連鑄智能潤滑及在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 松，周建輝，周卓鎖

（1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176；2.江蘇中科朗潤智能科技有限公司，南京 226200；3.河鋼樂亭鋼鐵有限公司，河北 唐山 063021）

0 引言

連鑄是煉鋼工藝控制核心環(huán)節(jié)，是煉鋼和軋制的關(guān)鍵紐帶，直接決定了鋼材的產(chǎn)量和成本質(zhì)量[1]。而連鑄設(shè)備又是連鑄生產(chǎn)線的核心，其能否健康運行不僅直接影響企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏，而且對生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量同樣意義重大。

連鑄設(shè)備集中潤滑點多、分散、管線長，現(xiàn)場條件惡劣，受高溫、冷卻水和氧化鐵皮的影響，存在分油器易堵塞，潤滑脂粘度高，泵送性差，潤滑脂易碳化干結(jié)，堵塞管線或使軸承卡死等現(xiàn)象。從而使連鑄機干油集中潤滑系統(tǒng)無法正常工作，不僅影響連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性，對設(shè)備使用壽命和維護強度都帶來了巨大的壓力[2]。

本文主要針對連鑄機設(shè)備的特點以及單線集中潤滑在實際運行維護過程中遇到的弊端，對連鑄生產(chǎn)線傳統(tǒng)的集中潤滑系統(tǒng)進行了改進，融合現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，設(shè)計了連鑄生產(chǎn)線智能潤滑及在線監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)精確的油量控制、定時潤滑和遠程監(jiān)控，極大地改善了連鑄機扇形段的潤滑狀況，降低了維護人員的勞動強度，對連鑄生產(chǎn)線潤滑系統(tǒng)的智能化提升具有借鑒意義。

圖1 傳統(tǒng)單線潤滑系統(tǒng)功能架構(gòu)圖Fig.1 Functional architecture of traditional single line lubrication system

1 連鑄機設(shè)備特點及傳統(tǒng)潤滑系統(tǒng)存在的弊端

1.1 連鑄機設(shè)備特點

連鑄生產(chǎn)線主要是將液態(tài)鋼水通過一系列工藝處理轉(zhuǎn)化為固態(tài)板坯，前承接轉(zhuǎn)爐精煉工序，后為熱軋工序輸送合格板坯，是鋼鐵公司承前啟后、保證公司物流平衡的重要環(huán)節(jié)，對整個公司生產(chǎn)至關(guān)重要[3]。

連鑄生產(chǎn)線的設(shè)備按照功能區(qū)域劃分主要包括：平臺區(qū)設(shè)備、拉坯矯直區(qū)設(shè)備、出坯區(qū)設(shè)備，其中最為關(guān)鍵的設(shè)備為拉坯矯直區(qū)域內(nèi)的扇形段。

其設(shè)備的主要特點如下[4]：

1）連續(xù)工作制。連鑄機的設(shè)備受其工藝生產(chǎn)流程的影響，為了進一步提升生產(chǎn)效率，連澆爐數(shù)不斷提升，按照平均每包鋼水澆注40min 計算，一個澆次最短也要近18h，因此對設(shè)備的巡檢和維護提出了更高的要求。

2）工作環(huán)境溫度高。在整個澆注過程中，中間罐內(nèi)鋼水的溫度通常在1500℃以上，即使在扇形段的出口處，通過安裝的紅外鑄坯表面溫度檢測儀進行檢測，鑄坯表面溫度也高達800℃左右，由于熱輻射及熱傳導(dǎo)效應(yīng)，通常驅(qū)動輥軸承的工作溫度也高達120℃以上。

3）工作環(huán)境蒸汽及水氣大。連鑄機生產(chǎn)多采用氣霧噴淋冷卻，在二冷室內(nèi)部，扇形段驅(qū)動輥長期暴露在大量水氣噴濺的環(huán)境下，加之噴淋水接觸高溫的鑄坯表面會產(chǎn)生大量的蒸汽，水氣與蒸汽浸入拉矯機軸承座內(nèi)，會加速潤滑脂的分解與氧化，降低潤滑效果。

4）潤滑點多，管路復(fù)雜。目前，大多數(shù)連鑄機采用多點連續(xù)矯直，扇形段采用的小輥徑密排輥的型式，導(dǎo)致潤滑點增多，同時管路敷設(shè)極為復(fù)雜。以承鋼150mm 板坯連鑄機為例，雙機四流共有44 個扇形段，扇形段輥子采用三分節(jié)輥，一個扇形段的潤滑點就多達64 個，總共連鑄機區(qū)扇形段的潤滑點就達2800 個，要達到每個潤滑點都潤滑到位，其設(shè)計、施工及后續(xù)維護工作難度極大。

基于以上連鑄機關(guān)鍵設(shè)備的特點分析，潤滑系統(tǒng)的設(shè)計對于保證設(shè)備各潤滑點能夠得到有效潤滑，提升設(shè)備使用壽命至關(guān)重要。

1.2 連鑄傳統(tǒng)單線集中潤滑系統(tǒng)存在的弊端

1.2.1 傳統(tǒng)單線集中潤滑系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)單線潤滑系統(tǒng)多采用的是單線遞進式潤滑原理，主要由電動潤滑泵、智能分配箱、遞進式分配器、控制箱以及管路附件組成。如圖1 所示。

電動柱塞泵將潤滑油脂通過主管路輸送到各智能分配箱，再通過智能分配箱中的電磁閥分配，將潤滑脂輸送到各個遞進式分配器，實現(xiàn)對各個潤滑點的潤滑。智能分配箱中的通訊模塊通過接近開關(guān)采集供油信息和報警信號后傳輸?shù)奖谜究刂葡?，實現(xiàn)供油量數(shù)據(jù)和故障信息的記錄。

1.2.2 傳統(tǒng)單線集中潤滑系統(tǒng)存在的弊端

1）前期安裝施工比較復(fù)雜。由于采取逐層遞進的潤滑方式，需要安裝大量的智能分配器箱與遞進式分配器，潤滑支管路敷設(shè)極為復(fù)雜，同時智能分配箱與控制箱的信號通訊也存在大量硬線控制信號電纜的敷設(shè)工作。受設(shè)備安裝空間限制，施工和維護難度較大。

2）潤滑范圍受限。由于采取的是單線遞進式潤滑原理，在保證潤滑效果的前提下，對支管路的長度有明確的要求，主要是遞進式分配的串聯(lián)工作原理需要消耗更多的管路有效壓力，因此其潤滑半徑就受到了很大的限制。

3）變更及可擴展性差。系統(tǒng)一旦安裝完畢，需要新增潤滑點時，需對原有系統(tǒng)中的智能分配箱進行改動，而且遞進式分配器的給油量是預(yù)先設(shè)定的，一個潤滑點增加給油量，該遞進分配器其它的潤滑點也同比例增加供油量，造成浪費，可擴展性差。

4）排查工作量大，維護成本高。供油管線只有一根主管線，潤滑油脂由主管線到達智能分配箱，再由分配箱到達遞進式分配器，再到達潤滑點。這種逐層遞進的潤滑方式，只要有一個點不出油，遞進式分配器就會整體不出油，雖然有報警指示堵塞，但是維護人員需要一個一個潤滑點的逐一排查，直到最終找到堵塞點，維護費時費力，維護成本太高。

圖2 智能雙線潤滑系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.2 Function architecture of intelligent double line lubrication system

2 連鑄智能潤滑系統(tǒng)設(shè)計

2.1 智能潤滑系統(tǒng)特點

針對連鑄機設(shè)備的關(guān)鍵特點以及傳統(tǒng)潤滑系統(tǒng)在使用維護過程中存在的弊端，新設(shè)計的智能潤滑系統(tǒng)主要具備如下特點：

1）采用帶無線傳輸?shù)闹悄茈p線分配器，可直接安裝到連鑄機設(shè)備本體，減少繁雜管路連接，雙線并行供油，避免單點故障對其它潤滑點的影響，每個潤滑點的單次供油量固定，不受系統(tǒng)壓力影響，循環(huán)供油時間可在線修改。

2）智能雙線分配器具有溫度、濕度、電量與震動檢測，可實現(xiàn)故障自檢功能，并能區(qū)分內(nèi)部和外部故障，方便用戶檢查維護?？蓾M足長期潮濕、噴淋、粉塵、高溫使用的穩(wěn)定需求。

3）智能雙線分配器帶有的位移傳感器對每個供油支管進行全部潤滑點在線監(jiān)測，無線監(jiān)控避免了大面積布線和人工排查故障，實現(xiàn)軟件分析記錄和故障精準定位。

4）智能雙線分配器動作指針無機械部分，指示桿采用磁感式，杜絕傳統(tǒng)橡膠密封式指示桿的漏油現(xiàn)象，改善現(xiàn)場環(huán)境，降低火災(zāi)隱患，避免漏油對現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備的污染。

5）本地采集，無線發(fā)送，云端監(jiān)控。通過先進通訊技術(shù)的加持，能實現(xiàn)現(xiàn)場多個區(qū)域合并，實施信息化管理，遠程控制的所有項目和機旁操作箱保持同步，多個區(qū)域可分別實現(xiàn)對應(yīng)本系統(tǒng)的設(shè)備潤滑需求。

6）系統(tǒng)自帶的趨勢化管理功能，可以讓設(shè)備管理人員對潤滑系統(tǒng)設(shè)備異常早知道、早預(yù)報、早診斷，做到精確監(jiān)測、精確判斷、精確檢修，解決潤滑設(shè)備的過度潤滑和欠潤滑，減少設(shè)備停機時間及降低維修成本，大幅提高檢修效率，提高潤滑設(shè)備的管理水平，有效提升潤滑系統(tǒng)的安全可靠性，大幅提升自動化控制水平，降低維護人員勞動強度。

圖3 現(xiàn)場多區(qū)域部署示意圖Fig.3 Schematic diagram of field multi area deployment

7） 利用先進的通訊系統(tǒng)實現(xiàn)本地或者異地的多系統(tǒng)合并管理，軟件設(shè)計帶有擴展模塊，可以擴展設(shè)定廠區(qū)、廠房、設(shè)備，輸入設(shè)備圖紙可實現(xiàn)圖形化管理。

2.2 智能潤滑系統(tǒng)方案及配置

新設(shè)計的智能潤滑系統(tǒng)如圖2 所示。主要由機旁控制系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、帶無線通訊功能的智能雙線分配器、分區(qū)閥組、雙線主管路（油路）、無線基站以及云端服務(wù)器軟件組成。

當智能潤滑系統(tǒng)開始工作時，即由控制系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)達到補脂條件時，由控制系統(tǒng)控制電動潤滑泵啟動，同時電磁換向閥開始往復(fù)動作，將潤滑脂通過雙主管路送達智能雙線分配器。智能雙線分配器通過油壓驅(qū)動活塞實現(xiàn)對每個潤滑點的額定計量補脂，智能模塊對分配器內(nèi)部的所有活塞動作軌跡和動作壓力進行監(jiān)測并通過無線傳輸進行信息上報。當供油量達到設(shè)定值后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，對應(yīng)的支管活塞處于停滯狀態(tài)，補油過程結(jié)束。

在整個過程中，各個潤滑點獨立工作，互不干擾；同時，通過對活塞位置的精確檢測以及對壓力的實時監(jiān)控，還可以對故障情況進行預(yù)測，為維護人員提供必要的故障預(yù)警提示，方便維護人員進行預(yù)先處理。

智能雙線潤滑系統(tǒng)具體組成及配置如圖3 所示。

1）機旁控制系統(tǒng)。機旁控制系統(tǒng)為潤滑系統(tǒng)的調(diào)度中心，其主要功能為：根據(jù)內(nèi)置程序或者遠程指令程序指揮所屬區(qū)域的所有潤滑點以何種頻率、方式加油，并上報自身設(shè)備的各種細節(jié)信息。

2）供油系統(tǒng)。供油系統(tǒng)主要由高壓潤滑泵站、電磁換向閥組以及雙線供油主管路組成，高壓潤滑泵站為潤滑系統(tǒng)的潤滑脂輸送設(shè)備，其主要功能為：將潤滑脂輸送到管路，通過管路、分配器，保證潤滑脂以可靠的加注壓力輸送。

3）無線雙線智能分配器。無線雙線智能分配器是精確分配的執(zhí)行機構(gòu)，作為智能潤滑系統(tǒng)的關(guān)鍵核心工作部件，其增加了無線通訊數(shù)據(jù)模塊，配合機旁控制系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)活塞位置可視化、供油量監(jiān)測、故障預(yù)報警等重要功能。其主要功能為：只對超過啟動壓力的油壓敏感（2Mpa），可以整個區(qū)域同時加注，背壓低的潤滑點先加注，完成定量加注后活塞會被限制動作，泵站繼續(xù)升壓，分配器會通過并聯(lián)原理確保持續(xù)高壓作用到剩余潤滑點，系統(tǒng)調(diào)試時分配器每個對應(yīng)潤滑點供油壓力不低于10Mpa。通過限制內(nèi)部活塞的行程，可分別調(diào)節(jié)分配器每個出口實現(xiàn)不同的加注油量。機械部分獨立工作的同時，無線信號采集模塊通過內(nèi)置多種傳感器和程序，把采集到的大量信息通過無線信號持續(xù)發(fā)射到無線基站。

4）分區(qū)閥組。分區(qū)閥組是管路上的控制機構(gòu)，其主要功能為：在大面積潤滑點需要控制加油比例時開啟。

5）油路。油路即是連接整個系統(tǒng)，輸送潤滑脂的通路。在考慮連鑄機主要設(shè)備扇形段所處的高溫、高濕的環(huán)境因素下，潤滑管線與接頭均采用不銹鋼材質(zhì)，等級不低于304。

6）無線基站。無線基站是所處區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備的通訊基站，負責(zé)接收、轉(zhuǎn)發(fā)信息到指定路徑，同時把自檢信息上報服務(wù)器。確保采用的無線方式是經(jīng)論證的、可靠的，不會對現(xiàn)場精密設(shè)備產(chǎn)生干擾，同時自身不會被其它信號干擾。

7）云端服務(wù)器軟件。云端服務(wù)器軟件是整個系統(tǒng)的核心，其主要功能為：對機旁控制箱、無線基站、無線智能分配器發(fā)送上來的信息進行處理分析，根據(jù)程序?qū)μ幚砗蟮男畔⑾掳l(fā)到控制箱、無線基站、無線智能分配器進行交互確認，并在軟件內(nèi)進行記錄、分析、判斷，生成報告、預(yù)警、報警、建議，同時對合法登錄的賬號進行層級管理并記錄所有賬號的操作記錄和個性化設(shè)置，在賬號允許的方式下推送報表、警報等信息。

3 連鑄智能潤滑在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為了更好地輔助智能潤滑系統(tǒng)工作，對智能潤滑在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計，用以提升智能潤滑系統(tǒng)的自檢測、自執(zhí)行、自適應(yīng)的智能化水平，同時增加整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化，便于后期生產(chǎn)維護。

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在對智能潤滑在線監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行設(shè)計時，充分考慮了無線通信技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，為后續(xù)系統(tǒng)的可擴展性與先進性做好充分準備。主要提供兩種應(yīng)用方案，如圖4 所示。

1）基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的方案

圖4 智能潤滑系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案圖Fig.4 Network scheme of intelligent lubrication system

該方案將所有智能分配器采集到的數(shù)據(jù)，通過無線數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送至通訊基站，再由通訊基站發(fā)送給布置在公有云端的云服務(wù)器，在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件布置在云端服務(wù)器中，最終用戶可以通過相應(yīng)的移動終端及工作站，通過互聯(lián)網(wǎng)以Web 發(fā)布的型式對潤滑系統(tǒng)的運行狀況進行實時的監(jiān)測。

2）基于本地服務(wù)器的方案

該方案主要考慮到用戶對數(shù)據(jù)保密性要求比較高的因素，采用本地服務(wù)器代替方案一中的云端服務(wù)器，所有的應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)都存貯在本地服務(wù)其中，與互聯(lián)網(wǎng)相對隔離，充分保證了數(shù)據(jù)的安全性，最終用戶可以通過相應(yīng)的移動終端及工作站，通過內(nèi)部局域網(wǎng)的型式對潤滑系統(tǒng)的運行狀況進行實時的監(jiān)測。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

1）狀態(tài)監(jiān)控

該在線監(jiān)測系統(tǒng)最基本的功能就是在線的狀態(tài)監(jiān)控功能，可以通過系統(tǒng)對供油系統(tǒng)的電動潤滑泵進行遠程手動操作，對各個潤滑點的潤滑情況進行監(jiān)控，對各分配器的運行狀況及環(huán)節(jié)狀況進行監(jiān)測，同時還可以對整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的運行情況進行實時監(jiān)控。

2）測點管理

該功能可實現(xiàn)對每一個潤滑點的相關(guān)加油量、周圍環(huán)節(jié)的溫濕度、通道工作細節(jié)進行數(shù)據(jù)記錄及查詢，同時提供輸入窗口，可實現(xiàn)對每一個通道進行補油時間設(shè)定。采取圖形模塊化型式，便于維護人員更加直觀地了解各測點的實際工作情況，便于各個測點的細微管理。

3）數(shù)據(jù)報表

系統(tǒng)提供強大的數(shù)據(jù)報表功能，可根據(jù)時間、事件、類型等條件，進行各種組合查詢和統(tǒng)計，并生成相應(yīng)的報表。同時，報表的呈現(xiàn)型式也很多樣，具備直方圖、餅圖、曲線圖等多種顯示型式。

4）報警記錄

為了方便維護人員準確地鎖定報警故障信息，在線監(jiān)測系統(tǒng)提供報警記錄功能，可以對每個潤滑點進行報警信息的記錄與查詢，報警信息包括：測點名稱、設(shè)備代碼、報警類別、所在地點、發(fā)生與結(jié)束時間、持續(xù)時間、具體報警內(nèi)容等。

4 結(jié)語

針對連鑄機設(shè)備工作時間長、環(huán)境溫度濕度大、潤滑點密集的特點，研究并總結(jié)了傳動單線潤滑系統(tǒng)在運行維護過程中存在的弊端，設(shè)計的新型智能潤滑系統(tǒng)及在線監(jiān)測系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)了潤滑系統(tǒng)自動定量的補油、各潤滑點狀態(tài)可視化、潤滑設(shè)備自診斷等功能，對于提升設(shè)備潤滑效率，降低維護人員勞動強度發(fā)揮了重要的作用。同時，新一代無線通訊技術(shù)以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用，也為后續(xù)如何在冶金行業(yè)的更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能化提升，產(chǎn)生了借鑒意義。