梁志剛，郝元林，張曉冬，范輝

（河鋼唐鋼設(shè)備機動部，河北唐山，063000）

液體鑄造起重機是轉(zhuǎn)爐車間生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其負責材料吊裝和運輸，主要運輸?shù)牟牧习ㄤ撍?、鐵水，十分適合在高溫、多灰塵的環(huán)境中使用。環(huán)境溫度夏天車間最高溫度高達55～60℃，加料跨鑄造起重機兌鐵時轉(zhuǎn)爐爐口上方起重機承受溫度可達80～120℃,工作級別高，一旦發(fā)生事故，容易造成較大或嚴重后果。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)對安全，環(huán)保的要求越來越高，傳統(tǒng)設(shè)備檢修方式難以適應(yīng)其要求，如何更安全有效的保障鑄造吊的穩(wěn)定運行成為一個不可回避的課題，在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種新興的設(shè)備管理解決方案，該設(shè)備可以及時檢測車間內(nèi)部的裝置運行，利用監(jiān)控系統(tǒng)及時分析設(shè)備的運行情況，可通過定時或者是間斷連續(xù)的方式實現(xiàn)自動化運行。檢測人可以通過該設(shè)備同步監(jiān)視被監(jiān)設(shè)備。本系統(tǒng)提供一套基于云端管理的完整解決方案。云端系統(tǒng)的特點如下。第一是可以讓設(shè)備長期處于監(jiān)控環(huán)境，可以連續(xù)不斷地記錄各個參數(shù)如溫度、壓力、流量和磨損量等，讓設(shè)備處于安全的運行狀態(tài)，出現(xiàn)問題時候也可以及時報警，并采集較多的故障信息，以便了解故障的現(xiàn)象和問題發(fā)生情況。第二是可以及時更新系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫和報警信息庫，操作人員可以利用互聯(lián)網(wǎng)裝置及時追溯信息，了解報警設(shè)備和故障的情況，進而分析故障的形成原因，影響范圍，制定新的應(yīng)對計劃；第三是利用網(wǎng)絡(luò)途徑實現(xiàn)信息遠程診斷和及時分析、研究，減少故障風險。

1 450 噸液體鑄造起重機電控監(jiān)測系統(tǒng)

通過對鑄造起重機控制系統(tǒng)電控信號的實時采集，監(jiān)測設(shè)備動作信號。并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S數(shù)據(jù)庫，通過工廠數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺的實時通信，通過對450 噸液體鑄造起重機電控監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，服務(wù)于設(shè)備維護人員。

2 450 噸液體鑄造起重機鋼絲繩在線監(jiān)測系統(tǒng)

通過使用鋼絲繩探傷儀可實時顯示鋼絲繩內(nèi)部的斷絲、腐蝕、磨損、金屬截面積變化的定量數(shù)值，提出診斷報告和解決方案，實現(xiàn)對鋼絲繩探傷的快速診斷。并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S數(shù)據(jù)庫，通過工廠數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺的實時通信，通過對450噸液體鑄造起重機鋼絲繩無損檢測，服務(wù)于設(shè)備維護人員。提供分析服務(wù).

■2.1 監(jiān)測內(nèi)容概述

每部450T 天車主起升機構(gòu)有2 個卷筒，每個卷筒上有2 根鋼絲繩，每根鋼絲繩又有一個定滑輪組，每個定滑輪組上有6 個定滑輪，要求傳感器安裝于行車滾筒旁的平臺上，每個定滑輪組上安裝一個傳感器。

如圖1 所示：K=dL/dδ=N2μS0/(2ξ)[1]激勵源可以是直流電源也可以是交流電源,線圈A 和線圈B 產(chǎn)生的磁力線大小相等但是方向相反(因為A、B 線圈的匝數(shù)是一樣的)，所以在C 線圈產(chǎn)生的感生電動勢應(yīng)當為零，無論鋼絲繩抖動還是移動，C 線圈的輸出都為零，當鋼絲繩有缺陷通過時,如圖所示:首先經(jīng)過A 線圈，A 線圈的磁通量就會發(fā)生變化，此時磁通平衡被打破，C 線圈當中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢+ε；同理，當缺陷經(jīng)過線圈B 時，引起B(yǎng) 線圈磁通量的變化，C 線圈中產(chǎn)生出感生電動勢-ε，無論鋼絲繩內(nèi)部缺陷還是外部缺陷都會引起磁通量的變化，進而及時且有效地分析信息問題。所以測量靈敏度非常高。此外，該原理還能克服鋼絲繩抖動對傷損測量的影響并且實現(xiàn)鋼絲繩內(nèi)部斷絲和外部斷絲的等同測量。

圖1 傳感器原理

圖2 為該方案單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該方案包括：探傷傳感器組、控制分站、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換站、上位工控機、上位機軟件等。無線網(wǎng)絡(luò)負責將天車上的傳感器信號傳輸給接收器。

圖2

該網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee 協(xié)議，該協(xié)議是一種關(guān)于短距離傳輸?shù)臒o線通訊協(xié)議，類似藍牙。ZigBee 技術(shù)本質(zhì)上是一種速率比較低的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其由IEEE.802.15.4 無線標準開發(fā)而來，擁有低復(fù)雜度和短距離以及低成本和低功耗等優(yōu)點。其使用了2.4GHz 頻段，這個標準定義了ZigBee技術(shù)在IEEE.802.15.4 標準媒體上支持的應(yīng)用服務(wù)。發(fā)射功率高達19dBm 以及接收靈敏度達-99dBm 的保證了模塊的穿墻能力和超過3.3 公里的視距通信距離（無障礙情況下）。

■2.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

傳感器安裝于行車滾筒旁的平臺上，如圖3 所示?？刂品终狙b于傳感器旁邊。通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換分站（以下簡稱協(xié)議分站）放置于車間監(jiān)控室外（距離傳感器安裝平臺40米左右，之間不宜有明顯遮擋物）。工控計算機放置于車間監(jiān)控室內(nèi)。協(xié)議分站與工控計算機之間通過電纜連接?？刂品终静杉絺鞲衅餍盘?，通過無線通訊傳輸給協(xié)議分站，協(xié)議分站將無線信號轉(zhuǎn)成CAN信號并傳輸給上位工控機。工控機軟件對數(shù)據(jù)進行分析、判斷、顯示、存儲、報警等工作。

圖3

■2.3 組成部分描述

2.3.1 探傷傳感器組

傳感器組集成了多個探傷傳感器、信號采集單元、信號處理單元、電源指示單元。傳感器通過信號采集單元采集到鋼絲繩的缺陷，再通過信號處理單元把它轉(zhuǎn)化為高精度可用數(shù)字信號，輸出給控制分站，每臺天車有四根鋼絲繩，如果每根鋼絲繩配備1臺傳感器，則一臺天車共配備4 臺傳感器。如果每根鋼絲繩配備2 臺傳感器，則一臺天車共配備8 臺傳感器。經(jīng)現(xiàn)場與甲方技術(shù)員測量計算：每根鋼絲繩配備1 臺傳感器，鋼絲繩的檢測盲區(qū)在25%，如果每根鋼絲繩配備2 臺傳感器，鋼絲繩的檢測盲區(qū)在10%。但成本增加50%，數(shù)據(jù)量增加50%。

2.3.2 控制分站

控制分站由控制電源、電源伺服模塊以及數(shù)據(jù)處理及通訊模塊、無線發(fā)送模塊組成。該分站主要實現(xiàn)系統(tǒng)供電、系統(tǒng)控制電源的開斷、以及數(shù)據(jù)處理和通訊功能。數(shù)據(jù)處理及通訊模塊主要完成接收多個傳感器組傳來的信號，處理打包通過無線發(fā)送模塊傳輸給協(xié)議分站。

2.3.3 速度傳感器

速度傳感器安裝于行車滾筒旁的平臺上，用于測量起重機鋼絲繩的運行速度。用于鋼絲繩缺陷定位。

2.3.4 通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換分站

由控制電源、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊組成?？刂齐娫唇o通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊供電；通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負責接收控制分站的無線信號，再把無線信號轉(zhuǎn)換為CAN 接口信號,傳輸給計算機。

2.3.5 上位工控計算機站

由專用機柜、工控計算機、專用鋼絲繩數(shù)據(jù)處理軟件等組成。作用為采集處理數(shù)據(jù)、顯示圖形、存儲數(shù)據(jù)、分析判斷缺陷類型、生成檢測報告等。每套系統(tǒng)配備一套該計算機站。每臺計算機都預(yù)留出后臺接口，方便用戶的集成系統(tǒng)接入。

2.3.6 軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計由下位機軟件設(shè)計和上位機軟件 設(shè)計組成[2]。圖4 為該系統(tǒng)軟件主界面，其主要實現(xiàn)的功能有：實時波形顯示、實時損傷判斷、數(shù)據(jù)存儲、報告生成及打印、數(shù)據(jù)回看等。

圖4

■2.4 監(jiān)測系統(tǒng)功能要求

（1）采用最新的磁平衡技術(shù)對鋼絲繩進行各種陷的綜合性檢測。

（2）能準確測量內(nèi)部斷絲。

（3）能測量股谷處的斷絲（谷部斷絲可能表示鋼絲繩內(nèi)部有損壞）：當在一個捻距內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷絲處對于2 時，系統(tǒng)可以自動報警。

（4）能對1 個捻距內(nèi)斷絲斷面積進行累加計算并與鋼絲繩總斷面積進行比較，比值大于等于5%（報警限值可以人為設(shè)置）時可以自動報警。

（5）能定性檢測各種變形，如波浪形、籠狀畸變、繩芯或繩股擠出/扭曲等。

（6）可以自動進行計算斷絲的增加率，估算出鋼絲繩疲勞壽命。

（7）鋼絲繩損壞程度綜合評定功能：累加評定鋼絲繩局部的單項損傷程度，并且綜合評定其剩余承載能力。

（8）缺陷智能查找功能：利用計算機信息系統(tǒng)找到檢測對象的缺陷；傳感器感受到信息后可以自動停止鋼絲繩運行，同時也有助于信息監(jiān)測和及時修復(fù)。

（9）對鋼絲繩全天實時自動監(jiān)測也可以每日、每周、每月的日常定期檢測，并及時提供完整的損傷檢測報告（每次檢測完自動生成檢測報告）。

圖5 鋼絲繩實時檢測報告趨勢圖

（10）對實現(xiàn)的損傷情況實時報警，并可設(shè)置報警值。

（11）能夠可以評估鋼絲繩的承載能力，安全系數(shù)，使用壽命，歷史數(shù)據(jù)可以保存5 年以上。

（12）遠程停機起機：當進行遠程操作時，軟件運行，系統(tǒng)自動上電，當軟件運行停止時，系統(tǒng)可以自動斷電。

（13）自動停機功能：系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要，在鋼絲繩損傷嚴重時，切斷電機供電電源，讓鋼絲繩停止運行，從而保證生產(chǎn)安全。

（14）檢測圖形數(shù)據(jù)可通過Internet 遠傳至生產(chǎn)廠(必須在聯(lián)網(wǎng)的情況下)。

■2.5 主要技術(shù)指標

（1）傳感器精度：金屬的有效截面積損失百分量測量的最大誤差≤萬分之三。

圖6 鋼絲繩檢測報告數(shù)據(jù)圖

（2）局部損傷（LF）檢測靈敏度：檢測斷絲的靈敏度為鋼絲繩橫截面積的0.5%（包括磨損斷絲、過載斷絲、疲勞斷絲、銹蝕斷絲、剪切斷絲）。

（3）金屬橫截面積損失（LMA)檢測靈敏度：數(shù)值為鋼絲繩橫截面積的1%。

（4）直徑減小或局部增大（包括磨損所致的繩徑減?。z測靈敏度：檢測靈敏度為鋼絲繩公稱直徑的3%。

（5）適用繩徑：φ16-φ80 mm。

（6）持續(xù)檢測繩長：≥3000m。

（7）傳感器與鋼絲繩允許相對速度：0.1-20m/s。

（8）傳感器與鋼絲繩允許間隙：10-50mm。

（9）通訊方式：CAN 總線、以太網(wǎng)、433 模塊無線通訊。

（10）傳輸距離：2Km（有障礙物物時不小于1Km）；

（11）設(shè)備使用環(huán)境

a.檢測探頭耐高溫度范圍：+70℃～+125℃；b..計算機工作溫度范圍：0℃～+45℃；c 檢測探頭工作濕度范圍：0～95%RH；d.計算機工作濕度范圍：0～50% RH；e.電源：100V-240V,50Hz。

（12）外殼防護等級：IP54。

3 450 噸液體鑄造起重機減速機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

通過對鑄造起重機減速機溫度的實時檢測，形成溫度趨勢曲線，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺的實時通信。

（1）每臺減速機高速軸輸入、輸出端各設(shè)置一個測溫點，每臺減速機2 個高速軸、共計4 個測點。光纖光柵溫度在線監(jiān)測的實現(xiàn)方式是將光纖溫度傳感器 直接粘在被測點，實時感知被測點表面因溫度變化引起的波長變化，傳感器經(jīng)傳輸光纜匯聚到光纖分路盒與解調(diào)儀連接，解 調(diào)儀將光纜傳送的光信號轉(zhuǎn)化為溫度信號后可在終端軟件實 現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、故障診斷、報警及控制[3]。

（2）傳感器安裝于減速機箱體軸承位處，采用螺栓固定。

測量溫度范圍：-20～200℃；

測量精度：B 級 精度為（0.3+0.005＊|t|）攝氏度，其中|t|為實際溫度的絕對值。

（3）通訊要求（不低于下述要求）

采用433MHz 無線傳輸通訊方式

頻率：433MHz (433～437.5MHz)ISM 頻段；發(fā)射功率：20dBm，100mW；接收靈敏度：-117dBm；傳輸距離：2Km（有障礙物物時不小于1Km）；通信速率：1200-115200bps。

4 450 鑄造起重機減速機振動檢測

通過采集設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生的振動、轉(zhuǎn)速等信號，進行數(shù)據(jù)處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在計算機屏幕上顯示。根據(jù)起重機運行狀態(tài)的不同，分工況進行數(shù)據(jù)采集，運行穩(wěn)定狀態(tài)下的數(shù)據(jù)全部連續(xù)采集，連續(xù)提取特征量，不間斷的進行幅值趨勢分析，得到設(shè)備狀態(tài)評估所需數(shù)據(jù)；完成設(shè)備故障的報警、狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。設(shè)備在線振動監(jiān)測分析模塊要與河鋼樂亭設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)實時信息交互。提供與在線振動監(jiān)測模塊同等服務(wù)。

5 結(jié)束語

目前在線監(jiān)測系統(tǒng)在我國設(shè)備管理中需求量非常大，大數(shù)據(jù)、多功能、智能化是主要發(fā)展方向，因此跟隨先進設(shè)備不斷更新的自動檢測技術(shù)，才會使得在線監(jiān)測更加優(yōu)化，以減少管理維護，降低運行成本，提高運行效率，這樣必然會受到更為廣大的工業(yè)生產(chǎn)中受到廣泛應(yīng)用。