張浩 唐海清 張超躍 張家尊

1.寶鋼湛江鋼鐵有限公司，中國·廣東 湛江 524000

2.中冶檢測認證有限公司，中國·北京 100088

1 引言

目前檢測料位技術(shù)從形式上區(qū)分可分為兩種：接觸式與非接觸式，非接觸式有超聲波、雷達、激光、放射性源等檢測方式，這其中的雷達技術(shù)發(fā)展較快，技術(shù)更新?lián)Q代較頻，目前可靠穩(wěn)定技術(shù)以75 GHZ 超高頻技術(shù)為主；接觸式的有電容式、射頻導(dǎo)納、音差及阻旋方式等，其中結(jié)構(gòu)簡單性價比高的屬于阻旋料位計，是目前鋼鐵企業(yè)使用最為廣泛的料位計。接觸式多為開關(guān)量輸出，只能作為料位報警監(jiān)控，非接觸式多為模擬量輸出，可實時監(jiān)控料位高低數(shù)據(jù)，但因其檢測易受多種因素影響而波動，不宜做報警輸出使用；當現(xiàn)場需要使用具有實時料位監(jiān)控又要求具有料位報警功能時，可使用兩種方式結(jié)合，鑒于鋼鐵企業(yè)環(huán)境物料等因素影響，能適用的以雷達及阻旋料位計為主，下文將重點介紹雷達料位計與阻旋料位計技術(shù)。

2 雷達料位計技術(shù)

該技術(shù)是基于時間行程原理的測量儀表，雷達波以光速運行，運行時間可以通過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號。探頭發(fā)出高頻脈沖并沿纜繩傳播，當脈沖遇到物料表面時反射回來被儀表內(nèi)的接收器接收，并將距離信號轉(zhuǎn)化為物位信號。

雷達波是一種特殊形式的電磁波，雷達料位計利用了電磁波的特殊性能來進行料位檢測。電磁波的物理特性與可見光相似，傳播速度相當于光速。其頻率為300～3000 GHz。電磁波可以穿透空間蒸汽、粉塵等干擾源，遇到障礙物易于被反射，被測介質(zhì)導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回波信號的反射效果越好。

雷達料位計的特點：

由于雷達料位計采用了上述先進的回波處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，加上雷達波本身頻率高，穿透性能好的特點，所以，雷達料位計具有比接觸式料位計和同類非接觸料位計更加優(yōu)良的性能。

①可在惡劣條件下連續(xù)準確地測量。

②操作簡單，調(diào)試方便。

③準確安全且節(jié)省能源。

④無需維修且可靠性強。

⑤幾乎可以測量所有介質(zhì)。

雖然雷達料位計具有較多優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中，還是會出現(xiàn)波動大及誤報情況，尤其在鐵礦粉倉比較明顯，分析在排除是設(shè)備及安裝等原因外，主要原因是鐵礦粉灰倉內(nèi)塵霧較大，由于鐵礦粉塵具有理想的雷達波反射效應(yīng)，致使料位計檢測失常，這種情況在以往30 GHZ 頻率以下產(chǎn)品尤為多見，近年來雷達料位計技術(shù)已發(fā)展為75 GHZ 或以上的超高頻技術(shù)雷達料位計，75 GHZ 產(chǎn)品雷達波穿透能力更強，能量更為集中，精度更高可達±2 mm，從現(xiàn)場實際使用反饋信息得知，該超高頻技術(shù)可以很好解決因灰倉粉塵大而造成的誤報。

目前，超高頻雷達料位計雖解決了測量干擾問題，作為非接觸式料位計的一種其本身也不可避免存在儀表本體內(nèi)部故障或回路故障所引起的測量數(shù)據(jù)不確定性，系統(tǒng)無法判別灰倉或料倉內(nèi)部真實料位，由此帶來的安全運行風險同樣難以消除。

鑒于以上原因分析，如采用雷達料位計作為高、高高料報警使用，在儀表或回路某種異常情況下可能會導(dǎo)致檢測失準，料位控制失控，由此帶來的就是料位運行安全隱患，所以說明此類雷達料位計只適用于料位實時監(jiān)控參考，不適于作為安全料位運行控制與報警；那何種方式適用于料位報警控制？以下介紹接觸式的阻旋料位計技術(shù)。

3 阻旋料位計技術(shù)

行業(yè)現(xiàn)有阻旋料位計也有的稱之為阻旋物位計或者阻旋料位開關(guān)、阻旋物位開關(guān)等，結(jié)構(gòu)見圖1、圖2；主要是根據(jù)它具體的不同用途的不同叫法，功能上都大同小異。其工作原理是采用交流微電機經(jīng)減速后，帶動檢測葉片慢速旋轉(zhuǎn)。當被測物料的料位上升使葉片的轉(zhuǎn)動受到阻擋時，檢測機構(gòu)主軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移。此位移首先是一個微動開關(guān)動作，發(fā)出有料的信號。隨后另一個微動開關(guān)動作，切斷微電機的電源使其停止轉(zhuǎn)動。只要倉內(nèi)的料位不變，此種狀態(tài)便將一直保持下去。當料位下降檢測葉片失去阻擋時，檢測機構(gòu)便依靠彈簧拉力恢復(fù)原態(tài)?？刂莆㈦姍C電源的微動開關(guān)動作，使電機通電旋轉(zhuǎn)。隨后另一個微動開關(guān)動作發(fā)出信號，只要沒有物料阻擋檢測葉片的轉(zhuǎn)動，此種狀態(tài)也將一直保持下去。

圖1 傳統(tǒng)阻旋外形結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳統(tǒng)阻旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1為阻旋料位計故障分析表，結(jié)論：無論哪種品牌阻旋料位計，在生產(chǎn)運行中出現(xiàn)故障或功能失效是必然結(jié)果，但其無相關(guān)信息可及時報警輸出，作為料倉安全料位監(jiān)控是一個嚴重隱患，更談不上符合本質(zhì)安全化要求；所以目前我們所廣泛應(yīng)用的阻旋料位計作為料位安全報警使用，其實是存在巨大運行風險，為此筆者通過研究，研發(fā)出了一種PLC+檢測硬件相結(jié)合的具有故障自檢的阻旋料位計技術(shù)，自檢技術(shù)可實現(xiàn)料位計本體及檢測回路任何故障的檢測與報警輸出，確保料位計工作在正常運行狀態(tài)，其技術(shù)實現(xiàn)如下介紹。

表1 阻旋料位計故障分析表

4 自檢阻旋料位計技術(shù)

其技術(shù)在原阻旋料位計技術(shù)基礎(chǔ)上，增加了本體故障檢測及回路故障檢測，檢測的信號返回系統(tǒng)PLC 處理，經(jīng)程序軟件對信號進行判斷，可準確分別出料位信號和故障信號。

自檢阻旋料位計采用如下技術(shù)方案：

采用在料位計輸出主軸上安裝扇形感應(yīng)鐵片（見圖3），采用防護等級IP65 的霍爾開關(guān)作為主軸轉(zhuǎn)動檢測元件，扇形感應(yīng)鐵片與霍爾開關(guān)組成主軸轉(zhuǎn)動檢測系統(tǒng)，主軸正常運轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)輸出脈沖信號；當有物料阻卡或故障主軸停轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)保持一種狀態(tài)輸出不變。

圖3 自檢阻旋料位計內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

①對主軸的檢測只是一個脈沖信號，無法用于直接報警，而且還要解決料位信號與設(shè)備故障信號的判別，采用硬件處理比較困難，為此考慮用軟件處理，開發(fā)出信號處理PLC 程序。

②相關(guān)PLC 控制原理如下（見圖4）：PLC 接受霍爾檢測器件脈沖信號，對脈沖信號的“開”與“關(guān)”狀態(tài)進行監(jiān)控，用時間繼電器模塊T1、T2 分別計時，當兩種狀態(tài)之一超出正常脈沖時間，即可判斷其為故障狀態(tài)并報警輸出。

③正常的料位報警信號與設(shè)備故障信號實現(xiàn)互鎖，實現(xiàn)料位報警與設(shè)備故障報警輸出功能（見圖4）。

圖4 自檢阻旋料位計控制原理圖

5 自檢阻旋料位計技術(shù)特點

①該技術(shù)采用霍爾檢測器件對主軸的狀態(tài)進行實時檢測，然后通過主控PLC 或上位機執(zhí)行檢測程序，對信號進行實時監(jiān)控與識別，實現(xiàn)料位計設(shè)備故障自檢功能，因各種原因引起的非正常狀態(tài)均可即時報出報警信號，如供電中斷、電機故障不轉(zhuǎn)、機械機構(gòu)卡阻、微動開關(guān)損壞、霍爾檢測開關(guān)損壞、信號線短路斷路、PLC 輸入卡件故障等；避免因故障無報警導(dǎo)致設(shè)備長時間檢測功能失效，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)設(shè)備安全本質(zhì)化。

②該技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備及檢測信號回路的實時自檢功能，日常點檢及周期功能測試工作可免，只要設(shè)備不報故障就可判斷其是在正常工作狀態(tài)，不但實現(xiàn)設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控，而且可大大減少設(shè)備日常點檢維護工作負荷。

6 灰倉料位安全、精確檢測技術(shù)方案及優(yōu)點

綜上所述分析，作為非接觸式的自檢阻旋料位計雖有安全可靠的料位報警功能，但由于其只有開關(guān)量輸出，無法實現(xiàn)料位實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控，因此，如料倉要實現(xiàn)安全、可靠、精確的料位檢測還需其與75 GHZ 超高頻雷達料位計搭配使用，雷達料位計負責實時的料位數(shù)據(jù)精準監(jiān)控，自檢阻旋料位計負責料位安全可靠報警，兩者結(jié)合即是灰倉料位安全、精確檢測較為完善的技術(shù)方案，可實現(xiàn)料位數(shù)據(jù)與狀態(tài)相互對照參考，自檢技術(shù)的運用確保料倉料位的安全可靠運行，可達到設(shè)備安全本質(zhì)化，杜絕因料位檢測失準而帶來的料倉料位安全運行風險及事故的發(fā)生。

7 結(jié)語

高頻雷達料位計安裝應(yīng)選用料倉頂部安裝，位置選在非落料區(qū)域且要避開壁附料區(qū)域；自檢阻旋料位計可選用頂部及側(cè)面安裝，側(cè)裝長度不宜超過1 m，頂裝不宜超過3 m；安裝的位置也是在非落料區(qū)域，避免落料直接對料位計的沖刷，影響其使用壽命。高頻雷達料位計調(diào)試可按產(chǎn)品說明書調(diào)試即可，自檢料位計安裝好后，需將其信號送至PLC 輸入模塊，后編寫程序，設(shè)備通電后在后臺監(jiān)控其信號狀態(tài)正常即可。兩種料位計均是免維護的，若中控人員發(fā)現(xiàn)故障異常狀態(tài)，維護人員進行相應(yīng)檢查即可。