料斗稱重系統(tǒng)的數(shù)字化改造和故障智能診斷

李仁華,王偉兵

(河鋼集團(tuán)邯鄲分公司,河北 邯鄲 056001)

0 引言

在鋼鐵冶煉生產(chǎn)過(guò)程中，物料配比是控制各種物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的重要手段。料斗秤以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、稱量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，焦炭、礦石等的稱量都使用了料斗秤，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵水、鋼水成分的精確控制。隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化稱重檢測(cè)技術(shù)在冶金生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用為提高稱量檢測(cè)精度和故障診斷智能化水平奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文對(duì)料斗秤的數(shù)字化改造方法、故障診斷智能化進(jìn)行探討。

1 料斗秤的組成及其測(cè)量原理

料斗秤由稱重料斗、機(jī)械限位、稱重傳感器、稱重變送單元等部分組成[1-2]。稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

稱重料斗由鋼結(jié)構(gòu)組成，具有一定的強(qiáng)度，在盛放物料后不會(huì)產(chǎn)生形變，并可將物料重量全部傳遞到R1、R2、R3這3臺(tái)稱重傳感器上。傳感器的彈性體受力形變帶動(dòng)貼片電阻值發(fā)生變化，惠斯通電橋橋臂阻值產(chǎn)生不平衡。

測(cè)量系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)原理圖

在勵(lì)磁電壓(+EXC /-EXC)的作用下，系統(tǒng)輸出與被稱量物料的重量成正比關(guān)系的直流毫伏電壓信號(hào)(+SIG /-SIG )。3臺(tái)傳感器的輸出的電壓信號(hào)并聯(lián)后傳送到稱重變送單元。在稱重變送單元內(nèi)，電壓信號(hào)經(jīng)放大、模數(shù) (anlolog/digital，A/D)轉(zhuǎn)換和處理電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)并顯示，同時(shí)輸出相對(duì)應(yīng)的 4～20 mA DC 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)[3-4]。

2 數(shù)字化料斗秤的測(cè)量原理

數(shù)字化料斗秤的基本結(jié)構(gòu)與料斗秤相同，只是對(duì)傳感器、稱重變送器等測(cè)量回路進(jìn)行了數(shù)字化改造。測(cè)量回路的數(shù)字化改造方法有2種：①直接采用整體型數(shù)字式智能稱重傳感器替代模擬傳感器；②采用模擬傳感器+數(shù)字接線盒的方式[5-8]。

2.1 數(shù)字式傳感器替代模擬傳感器

整體型數(shù)字式智能稱重傳感器是在傳感器內(nèi)部安裝放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器芯片和溫度敏感元件等組成的數(shù)字處理電路，利用微處理器芯片中的軟件實(shí)施各項(xiàng)數(shù)字補(bǔ)償工藝，進(jìn)行綜合性能測(cè)試和檢定，并采用電子束焊或激光焊進(jìn)行密封。每臺(tái)整體型數(shù)字式智能稱重傳感器通過(guò)總線與稱重變送器串聯(lián)，由稱重變送器向傳感器提供勵(lì)磁電壓和接收傳感器輸出的、與受力相對(duì)應(yīng)的重量值。各傳感器輸出的重量值在稱重變送器中相加得到總重量。數(shù)字傳感器稱重系統(tǒng)原理如圖3所示[9-10]。

圖3 數(shù)字傳感器稱重系統(tǒng)原理圖

2.2 模擬傳感器+數(shù)字接線盒的方式

數(shù)字化接線盒是將原先放置在稱重傳感器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字處理電路集中安裝在1個(gè)接線盒內(nèi)。將普通的模擬式稱重傳感器接入數(shù)字接線盒后，數(shù)字接線盒對(duì)每個(gè)傳感器的信號(hào)分別進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換處理，數(shù)字接線盒將每臺(tái)傳感器測(cè)量的重量和料斗秤的總重量以數(shù)字信號(hào)傳輸給與其配套的稱重顯示儀表。通常將模擬式稱重傳感器加數(shù)字接線盒的模式稱為模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。它既保留了模擬式稱重傳感器的綜合性能指標(biāo)，又具備整體型數(shù)字式智能化稱重傳感器的所有特點(diǎn)和功能，同時(shí)改善了A/D轉(zhuǎn)換電路的工作環(huán)境。數(shù)字接線盒稱重系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 數(shù)字化接線盒稱重系統(tǒng)原理圖

2.3 數(shù)字化料斗秤的優(yōu)點(diǎn)

數(shù)字化料斗秤的優(yōu)點(diǎn)如下。

①產(chǎn)生、處理和存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)容易，輸出信號(hào)大。輸出信號(hào)是一組組高低電平信號(hào)，一般為±5 V。

②具有很高的分辨率，一般為20 bit，可用計(jì)數(shù)高達(dá)1 000 000，且準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好。

③信號(hào)抗外部射頻干擾和電磁干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，通?？蛇_(dá)150 m,附加電源后可超過(guò)600 m。

④可采用軟件運(yùn)算方法調(diào)整四角誤差，利用數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)，安裝、調(diào)試、檢定非常方便。

⑤對(duì)大量程的電子衡器和無(wú)法加掛砝碼的稱重裝置，可進(jìn)行無(wú)砝碼標(biāo)定。利用數(shù)字稱重系統(tǒng)軟件，輸入各稱重傳感器的標(biāo)定參數(shù)，即可保證料斗秤的稱量準(zhǔn)確度和可靠性。

⑥數(shù)字稱重變送器可以通過(guò)通信接口輸出豐富的參數(shù)信息。輸出參數(shù)有料斗物料的凈重值、料斗皮重、每只傳感器的稱重值、角差、勵(lì)磁電壓值等，為故障診斷提供了的參考依據(jù)。

3 料斗秤的常見(jiàn)故障及診斷方法

3.1 料斗秤的常見(jiàn)故障

①顯示漂移。重量值顯示不穩(wěn)定，少則幾十公斤、多則幾百上千公斤地不停跳變。造成這一現(xiàn)象的主要原因有：勵(lì)磁電壓電源故障、線路故障、傳感器故障、料斗與基礎(chǔ)或機(jī)械限位堵塞卡蹭。

②稱量誤差大。造成這一現(xiàn)象的主要原因有：勵(lì)磁電壓不穩(wěn)、傳感器故障、線路虛接、料斗與基礎(chǔ)或機(jī)械限位堵塞卡蹭[11]。

③卸載后顯示不回零。造成這一現(xiàn)象的主要原因有：傳感器性能改變(滯后，零飄等)，料斗與基礎(chǔ)或機(jī)械限位堵塞卡蹭。

3.2 料斗秤的故障診斷方法

①觀察法。該方法主要觀察料斗與基礎(chǔ)有無(wú)雜物堵塞、料斗秤體與機(jī)械限位有無(wú)卡蹭、線路有無(wú)損傷、稱重傳感器有無(wú)傾斜。通過(guò)觀察法可以有效排除顯示漂移、稱量誤差大、卸載后不回零等故障。

②測(cè)量比較法。首先，用萬(wàn)用表測(cè)試2根信號(hào)輸出線之間及供橋電壓輸入線之間的電阻值以及信號(hào)輸出線、供橋電壓輸入線各芯線與屏蔽層間的絕緣電阻，判斷傳感器是否故障；然后，測(cè)量每個(gè)傳感器在空載、重載情況下的輸出值并與其他傳感器輸出值互相比較，判斷傳感器是否故障；最后，測(cè)量勵(lì)磁電壓值是否正常，判斷稱重變送器勵(lì)磁電源或線路故障。通過(guò)測(cè)量比較法，可以排除顯示漂移、稱量誤差大、卸載后不回零等故障。

③代碼診斷法。稱重變送器有勵(lì)磁電源故障、信號(hào)開(kāi)路、信號(hào)電壓低等豐富的故障代碼。借助故障代碼提示，可以快速進(jìn)行故障原因診斷。

④替代法。針對(duì)用測(cè)量比較法不能準(zhǔn)確判斷具體故障部件的問(wèn)題，可將可疑器件替換為好的器件或替代品，并觀察故障是否排除，從而確定故障器件部位[2]。

數(shù)字化料斗秤的故障診斷可以直接通過(guò)對(duì)數(shù)值的觀察進(jìn)行分析。通過(guò)觀察稱重顯示器上的各個(gè)傳感器稱量出的重量值及其變化率，可以判定傳感器狀態(tài)，有效排除顯示漂移、稱量誤差大、卸載后不回零等故障；通過(guò)觀察角差參數(shù)值，可以判斷料斗卡蹭的具體位置；通過(guò)觀察勵(lì)磁電壓參數(shù)值，可以排除顯示漂移、稱量誤差大等故障。該方法可使故障診斷更加快捷、直觀，有效減少判斷時(shí)間。

4 料斗秤數(shù)字化改造實(shí)施

4.1 方案的確定

通過(guò)對(duì)圖2～圖4的分析可知，模擬料斗秤是多個(gè)稱重傳感器并聯(lián)輸出的，無(wú)法對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行診斷。而采用數(shù)字化料斗秤，多個(gè)稱重傳感器是分路輸出的，每個(gè)傳感器都有單獨(dú)的信號(hào)送到控制系統(tǒng)。這樣，維護(hù)人員對(duì)料斗秤設(shè)備的掌控能力大大增強(qiáng)，可以保證設(shè)備穩(wěn)定和控制精度。另一方面，數(shù)字化改造后，設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息量會(huì)明顯增加。這也為智能故障診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，在煉鋼轉(zhuǎn)爐進(jìn)行料斗秤的數(shù)字化改造勢(shì)在必行。

4.2 方案的實(shí)施

料斗秤網(wǎng)絡(luò)配置如圖5所示[12-13]。

圖5 料斗秤網(wǎng)絡(luò)配置圖

料斗秤數(shù)字化改造在3個(gè)轉(zhuǎn)爐實(shí)施，共計(jì)21臺(tái)料斗秤儀表通過(guò)Profibus-Dp網(wǎng)絡(luò)連接到西門(mén)子系統(tǒng)。具體配置以1號(hào)轉(zhuǎn)爐為例。

4.3 智能故障診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

數(shù)字化料斗秤的稱重變送單元通過(guò)Profibus-DP總線協(xié)議與控制系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通信。Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)是1個(gè)主站/從站(Master/ Slaver)網(wǎng)絡(luò)。其中：控制系統(tǒng)配置為主站；稱重變送器配置為從站。DP 主站與DP 從站之間的通信基于主從原理，控制系統(tǒng)具有總線控制權(quán)，周期性(1 s)地讀取稱重變送器的參數(shù)信息。數(shù)據(jù)通信由主站和從站進(jìn)行監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)從數(shù)字化稱重變送器讀取的參數(shù)如表1所示。

在PLC控制系統(tǒng)中應(yīng)用C腳本語(yǔ)言，通過(guò)對(duì)數(shù)字化料斗秤參數(shù)、工藝過(guò)程參數(shù)相結(jié)合的綜合專家規(guī)則邏輯，判斷開(kāi)發(fā)故障診斷程序和趨勢(shì)分析圖，在操作人機(jī)界面上以聲光報(bào)警、信息提示的方式呈現(xiàn)。在發(fā)生稱重測(cè)量過(guò)程異常時(shí)，無(wú)論是工藝操作人員還是設(shè)備維護(hù)人員都能及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取到診斷信息，從而有效杜絕稱量偏差和減少故障停機(jī)時(shí)間。診斷程序調(diào)用的稱量系統(tǒng)參數(shù)以表1數(shù)據(jù)為例。如表2所示的工藝設(shè)備狀態(tài)參數(shù)從PLC控制系統(tǒng)中調(diào)用。

表1 數(shù)字化稱重變送器輸出的參數(shù)

表2 工藝設(shè)備參數(shù)

4.4 應(yīng)用效果

PLC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取儀表中的傳感器狀態(tài)信息。工程師對(duì)其進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)各類報(bào)警，并將其顯示和記錄在上位機(jī)系統(tǒng)中。

通過(guò)狀態(tài)異常報(bào)警，工程師可及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器的異常狀態(tài)并進(jìn)行處理，杜絕了測(cè)量異常而引起長(zhǎng)時(shí)間的合金料計(jì)量誤差和配料誤差，確保了成本核算和質(zhì)量控制的精準(zhǔn)度。同時(shí)，維護(hù)工程師通過(guò)狀態(tài)的數(shù)據(jù)積累，可進(jìn)一步研究其劣化趨勢(shì)；通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析,可為設(shè)備的預(yù)維護(hù)提供依據(jù)，使得設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。

智能故障診斷邏輯如圖6所示。

圖6 智能故障診斷邏輯

5 結(jié)論

本文通過(guò)煉鋼料斗秤數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)料斗秤每個(gè)傳感器參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。每臺(tái)料斗秤對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表中的皮重、毛重、凈重及單只傳感器的稱重值都直觀地顯示在人機(jī)界面上。根據(jù)這些信息，操作人員對(duì)料斗秤整體工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)故障診斷程序的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了稱重異常提醒和故障處理智能引導(dǎo)。數(shù)字化稱重系統(tǒng)的應(yīng)用可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)稱量系統(tǒng)異常并報(bào)警，避免了由于稱量異常造成的配料誤差大而引起的鋼水成分質(zhì)量事故；通過(guò)報(bào)警提示，還能協(xié)助維護(hù)人員縮短故障診斷時(shí)間、提高工作效率。