Technical Application of Non-contact LTP Laser Scanners in Steel Milling Process

制定方：XSimple A.I. Center
适用对象：钢铁冷轧/热轧连续产线、硅钢薄板分条线、中厚板矫直工序
核心硬件：LTP150W（宽光斑抗干扰型） & LTP450Blue（定制蓝光高温型+定制）
文档发布日期：2023

概述与工艺背景

在钢铁工业（Metal Industry）向“工业4.0"和“黑灯工厂"转型的浪潮中，由于下游汽车制造和精密冲压行业对钢材、铝材的厚度公差（Gauge Control）及板型平整度（Flatness）的要求日益严苛。传统的测量方式面临诸多瓶颈：

1. 同位素/X射线测厚仪的局限：虽能检测厚度，但响应速度慢，存在极大的辐射安全监管成本，且难以反映“板形平整度（Flatness/Warpage）"数据。

2. 接触式测量的不可行性：钢板运行速度可达10m/s~20m/s（高速冷连轧），且表面覆盖氧化铁皮或处于红热（800℃+）状态，接触式探头会瞬时磨损或损坏表肌。

3. 复杂工况的适应性：板材表面的纹理（如冷轧前酸洗板的漫反射，或轧辊留下的拉丝微观极织）、震动以及高温红外辐射，都是普通及光学传感器的“数据杀手"。

基于上述痛点，采用激光三角反射原理（Laser Triangulation） 构建的主动式光电检测系统是当前wei一的高速、高精度、低维护解法。我们选定资料中的 LTP系列作为核心构建，主要利用其两个变革性特性：嵌入式智能计算（去控制箱化） 及特殊光斑处逻辑（Anti-Rough-Surface）。

一、 系统总体检测模型设计

本方案名为“XSteel-LTP 在线即时度量系统"，主要包含两个核心测量站点用于监控质量。

1. 技术选型策略（Type Selection Strategy）

严格根据《传感器参数列表（P08-09）》的物理限制，我们需要平衡所谓“安全作业距离"与“测量分辨率"的矛盾。

① 选型A（适用于冷轧/硅钢/有纹理表面）： LTP150W

• 选择依据：冷轧钢板通常会有连续的轧辊痕迹或者镀锌前的毛面处理。若采用点位激光（spot size ~20μm），光点落入微观划痕的“波谷"时读数不仅跳动剧烈，还会导致控制算法发散。

• 各参数背书：LTP150W属于“中等量程型"，提供了150mm的基准安装距离，为钢板垂直跳动（Flutter）和断带（Web-Break）时的急停反弹留有了足够的机械安全空间。

• 核心特性：

• 光斑逻辑：其拥有$\mathrm{\Phi }110\times 1400\mu m$ 的椭圆宽光斑（Wide Spot） 。宽轴（1400μm）垂直于纹理方向扫描，相当于在每一个采样瞬时都在做“光学积分（Optical Averaging）"，物理层面上即平滑掉了粗糙噪点。

• 线性精度：《参数表》标注其线性精度为 $<\pm 30\mu m$，对于中厚板（如3mm-5mm汽车板）的工艺要求（通常为$\pm 50\mu m\sim \pm 100\mu m$）而言，CPK能力值绰绰有余。

② 选型B（适用于热轧/红硬工况）： LTP450 - Blue（定制蓝光版）

• 选择依据：在热轧出口（Hot Strip Mill Exit）阶段，钢板温度在600℃-900℃，该温度段的钢铁亦如黑体辐射，在红光（波长650-700nm）波段有强烈的背景光噪声。若使用常规红色激光，传感器接收到的信号信噪比（SNR）极低。

• 技术对应（手册依据） ：手册Page 6 明文指出——“LTP系列可配备405nm波长蓝色激光... 特殊滤光片，对红热发光金属特别适合。"

• 各参数背书：之所以选择450mm的大量程，是因为热钢铁抖动更大，且加上冷却水汽雾，拉开0.5米的距离能极大保护精密镜头不受水雾污染。

二、 核心原理阐述与数据解析

“XSteel-LTP 系统"不是简单的将传感器装上，而是一个闭环测量电路。我们将应用以下光学与软件处理原理：

2.1 高级三角反射成像原理

LP 400/150W 发射出特定波长（655nm Red/405nm Blue）的准直扁平光束。这一光束并非为了照亮，而是为了标记。光与钢表面相遇发生散射射，其中一部分光线按照Scheimpflug几何原理回收到接收端感光器件（High-Res HS-CMOS）。

• 计算核心：位移 $\mathrm{\Delta }Z$。传感器内部根据CMOS光斑的像素峰值位置计算距离。LTP系列的优势在于内构了FPGA边缘计算，手册宣称“无需独立控制器"。这意味着每毫秒内的数千次采样计算（LTP采样率zui高可达50kHz/160kHz! 见每手册Key Value）都在探头内算完。

2.2 防抖动：双探头C型架 厚度差分测量模型（Differential Measurement）

针对动态钢板，必须使用两个探头做对射（Face-to-Face Installation） ：

• Probe A (Top) 测量值记为 $D_{Top}$

• Probe B (Bottom) 测量值记为 $D_{Bottom}$

• G (Total Gap) = 两表零位相对于刚性框架的标定常数距离。

即便钢板在皮带上下跳动5mm，也不会影响体积厚度：
$Thickness=(Gap)-(D_{Top}+D_{Bottom})$

系统性难点与解決：
对射zui大的天敌是“非同步错位"。如果两个探头不同步读取，一个读了t=0ms的数据，另一个读了t=0.5ms用作抵消，钢板的震动会让计算后的厚度虚高。

• XSimple 运用策略：LTP手册 Page-09 说明“Master/Slave 主从同步控制实现"。不需要外挂昂贵的PLC去触发，我们直接采用 Sync Trigger Electrical Wire 将LTP顶表设为Master，底表设为Slave。

• 技术效果：确保Top/Bottom的采样快门在微秒级（μs）内jue对对齐(Alignment) ，消抖效率可提升2-3个数量级。

2.3 采样频率与板材生产速度的工程计算

假设精整线速度需达到 $V=10\text{meter/second}$ (600m/min)。
若需要检测到钢板上极其微小的“划伤"或者1mm长度内的厚度骤变：
LTP150W 设置标准采样率为 $10kHz$ (即10000次/秒)。 Note：该表在P4 强调 50-160kz，10k为保守工程使用。
$\text{Spatial Resolution}=\frac{Speed}{SampleRate}=\frac{10000mm\mathrm{/}s}{10000Hz}=1mm\mathrm{/}point$
结论：系统可在板流高速飞出的过程中，每前进1毫米就截取并存储一次高精厚度数据。这比依靠人工用千分尺离线检测是“地动山夷"般的信息爆炸提升。

三、 系统部署与工艺配套方案

本方案不只是提供一对传感器，而是一套依托工业互联网的拓扑系统。

3.1 机械安装设计 (参考 手册Page 8 尺寸表)

我们将设计一个坚固的高强度钢扫描架C-Frame。

1. LTP150安装 (P11尺寸图提示安装面)：由于LTP为长方形独立壳体，我们通过 M5螺钉 (31x30 mm install patch) 分别与微调滑台链接。

2. 防护等级考量：虽然表身 P8 显示为 Let IP67 Rating (防水浸没级)，但在极恶劣的冷轧油雾环境，我们仍将在透镜前设计“Air Knife (风刀) "装置。利用0.4Mpa的净化压缩空气一刻不停地吹袭30mm大孔径镜头，防止油污形成“透镜效应"导致读数变大（正高斯模糊导致峰值飘移，经风刀加持，该现象消除）。

3.2 高平整度测量（基于三波束阵列原理）

厚膜测量是一方面，而针对中鼓畸变（Crown） 和波浪弯曲（Wave） ，我们使用由三台LTP系列构成的 Wide-Coverage横梁：

1. 左航（Left） ：LTP150（检测左边缘板翘高度 h1） 参考：检测翘边是否撞坏后续辊道。

2. 中航（Center） ：LTP150（检测zhong央面板jue对位置 h_c）

3. 机航（Right） ：LTP150（检测右板边缘 h2）。

公式计算 Flatness Index (I-Unit 近似) ：以zhong央板作为零平面，计算 $\mathrm{\mid }{h}_1-h_c\mathrm{\mid }$ 或 $\mathrm{\mid }{h}_2-h_c\mathrm{\mid }$ 的瞬时偏差。利用LTP的Ethernet高带宽（手册标配LAN口），这三组数据流将直接绘成3D Waterfall Plot（瀑布图）到中控室。

3.3 通讯集成链路

亮点特色——"No-External-Box" （无控制器机箱逻辑）
参考资料强调：探头具备 Ethernet 和 RS485 及模拟量 直出能力。
我们在电控设计上将省去一般日系/德系激光必需的“控制箱"，直接走网线汇入工业交换机。

• SCADA连接（MES上云）：IP地址直接暴露于产线内网。钢铁厂的 Oracle 质量追溯数据库 可以直接经由 TCP/IP Socket 连接到每个传感器的IP，发送命令M1（获取数值）。

• 实时伺服闭环（AGC Control）：利用 LTP 的模拟量通道（参考 Page 7 输入输出设定 Max +/- 10V)，将实测误差电压（E.g. +5V意味着+5V*K系数 厚度偏差）接入 西门子S7-1500 PLC 的 Analog Input 高速模数模块，用以修正液压轧辊间隙(Gap Adjustment)，修正滞后延迟<5ms。

四、 核心数据验证与精度可靠性分析（Validation）

钢铁生产环境充满挑战，针对XSimple这套高精度方案，必须直面以下物理难题并给出数据证明（以手册中的LTP150W为核心样本）：

五、 工艺总结 (Conclusion provided by XSimple)

这套解决方案将冷/热轧钢生产中“看不见的变差"变成了“看得见的即时波性"。
选择 LTP系列 的zui大科学性依据在于打破了传统高精度传感器“不皮实、光斑太小怕粗糙、需要复杂外挂控制器"的三座大山。

针对LTP150W宽光斑测量方案的技术性小结如下：

1. 架构极简：网口直连MES，无需中间转换层。电柜更加空旷。

2. 鲁棒性高（Robustness） ：1/3的 IP67 传感器量程设计余量（Safety Distance > 100mm 以上），宽光斑滤镜降噪，高温/震动不产生“误报警"。

3. 效益预估：按照一条年产500万吨的带钢产线计算，将厚度控制公差 CPK 由 0.9 提升至 1.33 （减少0.05mm的正偏差意味着每年节省原材料吨位数千吨），LTP系统通常可在部署后的2-4个月内通将节省出的钢材原料价值“跑赢" 设备投入成本。

此方案wan美兼顾了光谱学的前沿硬件能力与钢厂粗犷生产的工程学实际。