一種適用于鋼鐵企業(yè)固體灰倉(cāng)料位安全、精確檢測(cè)技術(shù)方案

張浩 唐海清 張超躍 張家尊

1.寶鋼湛江鋼鐵有限公司，中國(guó)·廣東 湛江 524000

2.中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司，中國(guó)·北京 100088

1 引言

目前檢測(cè)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(dá)、激光、放射性源等檢測(cè)方式，這其中的雷達(dá)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(jiǎn)單性價(jià)比高的屬于阻旋料位計(jì)，是目前鋼鐵企業(yè)使用最為廣泛的料位計(jì)。接觸式多為開關(guān)量輸出，只能作為料位報(bào)警監(jiān)控，非接觸式多為模擬量輸出，可實(shí)時(shí)監(jiān)控料位高低數(shù)據(jù)，但因其檢測(cè)易受多種因素影響而波動(dòng)，不宜做報(bào)警輸出使用；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)需要使用具有實(shí)時(shí)料位監(jiān)控又要求具有料位報(bào)警功能時(shí)，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(dá)及阻旋料位計(jì)為主，下文將重點(diǎn)介紹雷達(dá)料位計(jì)與阻旋料位計(jì)技術(shù)。

2 雷達(dá)料位計(jì)技術(shù)

該技術(shù)是基于時(shí)間行程原理的測(cè)量?jī)x表，雷達(dá)波以光速運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間可以通過(guò)電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號(hào)。探頭發(fā)出高頻脈沖并沿纜繩傳播，當(dāng)脈沖遇到物料表面時(shí)反射回來(lái)被儀表內(nèi)的接收器接收，并將距離信號(hào)轉(zhuǎn)化為物位信號(hào)。

雷達(dá)波是一種特殊形式的電磁波，雷達(dá)料位計(jì)利用了電磁波的特殊性能來(lái)進(jìn)行料位檢測(cè)。電磁波的物理特性與可見(jiàn)光相似，傳播速度相當(dāng)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(cè)介質(zhì)導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回波信號(hào)的反射效果越好。

雷達(dá)料位計(jì)的特點(diǎn)：

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

①可在惡劣條件下連續(xù)準(zhǔn)確地測(cè)量。

②操作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。

③準(zhǔn)確安全且節(jié)省能源。

④無(wú)需維修且可靠性強(qiáng)。

⑤幾乎可以測(cè)量所有介質(zhì)。

雖然雷達(dá)料位計(jì)具有較多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，還是會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)大及誤報(bào)情況，尤其在鐵礦粉倉(cāng)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(cāng)內(nèi)塵霧較大，由于鐵礦粉塵具有理想的雷達(dá)波反射效應(yīng)，致使料位計(jì)檢測(cè)失常，這種情況在以往30 GHZ 頻率以下產(chǎn)品尤為多見(jiàn)，近年來(lái)雷達(dá)料位計(jì)技術(shù)已發(fā)展為75 GHZ 或以上的超高頻技術(shù)雷達(dá)料位計(jì)，75 GHZ 產(chǎn)品雷達(dá)波穿透能力更強(qiáng)，能量更為集中，精度更高可達(dá)±2 mm，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(cāng)粉塵大而造成的誤報(bào)。

目前，超高頻雷達(dá)料位計(jì)雖解決了測(cè)量干擾問(wèn)題，作為非接觸式料位計(jì)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(cè)量數(shù)據(jù)不確定性，系統(tǒng)無(wú)法判別灰倉(cāng)或料倉(cāng)內(nèi)部真實(shí)料位，由此帶來(lái)的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)同樣難以消除。

鑒于以上原因分析，如采用雷達(dá)料位計(jì)作為高、高高料報(bào)警使用，在儀表或回路某種異常情況下可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)失準(zhǔn)，料位控制失控，由此帶來(lái)的就是料位運(yùn)行安全隱患，所以說(shuō)明此類雷達(dá)料位計(jì)只適用于料位實(shí)時(shí)監(jiān)控參考，不適于作為安全料位運(yùn)行控制與報(bào)警；那何種方式適用于料位報(bào)警控制？以下介紹接觸式的阻旋料位計(jì)技術(shù)。

3 阻旋料位計(jì)技術(shù)

行業(yè)現(xiàn)有阻旋料位計(jì)也有的稱之為阻旋物位計(jì)或者阻旋料位開關(guān)、阻旋物位開關(guān)等，結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jī)經(jīng)減速后，帶動(dòng)檢測(cè)葉片慢速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)被測(cè)物料的料位上升使葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)受到阻擋時(shí)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)主軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移。此位移首先是一個(gè)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出有料的信號(hào)。隨后另一個(gè)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，切斷微電機(jī)的電源使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)。只要倉(cāng)內(nèi)的料位不變，此種狀態(tài)便將一直保持下去。當(dāng)料位下降檢測(cè)葉片失去阻擋時(shí)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)便依靠彈簧拉力恢復(fù)原態(tài)?？刂莆㈦姍C(jī)電源的微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，使電機(jī)通電旋轉(zhuǎn)。隨后另一個(gè)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作發(fā)出信號(hào)，只要沒(méi)有物料阻擋檢測(cè)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)故障分析表，結(jié)論：無(wú)論哪種品牌阻旋料位計(jì)，在生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)故障或功能失效是必然結(jié)果，但其無(wú)相關(guān)信息可及時(shí)報(bào)警輸出，作為料倉(cāng)安全料位監(jiān)控是一個(gè)嚴(yán)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(jì)作為料位安全報(bào)警使用，其實(shí)是存在巨大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，為此筆者通過(guò)研究，研發(fā)出了一種PLC+檢測(cè)硬件相結(jié)合的具有故障自檢的阻旋料位計(jì)技術(shù)，自檢技術(shù)可實(shí)現(xiàn)料位計(jì)本體及檢測(cè)回路任何故障的檢測(cè)與報(bào)警輸出，確保料位計(jì)工作在正常運(yùn)行狀態(tài)，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)如下介紹。

表1 阻旋料位計(jì)故障分析表

4 自檢阻旋料位計(jì)技術(shù)

其技術(shù)在原阻旋料位計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，增加了本體故障檢測(cè)及回路故障檢測(cè)，檢測(cè)的信號(hào)返回系統(tǒng)PLC 處理，經(jīng)程序軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，可準(zhǔn)確分別出料位信號(hào)和故障信號(hào)。

自檢阻旋料位計(jì)采用如下技術(shù)方案：

采用在料位計(jì)輸出主軸上安裝扇形感應(yīng)鐵片（見(jiàn)圖3），采用防護(hù)等級(jí)IP65 的霍爾開關(guān)作為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)元件，扇形感應(yīng)鐵片與霍爾開關(guān)組成主軸轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，主軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)輸出脈沖信號(hào)；當(dāng)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(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

①對(duì)主軸的檢測(cè)只是一個(gè)脈沖信號(hào)，無(wú)法用于直接報(bào)警，而且還要解決料位信號(hào)與設(shè)備故障信號(hào)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(hào)處理PLC 程序。

②相關(guān)PLC 控制原理如下（見(jiàn)圖4）：PLC 接受霍爾檢測(cè)器件脈沖信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)的“開”與“關(guān)”狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，用時(shí)間繼電器模塊T1、T2 分別計(jì)時(shí)，當(dāng)兩種狀態(tài)之一超出正常脈沖時(shí)間，即可判斷其為故障狀態(tài)并報(bào)警輸出。

③正常的料位報(bào)警信號(hào)與設(shè)備故障信號(hào)實(shí)現(xiàn)互鎖，實(shí)現(xiàn)料位報(bào)警與設(shè)備故障報(bào)警輸出功能（見(jiàn)圖4）。

圖4 自檢阻旋料位計(jì)控制原理圖

5 自檢阻旋料位計(jì)技術(shù)特點(diǎn)

①該技術(shù)采用霍爾檢測(cè)器件對(duì)主軸的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后通過(guò)主控PLC 或上位機(jī)執(zhí)行檢測(cè)程序，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與識(shí)別，實(shí)現(xiàn)料位計(jì)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(shí)報(bào)出報(bào)警信號(hào)，如供電中斷、電機(jī)故障不轉(zhuǎn)、機(jī)械機(jī)構(gòu)卡阻、微動(dòng)開關(guān)損壞、霍爾檢測(cè)開關(guān)損壞、信號(hào)線短路斷路、PLC 輸入卡件故障等；避免因故障無(wú)報(bào)警導(dǎo)致設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)功能失效，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全本質(zhì)化。

②該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備及檢測(cè)信號(hào)回路的實(shí)時(shí)自檢功能，日常點(diǎn)檢及周期功能測(cè)試工作可免，只要設(shè)備不報(bào)故障就可判斷其是在正常工作狀態(tài)，不但實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，而且可大大減少設(shè)備日常點(diǎn)檢維護(hù)工作負(fù)荷。

6 灰倉(cāng)料位安全、精確檢測(cè)技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)

綜上所述分析，作為非接觸式的自檢阻旋料位計(jì)雖有安全可靠的料位報(bào)警功能，但由于其只有開關(guān)量輸出，無(wú)法實(shí)現(xiàn)料位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，因此，如料倉(cāng)要實(shí)現(xiàn)安全、可靠、精確的料位檢測(cè)還需其與75 GHZ 超高頻雷達(dá)料位計(jì)搭配使用，雷達(dá)料位計(jì)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的料位數(shù)據(jù)精準(zhǔn)監(jiān)控，自檢阻旋料位計(jì)負(fù)責(zé)料位安全可靠報(bào)警，兩者結(jié)合即是灰倉(cāng)料位安全、精確檢測(cè)較為完善的技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)料位數(shù)據(jù)與狀態(tài)相互對(duì)照參考，自檢技術(shù)的運(yùn)用確保料倉(cāng)料位的安全可靠運(yùn)行，可達(dá)到設(shè)備安全本質(zhì)化，杜絕因料位檢測(cè)失準(zhǔn)而帶來(lái)的料倉(cāng)料位安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及事故的發(fā)生。

7 結(jié)語(yǔ)

高頻雷達(dá)料位計(jì)安裝應(yīng)選用料倉(cāng)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(jì)可選用頂部及側(cè)面安裝，側(cè)裝長(zhǎng)度不宜超過(guò)1 m，頂裝不宜超過(guò)3 m；安裝的位置也是在非落料區(qū)域，避免落料直接對(duì)料位計(jì)的沖刷，影響其使用壽命。高頻雷達(dá)料位計(jì)調(diào)試可按產(chǎn)品說(shuō)明書調(diào)試即可，自檢料位計(jì)安裝好后，需將其信號(hào)送至PLC 輸入模塊，后編寫程序，設(shè)備通電后在后臺(tái)監(jiān)控其信號(hào)狀態(tài)正常即可。兩種料位計(jì)均是免維護(hù)的，若中控人員發(fā)現(xiàn)故障異常狀態(tài)，維護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)檢查即可。