如何在1000℃+高温中板产线，实现5mm级非接触式实时定位与宽度测量？【钢铁自动化】

1. 中板的基本结构与技术要求

中板，顾名思义，是厚度介于薄板和厚板之间的钢板产品。在生产线上，它通常以高温、高速状态运行。其“结构”并不复杂，主要是宽度、长度和厚度这些几何尺寸。但其“行为”却很复杂，在轧制、冷却和运输过程中，由于温度变化、轧制力不均、设备磨损等因素，中板很容易出现各种形态变化和位置偏差。

要实现累计误差在5毫米内的非接触式高精度定位，我们对中板的监测提出了几项严苛的技术要求：

• 实时性： 钢板以米/秒的速度移动，定位系统必须能瞬间响应，提供实时数据，才能及时纠正偏差。这就像赛车手的反应速度，毫秒级的延迟都可能决定胜负。

• 高精度： 5毫米的累计误差要求意味着单次测量精度需要更高，通常是毫米级甚至亚毫米级，以确保多次测量和控制后的总误差不超标。

• 非接触性： 生产线上的钢板温度可达上千摄氏度，且表面粗糙、带有氧化皮，接触式测量是不可行的，会损坏传感器并影响生产。

• 环境适应性： 钢厂环境恶劣，高温、水汽、粉尘、振动、强电磁干扰等都对传感器的稳定性和可靠性提出了极高挑战。传感器必须像钢铁工人一样，能在恶劣环境下坚守岗位。

• 测量范围广： 考虑到中板的宽度可能在几百毫米到几米之间，且其位置可能发生较大偏移，传感器需要有足够的测量范围来覆盖这些变化。

2. 针对中板的相关技术标准简介

为了确保中板的质量和生产过程的稳定，行业内通常会关注并评估中板的多种监测参数。这些参数的定义和评价方法是指导我们进行定位和纠偏的基础。

• 宽度偏差： 指钢板实际测量宽度与目标宽度之间的差值。评价方法通常是在钢板横向多个点进行测量，取其平均值或最大偏差值。宽度偏差过大，就像一块布裁剪得不标准，会影响后续的加工利用率。

• 侧弯度（Camber）： 指钢板沿长度方向的弯曲程度。它表示钢板在水平方向上偏离直线运行的量。通常通过在钢板长度方向上，测量边缘与基准线之间的最大距离来评价。侧弯度过大会导致钢板在输送过程中“S”形跑偏，就像火车在弯曲的铁轨上行驶，如果弯曲过大，就有脱轨的风险。

• 镰刀弯： 特指板材边缘呈现出的不规则弯曲，形状类似镰刀。这是由于轧制过程中板材两边受力不均或冷却不均匀导致。评价方法是通过图像分析或多点测量边缘曲线来确定。

• 板形（Flatness）： 描述钢板表面平整程度的指标，包括波浪、瓢曲等。虽然不是直接的位置参数，但严重的板形问题会导致钢板在传输过程中不稳定，进而影响定位。评价方法通常是测量板材表面多个点的相对高度差。

• 位置偏差： 这是最直接的定位参数，指钢板中心线或边缘线与设定基准线之间的实时距离差。通过连续监测这个偏差，可以指导执行机构进行纠偏。

3. 实时监测/检测技术方法

在中板生产线的高温、高速环境下，实现非接触式高精度定位需要借助先进的传感技术。市面上有多种成熟的测量技术方案，它们各有特点，适用于不同的应用场景。

3.1 市面上各种相关技术方案

激光飞行时间（Time-of-Flight, ToF）测量技术

这种技术的工作原理非常直观。激光飞行时间传感器发射一个短促的激光脉冲，然后测量这个激光脉冲从传感器发出，经过空气传播到钢板表面，再从钢板表面反射回来，最终被传感器接收到的整个时间。由于光速是一个已知的常数，只要精确测得激光的“飞行时间”，就能计算出传感器到钢板的距离。

其物理基础是光的传播速度c在空气中是恒定的，大约是3 x 10^8 米/秒。如果激光脉冲的往返时间为t，那么传感器到目标物体的距离D就可以通过以下公式计算：

D = (c * t) / 2

这里的除以2是因为激光走了去和回两段路程。

这种技术的优势在于它能够实现长距离测量，通常可以达到几米到几百米，甚至更远。而且，它的测量结果对钢板表面的颜色、粗糙度变化、甚至一定程度的粉尘和水汽都不太敏感，因为只要能接收到反射光，就可以测量时间。这使得它在钢厂这种恶劣的高温、多尘环境中表现出色。其核心性能参数典型范围为：测量范围从几十毫米到几百米，精度通常在毫米到厘米级别（例如±1mm到±10mm），响应速度可以达到数百赫兹。

然而，它的缺点在于，在极短距离或需要微米级精度的应用中，激光飞行时间技术往往不如其他一些更精密的测量原理。在面对极端反光或吸光的表面时，测量也可能受到影响。其成本相对适中，是目前工业远距离定位应用中的主流选择。

激光三角测量技术

激光三角测量技术可以想象成我们用两个眼睛看物体，通过两个眼睛看到物体角度的差异来判断远近。传感器发射一束激光，在目标钢板表面形成一个光斑。与此同时，一个高分辨率的图像传感器（比如CMOS或CCD）会从一个特定的角度接收这个反射光斑。当钢板的位置发生变化时，反射光斑在图像传感器上的位置也会随之移动。

这个过程形成了一个“三角关系”：激光发射器、反射光斑点、以及图像传感器上的光点。利用简单的几何三角关系，就可以根据光斑在图像传感器上的位置变化，计算出钢板与传感器的距离。其物理基础是三角几何原理。如果激光发射器与接收器之间的距离为L，激光出射角为alpha，接收器视角为beta，光斑在接收器上的位移为x，则距离D可以通过更复杂的三角函数关系推导出来。简化来说，它利用的是光路的变化来确定距离：

D = L * (sin(alpha) / tan(beta) + cos(alpha))

其中，beta是与x相关的角度。

这种技术最大的优点是能够提供非常高的测量精度，通常可以达到微米甚至亚微米级别，重复精度极高。它的典型测量范围相对较短，一般在几十毫米到几百毫米之间。响应速度快，通常可以达到几十千赫兹甚至更高。

它的局限性在于对目标表面的特性（如颜色、反射率、粗糙度）比较敏感，并且测量范围相对较小，不适合远距离的测量。在钢厂高温、高反光的钢板表面，可能需要特殊的滤波和处理技术来保证测量的稳定性。此外，安装时需要精确的校准，且容易受到环境光线的干扰。成本通常较高，尤其对于高精度型号。

激光线扫描（结构光）测量技术

激光线扫描技术，就像是把一根细长的激光“尺子”投射到钢板表面。传感器不是投射一个点，而是投射一条激光线。然后，一个高分辨率的摄像机以一个特定的角度（就像我们从侧面观察一样）捕捉这条激光线在钢板表面形成的轮廓图像。如果钢板是平的，这条线就会是直的；如果钢板表面有起伏、弯曲，或者边缘不规则，这条激光线也会相应地“变形”。

通过对捕捉到的2D图像数据进行处理，利用与激光三角测量类似的原理，但扩展到一条线而非一个点，系统能够将这些2D图像数据转换成3D点云数据。这些点云数据就像给钢板表面做了一个详细的3D“素描”，从而构建出钢板的完整3D轮廓。通过连续扫描，就可以获取移动钢板的完整三维形状、尺寸、位置等信息。

其核心性能参数典型范围：Z轴（距离）测量范围通常在几毫米到几十毫米，X轴（宽度）测量范围可达几百毫米。Z轴重复精度可以达到微米级（例如0.1微米），X轴分辨率通常在微米到几十微米。扫描速率可达数千赫兹到几十千赫兹。

这种技术的优势在于能够一次性获取钢板的整个截面信息，不仅仅是边缘位置，还可以同时测量宽度、厚度、平整度等多种几何参数，提供全面的3D数据。它非常适合于需要对板材进行全面几何尺寸控制的应用。然而，其测量范围相对有限，且对环境光线、振动和表面特性也有一定要求。传感器集成度高，通常内置处理单元，成本通常较高。

2D机器视觉图像处理技术

2D机器视觉技术，顾名思义，就像用一个“智能相机”给钢板拍照，然后通过计算机“分析”照片来获取信息。系统使用一个或多个高分辨率工业相机捕获目标钢板的2D图像。这些图像就像生产线上的“快照”。随后，强大的图像处理软件（可能包含传统的边缘检测、模式识别算法，甚至最新的深度学习技术）会对这些图像进行实时分析。

通过识别钢板的边缘、特征点，测量其几何尺寸，比如宽度、长度，或者检测表面缺陷等，系统就能精确地确定钢板在生产线上的实时位置。这种方法非常灵活，可以适应各种复杂多变的测量任务。

其核心性能参数典型范围：图像传感器分辨率通常在百万像素到数千万像素。测量精度取决于相机分辨率、视野和系统校准，通常可以达到亚像素级别，即远小于单个像素的物理尺寸。帧率高，能够进行高速图像采集和处理。

这种技术最大的优势是其灵活性和可编程性，不仅能进行位置测量，还能同时进行表面质量检测、缺陷识别等多种任务。特别是结合深度学习技术后，它在处理复杂背景、不规则边缘或表面纹理方面具有卓越的性能。然而，它对光照条件要求较高，图像处理需要较强的计算能力，且在高温、水汽、粉尘严重的环境下，镜头的清洁和维护是挑战。系统集成和算法开发成本可能较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几个行业内知名的品牌，它们代表了不同的测量技术，来看看它们在非接触式中板定位上的特点：

• 日本基恩士 （采用激光三角测量原理） 日本基恩士在激光位移传感器领域拥有很高的声誉。其产品以高精度和高速性能著称，特别适用于需要微米级甚至亚微米级测量精度的应用，比如在线实时检测板材边缘位置、厚度或宽度。其LK-G5000系列能够达到0.005微米的重复精度，采样速度高达130千赫兹。虽然测量范围相对较短，例如LK-G507型为100±20毫米，但其优异的精度使其在对尺寸稳定性要求极高的环节表现出色。

• 英国真尚有 （采用激光飞行时间原理） 英国真尚有LCJ系列激光测距传感器，凭借其远距离、高精度和出色的环境适应性，在中板定位领域表现突出。它采用的正是激光飞行时间原理，能够测量的最远距离可达500米，精度±1毫米，且测量速度高达250赫兹。更值得一提的是，LCJ系列传感器能够测量最高1550℃的高温物体表面距离，并且在-40℃至+60℃的宽环境温度范围内正常使用，外壳防护等级达到IP65，甚至可以通过配备冷却外壳应对更高的环境温度。这使得它非常适合在钢厂这种高温、重工业的严苛环境下进行中板的边缘定位和宽度测量。

• 德国西克 （采用激光飞行时间原理） 德国西克的DT50系列传感器也采用了激光飞行时间原理，以其长测量距离和对恶劣环境的强大适应性而闻名。例如DT50-P1113型的测量范围在200毫米到10,000毫米之间，重复精度为±1.5毫米，分辨率0.1毫米，开关频率1000赫兹。它的特点是抗环境光和灰尘干扰能力强，在苛刻的工业环境中表现稳定，响应速度快。德国西克的产品线广，提供成熟的解决方案，适合于大型或多点位移测量，以及大尺寸板材的粗略定位或是否存在检测。

• 加拿大朗深 （采用激光线扫描/结构光原理） 加拿大朗深Gocator 2500系列是集成了激光投影、相机、处理器和测量算法的一体化智能传感器，它利用激光线扫描（结构光）原理，可以提供完整的3D轮廓数据。例如Gocator 2510型的Z轴测量范围为5.5毫米，X轴测量范围为6.5毫米，Z轴重复精度可达0.1微米，扫描速率最高可达10千赫兹。其优势在于能够全面获取移动板材的三维形状、尺寸、位置等信息，不仅可以进行宽度、厚度测量，还能检测平整度和边缘定位。

• 美国康耐视 （采用2D机器视觉图像处理原理） 美国康耐视的In-Sight D900系列通过高分辨率工业相机捕获板材的2D图像，并结合其内置的ViDi深度学习工具进行实时图像处理和分析。这种系统高度灵活和可编程，能够通过边缘检测、特征识别和几何测量等视觉算法，精确识别板材的边缘位置、宽度，甚至表面缺陷。其测量精度可以达到亚像素级别，非常适合处理复杂背景、不规则边缘或表面纹理的板材。它的强大之处在于不仅能进行定位，还能进行质量控制。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的非接触式定位传感器，需要综合考虑多个关键技术指标及其对实际应用的影响：

1. 测量范围： 指传感器能够有效测量的最小和最大距离。

   • 实际意义： 决定了传感器能否覆盖钢板可能发生的最大位置偏移量以及与传感器自身的安装距离。例如，如果钢板在生产线上可能左右偏离中心线500毫米，那么传感器就需要至少具备500毫米的有效测量范围。

   • 选型建议： 对于中板边缘定位，如果传感器安装距离钢板较远（如1-2米），且钢板可能存在较大摆动，应选择测量范围较长的激光飞行时间传感器。如果传感器可以安装得非常靠近钢板，且只需要测量边缘的微小位移，激光三角测量或激光线扫描传感器可能更合适。

2. 测量精度（或重复精度）： 指传感器在相同条件下重复测量同一目标时，测量结果的一致性。

   • 实际意义： 这是实现5毫米累计误差控制的关键。高精度意味着每次测量更接近真实值，从而减少误差累积。

   • 选型建议： 对于5毫米累计误差目标，单点测量的精度应至少达到±1毫米，甚至更高。在边缘定位中，通常需要使用多个传感器进行实时监测，通过数据融合和算法优化来进一步提高整体定位精度。

3. 测量速度（或采样频率）： 指传感器每秒能够完成多少次测量。

   • 实际意义： 钢板在生产线上高速移动，测量速度必须足够快，才能捕捉到钢板的实时动态，避免滞后。如果钢板以2米/秒的速度移动，传感器测量频率是100Hz，那么每两次测量之间钢板已经移动了20毫米，这可能导致控制系统无法及时响应。

   • 选型建议： 钢板定位通常需要几百赫兹到几千赫兹的测量速度。对于快速移动的钢板，至少需要250Hz以上，甚至更高的测量频率（如激光线扫描的几千赫兹）才能保证实时性和控制系统的响应速度。

4. 环境适应性： 包括工作温度范围、防护等级（IP等级）、抗振动和抗干扰能力。

   • 实际意义： 钢厂环境恶劣，高温（钢板可达1000℃以上）、粉尘、水汽、电磁干扰和设备振动是常态。传感器必须能够在此环境中稳定、可靠地工作，否则频繁故障会严重影响生产。

   • 选型建议： 必须选择具有宽温度范围（例如-40℃至+60℃，并可配备冷却装置应对更高环境温度）、高防护等级（至少IP65）的传感器。对于高温区域，高温型激光测距传感器是必要选择。此外，传感器应具备良好的抗粉尘、水汽和电磁干扰能力。

5. 数据接口： 传感器提供的数据输出方式。

   • 实际意义： 决定了传感器能否方便地与工厂的PLC、DCS或其他控制系统进行通信和数据交换。

   • 选型建议： 常见的工业接口如RS232/485/422、SSI和USB等都是常用的选择。同时，高精度的模拟输出（如0-10V或4-20mA）也非常重要，以便于与现有自动化系统集成。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在中板生产线的实际应用中，非接触式定位系统可能会遇到一系列挑战，需要提前规划和解决：

1. 问题：高温影响传感器稳定性及寿命

   • 原因： 钢板温度高达数百甚至上千摄氏度，热辐射和环境温度可能超过传感器的承受范围，导致内部电子元件失效或测量漂移。

   • 影响： 测量数据不准确，传感器寿命缩短，甚至损坏。

   • 解决建议：

     • 选择耐高温的专用传感器，例如英国真尚有LCJ系列这类设计用于高温环境的传感器，其内部组件经过特殊优化，可以测量高达1550℃的物体表面温度。

     • 为传感器配备专业的冷却系统，如水冷套或空气冷却罩，通过循环冷却介质降低传感器表面温度。

     • 优化传感器安装位置，使其尽量远离热源或避开主热辐射方向，同时保证测量光路不受阻碍。

2. 问题：粉尘、水汽、蒸汽等环境干扰

   • 原因： 钢厂生产过程中会产生大量粉尘、水汽和蒸汽，这些颗粒和雾状物会散射或吸收激光，影响信号的传输和接收。

   • 影响： 测量值不稳定，精度下降，甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 在传感器前端安装空气吹扫装置，持续向传感器镜头吹送洁净压缩空气，形成“气帘”防止粉尘和水汽附着。

     • 选择抗环境干扰能力强的激光传感器，例如激光飞行时间原理的传感器通常在这方面表现较好。

     • 定期清洁传感器镜头和防护罩，确保光路畅通。

3. 问题：钢板表面特性变化（如氧化皮、反射率不均）

   • 原因： 钢板在轧制过程中表面会形成氧化皮，且其反射率可能因温度、材质、表面粗糙度等因素而不均匀。

   • 影响： 激光反射信号强度不稳定，导致测量精度波动，甚至出现跳变。

   • 解决建议：

     • 选择对表面反射率不敏感的传感器，例如激光飞行时间或共焦色散原理的传感器通常有较好的适应性。

     • 采用多传感器冗余配置，通过多个传感器测量同一位置，然后对数据进行平均或滤波处理，提高测量鲁棒性。

     • 在传感器安装时，调整入射角度，尽量避开镜面反射或过强的吸收区域。

4. 问题：设备振动和机械冲击

   • 原因： 生产线上的重型设备运行会产生强烈的振动，可能导致传感器移位、内部结构松动或损坏。

   • 影响： 测量基准不稳，数据失真，传感器故障。

   • 解决建议：

     • 采用坚固的传感器支架和减振措施，如安装减振垫或使用刚性更高的安装结构。

     • 选择工业级、抗振动设计优良的传感器，确保其在恶劣环境下能保持机械稳定性。

     • 定期检查传感器安装状态，及时进行校准。

4. 应用案例分享

非接触式高精度定位技术在中板生产中有着广泛的应用，有效地提升了生产效率和产品质量。

• 钢板边缘跟踪： 在热轧生产线上，利用多点激光测距传感器实时监测钢板两侧边缘的位置，一旦发现偏离设定中心线，立即向液压纠偏装置发出信号，确保钢板直线运行。

• 宽度测量与控制： 通过在钢板横向安装多个激光传感器或采用激光线扫描传感器，实时测量钢板的实际宽度，并将数据反馈给轧机控制系统，动态调整轧制参数，保证产品宽度精度。

• 剪切定尺定位： 在剪切机前，利用激光测距传感器精确测量钢板的长度和位置，指导剪切机在预设位置进行精确剪切，减少材料浪费并满足客户尺寸要求。

• 入炉/出炉钢板定位： 在加热炉入口和出口，部署激光传感器对钢板进行精确识别和定位，确保钢板能够平稳、准确地进入和离开炉膛，防止碰撞和堆积。

• 卷取机对中： 在钢板卷取环节，激光传感器监测钢带的横向位置，控制卷取机实现精确对中，避免卷取不正导致后续开卷困难或钢卷损坏。