定點標準化趨勢圖、真空度趨勢圖、傳感器溫度等數值。清理風機過濾網。

              (3)每月檢查空氣、水的壓力、流量,保證水源、氣源的清潔度。

              (4)每半年檢查一次導紙輪、上下頭位置、傾斜度、參考板磨損情況和清理軌道衛生。更換過濾器和風機過濾網。

              (5)標準化界面提供的有效信息:

              ZeroPos:零位置值是電機找到零位置的步進數。它指示步進電機的狀態,告訴電機是否在運行過程中丟失任何步進。允許的零度公差為±10步。如果大于±10步,電機不再可靠,應更換。

              ChiSq:從ChiSq值可以監測校準成功的程度。如果持續超過0.150,校準或真空可能有問題。

              LaserInt:可以記錄比較激光窗口的清潔度。

              2.3更換參考板(圖6)


              參考板更換所需工具:內梅花鍵T10。

              (1)將電機向下驅動至+20(RefPlateSp)。

              (2)拔下源頭SH的電源線和網線。

              (3)拆下四個M3mm×6mm內梅花螺釘,斷開參考板下的溫度傳感器插頭。將新的參考板溫度傳感器電纜插入插頭內,注意電纜旋轉方向和擺放位置,再將內梅花螺釘安裝固定。

              (4)連接源頭SH的電源線和網線。

              (5)驅動電機回到原來正常位置。

              (6)通過線圈多項式計算程序校準傳感器(圖4):


              ①將97.2.22.2界面的Coil Polyn Calc FixPoint √去掉,OffsetMeas offsheet√去掉。

              ②將Coil Polyn Calc offsheet√選中,點擊Manual stdz Start進行手動標準化;這一步進行線圈多項式計算,即界面97.2.22線圈測量校準曲線:ABCDE。

              ③將Coil Polyn Calc offsheet√去掉,Offset Meas offsheet√選中,點擊Manualstdz Start進行手動標準化,這一步為歸零標準化。

              ④將Coil Polyn Calc FixPoint√選中后再進行一次標準化。

               

              3 故障分析和處理

              3.1激光燈紅光不亮

              檢查離合器是否關閉,上下探頭是否對齊,上下探頭是否通訊連接正常,控制面板是否打在手動位置。

              3.2激光強度低

              灰塵進入激光窗口,用壓縮氣吹掃和棉棒仔細清理窗口;參考板太臟,清潔參考板;參考板磨損嚴重,更換參考板。生產過程中測量白紙激光強度應大于1.0,離紙時,激光強度應大于0.1。

              3.3標準化失敗

              再次進行標準化查看是否成功,用壓縮氣清理參考板、激光窗口衛生再次標準化。如果仍然不成功,按照2.1(7)中的線圈多項式計算程序校準步驟進行校準傳感器。

              3.4壓光機調整厚度數據不更新

              橫向控制界面30和14.2趨勢和數據長時間不更新,檢查厚度界面97.2.22界面是否更新(圖7),測量的數據是否正確。只有97.2.22數據正確后,通過內部計算和6次掃描周期后逐個疊加不斷更新數據才能在30、14.2界面進行顯示。厚度出現報警掃描架自動回車庫標準化或定點標準化。在標準化期間不參與運算會造成橫向控制一段時間內不更新。

                

              3.5厚度曲線不完整

              查看報警記錄和信息提示,一般情況下曲線不完整是因為網絡連接信號時斷時續造成的。檢查移動設備掃描架內移動的拖鏈和電纜,以及移動過程中可能碰到的部位。從97.2.1界面跟蹤是否運行到某一具體位置出現這個現象。紫色電纜為Ethernet通訊線,綠色電纜內有RS485+通訊和26.5V電源,2根18芯電纜內有26.5V電源,上下探頭軌道內各有一個菲尼克斯8口交換機,任何一個點出現問題都會造成信號中斷。上下探頭內各有一根紫色、綠色網線的備用線,可進行對調測試,查找問題原因。

              3.6厚度偶爾出現無規律波動大、造成紙機費紙

              厚度偶爾出現無規律波動造成紙機費紙,盯靠現場查看97.2.22界面發現波動時參考板溫度從65℃變為-3.7℃。通過對調參考板和SH源頭確認為參考板插針松動造成的溫度時好時壞,從而直接影響厚度測量值。厚度測量計算公式界面97.2.22可得:

              Thickness=CoilDist-LaserDist-StzCaliper+(Tplate-Tplate0)×PlateTmpSlp

              其中:CoilDist—線圈測量的到參考板表面紙頁下面的距離;

              LaserDist—激光傳感器測量的到紙頁表面的距離;

              StzCaliper—標準化的零點距離;

              Tplate—當前參考板溫度,即紙頁溫度;

              Tplate0—標準化時的溫度;

              PlateTmpSlp—傳感器校準報告系數。

              從計算公式可以看出這個溫度可影響27.68℃的測量值,對厚度的影響很大。溫度的突然波動造成的厚度波動。

              3.7斷紙重新引紙后操作側0.5m左右厚度檢測不準偏低,約20~30min后厚度檢測正常

              這種現象從開機一直沒有遇到過,現在趨勢越來越明顯。剛開始是斷紙時間1~2h后引紙出現,到后來的斷紙時間10min左右引紙也會出現這種現象。多方面查找原因也未找到,最后根據經驗分析應該為斷紙后環境溫度發生變化平臺變形引起的,操作側離通風風機距離最遠,通風量小造成的平臺變形。將掃描架離紙位置由-20改為0,使盡量多的循環風進入,更換風機濾袋增加風量,在操作側柜子下方出風口可以感受到風力。通過調整好跟蹤觀察一直運行正常。定期清理和更換風機濾網,保證整個平臺內溫度變化一致,減少平臺間隙變化對厚度測量的影響。

               

              4 結束語

              上內容為激光厚度傳感器在華泰PM8生產線使用過程中遇到的問題和處理經驗,任何一臺好的設備運行狀況與日常維護和保養是分不開的。隨著紙張對厚度的要求逐漸提高,對儀表設備的運行穩定性提出更高的要求,日常維護和保養尤其重要。工作做細、做扎實是對每一個現場維護人員的基本要求,不同的工況、不同的問題還需要維護人員根據現場情況具體分析處理。

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