鑄造起重機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

梁志剛，郝元林，張曉冬，范輝

（河鋼唐鋼設(shè)備機(jī)動(dòng)部，河北唐山，063000）

液體鑄造起重機(jī)是轉(zhuǎn)爐車(chē)間生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其負(fù)責(zé)材料吊裝和運(yùn)輸，主要運(yùn)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(chē)間最高溫度高達(dá)55～60℃，加料跨鑄造起重機(jī)兌鐵時(shí)轉(zhuǎn)爐爐口上方起重機(jī)承受溫度可達(dá)80～120℃,工作級(jí)別高，一旦發(fā)生事故，容易造成較大或嚴(yán)重后果。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)安全，環(huán)保的要求越來(lái)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(yùn)行成為一個(gè)不可回避的課題，在線監(jiān)測(cè)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(shí)檢測(cè)車(chē)間內(nèi)部的裝置運(yùn)行，利用監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)分析設(shè)備的運(yùn)行情況，可通過(guò)定時(shí)或者是間斷連續(xù)的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。檢測(cè)人可以通過(guò)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(diǎn)如下。第一是可以讓設(shè)備長(zhǎng)期處于監(jiān)控環(huán)境，可以連續(xù)不斷地記錄各個(gè)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(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)候也可以及時(shí)報(bào)警，并采集較多的故障信息，以便了解故障的現(xiàn)象和問(wèn)題發(fā)生情況。第二是可以及時(shí)更新系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和報(bào)警信息庫(kù)，操作人員可以利用互聯(lián)網(wǎng)裝置及時(shí)追溯信息，了解報(bào)警設(shè)備和故障的情況，進(jìn)而分析故障的形成原因，影響范圍，制定新的應(yīng)對(duì)計(jì)劃；第三是利用網(wǎng)絡(luò)途徑實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程診斷和及時(shí)分析、研究，減少故障風(fēng)險(xiǎn)。

1 450 噸液體鑄造起重機(jī)電控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)鑄造起重機(jī)控制系統(tǒng)電控信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，監(jiān)測(cè)設(shè)備動(dòng)作信號(hào)。并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)工廠數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的實(shí)時(shí)通信，通過(guò)對(duì)450 噸液體鑄造起重機(jī)電控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，服務(wù)于設(shè)備維護(hù)人員。

2 450 噸液體鑄造起重機(jī)鋼絲繩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)使用鋼絲繩探傷儀可實(shí)時(shí)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(bào)告和解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kù)，通過(guò)工廠數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的實(shí)時(shí)通信，通過(guò)對(duì)450噸液體鑄造起重機(jī)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)，服務(wù)于設(shè)備維護(hù)人員。提供分析服務(wù).

■2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容概述

每部450T 天車(chē)主起升機(jī)構(gòu)有2 個(gè)卷筒，每個(gè)卷筒上有2 根鋼絲繩，每根鋼絲繩又有一個(gè)定滑輪組，每個(gè)定滑輪組上有6 個(gè)定滑輪，要求傳感器安裝于行車(chē)滾筒旁的平臺(tái)上，每個(gè)定滑輪組上安裝一個(gè)傳感器。

如圖1 所示：K=dL/dδ=N2μS0/(2ξ)[1]激勵(lì)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?yàn)锳、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(dòng)勢(shì)應(yīng)當(dāng)為零，無(wú)論鋼絲繩抖動(dòng)還是移動(dòng)，C 線圈的輸出都為零，當(dāng)鋼絲繩有缺陷通過(guò)時(shí),如圖所示:首先經(jīng)過(guò)A 線圈，A 線圈的磁通量就會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)磁通平衡被打破，C 線圈當(dāng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)+ε；同理，當(dāng)缺陷經(jīng)過(guò)線圈B 時(shí)，引起B(yǎng) 線圈磁通量的變化，C 線圈中產(chǎn)生出感生電動(dòng)勢(shì)-ε，無(wú)論鋼絲繩內(nèi)部缺陷還是外部缺陷都會(huì)引起磁通量的變化，進(jìn)而及時(shí)且有效地分析信息問(wèn)題。所以測(cè)量靈敏度非常高。此外，該原理還能克服鋼絲繩抖動(dòng)對(duì)傷損測(cè)量的影響并且實(shí)現(xiàn)鋼絲繩內(nèi)部斷絲和外部斷絲的等同測(cè)量。

圖1 傳感器原理

圖2 為該方案單機(jī)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(jī)、上位機(jī)軟件等。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將天車(chē)上的傳感器信號(hào)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(wú)線通訊協(xié)議，類(lèi)似藍(lán)牙。ZigBee 技術(shù)本質(zhì)上是一種速率比較低的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其由IEEE.802.15.4 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)而來(lái)，擁有低復(fù)雜度和短距離以及低成本和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。其使用了2.4GHz 頻段，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee技術(shù)在IEEE.802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)媒體上支持的應(yīng)用服務(wù)。發(fā)射功率高達(dá)19dBm 以及接收靈敏度達(dá)-99dBm 的保證了模塊的穿墻能力和超過(guò)3.3 公里的視距通信距離（無(wú)障礙情況下）。

■2.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器安裝于行車(chē)滾筒旁的平臺(tái)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(jiǎn)稱(chēng)協(xié)議分站）放置于車(chē)間監(jiān)控室外（距離傳感器安裝平臺(tái)40米左右，之間不宜有明顯遮擋物）。工控計(jì)算機(jī)放置于車(chē)間監(jiān)控室內(nèi)。協(xié)議分站與工控計(jì)算機(jī)之間通過(guò)電纜連接。控制分站采集到傳感器信號(hào)，通過(guò)無(wú)線通訊傳輸給協(xié)議分站，協(xié)議分站將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)成CAN信號(hào)并傳輸給上位工控機(jī)。工控機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)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(gè)探傷傳感器、信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元、電源指示單元。傳感器通過(guò)信號(hào)采集單元采集到鋼絲繩的缺陷，再通過(guò)信號(hào)處理單元把它轉(zhuǎn)化為高精度可用數(shù)字信號(hào)，輸出給控制分站，每臺(tái)天車(chē)有四根鋼絲繩，如果每根鋼絲繩配備1臺(tái)傳感器，則一臺(tái)天車(chē)共配備4 臺(tái)傳感器。如果每根鋼絲繩配備2 臺(tái)傳感器，則一臺(tái)天車(chē)共配備8 臺(tái)傳感器。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)與甲方技術(shù)員測(cè)量計(jì)算：每根鋼絲繩配備1 臺(tái)傳感器，鋼絲繩的檢測(cè)盲區(qū)在25%，如果每根鋼絲繩配備2 臺(tái)傳感器，鋼絲繩的檢測(cè)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(wú)線發(fā)送模塊組成。該分站主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電、系統(tǒng)控制電源的開(kāi)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(gè)傳感器組傳來(lái)的信號(hào)，處理打包通過(guò)無(wú)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(chē)滾筒旁的平臺(tái)上，用于測(cè)量起重機(jī)鋼絲繩的運(yùn)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(fù)責(zé)接收控制分站的無(wú)線信號(hào)，再把無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN 接口信號(hào),傳輸給計(jì)算機(jī)。

2.3.5 上位工控計(jì)算機(jī)站

由專(zhuān)用機(jī)柜、工控計(jì)算機(jī)、專(zhuān)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(chǔ)數(shù)據(jù)、分析判斷缺陷類(lèi)型、生成檢測(cè)報(bào)告等。每套系統(tǒng)配備一套該計(jì)算機(jī)站。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都預(yù)留出后臺(tái)接口，方便用戶(hù)的集成系統(tǒng)接入。

2.3.6 軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件 設(shè)計(jì)組成[2]。圖4 為該系統(tǒng)軟件主界面，其主要實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)時(shí)波形顯示、實(shí)時(shí)損傷判斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)告生成及打印、數(shù)據(jù)回看等。

圖4

■2.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能要求

（1）采用最新的磁平衡技術(shù)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行各種陷的綜合性檢測(cè)。

（2）能準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)部斷絲。

（3）能測(cè)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(dāng)在一個(gè)捻距內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷絲處對(duì)于2 時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)報(bào)警。

（4）能對(duì)1 個(gè)捻距內(nèi)斷絲斷面積進(jìn)行累加計(jì)算并與鋼絲繩總斷面積進(jìn)行比較，比值大于等于5%（報(bào)警限值可以人為設(shè)置）時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警。

（5）能定性檢測(cè)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(dòng)進(jìn)行計(jì)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(píng)定功能：累加評(píng)定鋼絲繩局部的單項(xiàng)損傷程度，并且綜合評(píng)定其剩余承載能力。

（8）缺陷智能查找功能：利用計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)找到檢測(cè)對(duì)象的缺陷；傳感器感受到信息后可以自動(dòng)停止鋼絲繩運(yùn)行，同時(shí)也有助于信息監(jiān)測(cè)和及時(shí)修復(fù)。

（9）對(duì)鋼絲繩全天實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)也可以每日、每周、每月的日常定期檢測(cè)，并及時(shí)提供完整的損傷檢測(cè)報(bào)告（每次檢測(cè)完自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告）。

圖5 鋼絲繩實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)告趨勢(shì)圖

（10）對(duì)實(shí)現(xiàn)的損傷情況實(shí)時(shí)報(bào)警，并可設(shè)置報(bào)警值。

（11）能夠可以評(píng)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(yuǎn)程停機(jī)起機(jī)：當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，軟件運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)上電，當(dāng)軟件運(yùn)行停止時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)斷電。

（13）自動(dòng)停機(jī)功能：系統(tǒng)可以根據(jù)用戶(hù)需要，在鋼絲繩損傷嚴(yán)重時(shí)，切斷電機(jī)供電電源，讓鋼絲繩停止運(yùn)行，從而保證生產(chǎn)安全。

（14）檢測(cè)圖形數(shù)據(jù)可通過(guò)Internet 遠(yuǎn)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(biāo)

（1）傳感器精度：金屬的有效截面積損失百分量測(cè)量的最大誤差≤萬(wàn)分之三。

圖6 鋼絲繩檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)圖

（2）局部損傷（LF）檢測(cè)靈敏度：檢測(cè)斷絲的靈敏度為鋼絲繩橫截面積的0.5%（包括磨損斷絲、過(guò)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(cè)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(cè)靈敏度：檢測(cè)靈敏度為鋼絲繩公稱(chēng)直徑的3%。

（5）適用繩徑：φ16-φ80 mm。

（6）持續(xù)檢測(cè)繩長(zhǎng)：≥3000m。

（7）傳感器與鋼絲繩允許相對(duì)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(wú)線通訊。

（10）傳輸距離：2Km（有障礙物物時(shí)不小于1Km）；

（11）設(shè)備使用環(huán)境

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

（12）外殼防護(hù)等級(jí)：IP54。

3 450 噸液體鑄造起重機(jī)減速機(jī)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)鑄造起重機(jī)減速機(jī)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，形成溫度趨勢(shì)曲線，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的實(shí)時(shí)通信。

（1）每臺(tái)減速機(jī)高速軸輸入、輸出端各設(shè)置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每臺(tái)減速機(jī)2 個(gè)高速軸、共計(jì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方式是將光纖溫度傳感器 直接粘在被測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)感知被測(cè)點(diǎn)表面因溫度變化引起的波長(zhǎng)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(hào)轉(zhuǎn)化為溫度信號(hào)后可在終端軟件實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、故障診斷、報(bào)警及控制[3]。

（2）傳感器安裝于減速機(jī)箱體軸承位處，采用螺栓固定。

測(cè)量溫度范圍：-20～200℃；

測(cè)量精度：B 級(jí) 精度為（0.3+0.005＊|t|）攝氏度，其中|t|為實(shí)際溫度的絕對(duì)值。

（3）通訊要求（不低于下述要求）

采用433MHz 無(wú)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(shí)不小于1Km）；通信速率：1200-115200bps。

4 450 鑄造起重機(jī)減速機(jī)振動(dòng)檢測(cè)

通過(guò)采集設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。根據(jù)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不同，分工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，運(yùn)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(jìn)行幅值趨勢(shì)分析，得到設(shè)備狀態(tài)評(píng)估所需數(shù)據(jù)；完成設(shè)備故障的報(bào)警、狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析和診斷。設(shè)備在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析模塊要與河鋼樂(lè)亭設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交互。提供與在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊同等服務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)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(jìn)設(shè)備不斷更新的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，才會(huì)使得在線監(jiān)測(cè)更加優(yōu)化，以減少管理維護(hù)，降低運(yùn)行成本，提高運(yùn)行效率，這樣必然會(huì)受到更為廣大的工業(yè)生產(chǎn)中受到廣泛應(yīng)用。