高爐槽下稱重系統(tǒng)數(shù)字化改造

閆羽嘯

（河鋼邯鋼自動(dòng)化部維護(hù)三車間， 河北 邯鄲 056015）

0 引言

隨著電阻應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)的逐漸成熟，電子秤在計(jì)量領(lǐng)域早已大量應(yīng)用。將模擬式稱重傳感器與稱重二次表有機(jī)結(jié)合，完成將被計(jì)量物體重量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的毫伏級(jí)電信號(hào)，再在稱重儀表中處理運(yùn)算，顯示出相應(yīng)的重量值。河鋼集團(tuán)邯鋼邯寶公司邯寶煉鐵廠現(xiàn)有36 臺(tái)模擬式稱重料斗稱投入使用，是高爐配料工藝計(jì)量體系的重要組成。由于高爐槽下工藝的客觀條件，導(dǎo)致料斗秤現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境差、二次表按鍵使用頻繁、外界干擾（對(duì)講機(jī)電磁干擾與電纜磁場(chǎng)干擾）、不明因素較多，進(jìn)而導(dǎo)致二次表數(shù)值顯示與4~20 mA 遠(yuǎn)傳信號(hào)不穩(wěn)定，直接影響計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在日常的維護(hù)工作中投入的人力成本大，同時(shí)在以半年為一個(gè)周期的周期校準(zhǔn)過(guò)程中，經(jīng)常要使用千斤頂與標(biāo)準(zhǔn)壓力器工作量大的同時(shí)，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。幾年來(lái)信號(hào)數(shù)字化技術(shù)逐漸成熟，在電子衡器領(lǐng)域應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于高爐料斗稱的計(jì)量系統(tǒng)中，使其維護(hù)成本降低，校準(zhǔn)工作量下降，使計(jì)量結(jié)果更加精確，提高高爐料批的控制精度。借助1 號(hào)高爐大修機(jī)會(huì)將1 號(hào)高爐除集中斗外的15 臺(tái)分散斗稱重系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造。

1 槽下稱重系統(tǒng)的構(gòu)成與原理

1.1 槽下模擬式稱重系統(tǒng)的構(gòu)成

高爐槽下料斗稱屬于靜態(tài)稱，一般選用三角稱重法，整個(gè)模擬式的稱重系統(tǒng)由秤斗、模擬式傳感器、模擬式接線盒、稱重二次表、遠(yuǎn)傳信號(hào)線組成。

河鋼集團(tuán)邯鋼邯寶公司邯寶煉鐵廠采用的是余姚太平洋稱重工程有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為PA8110A的儀表，傳感器型號(hào)為CZL-YB-4B，接線盒型號(hào)為BJH-1C，傳輸信號(hào)為模擬信號(hào)，其原理如圖1 所示。

圖1 高爐料斗秤的稱重系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2 槽下模擬式稱重系統(tǒng)的工作原理

在正常工況條件下，三個(gè)傳感器受垂直方向的力向下產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的mv 信號(hào)，在接線盒中并聯(lián)后送入稱重二次表進(jìn)行濾波、放大、A/D 轉(zhuǎn)換等功能，然后顯示稱重值，并以4~20 mA 信號(hào)輸出至PLC 進(jìn)行計(jì)量。

高爐通過(guò)稱重系統(tǒng)的計(jì)量結(jié)果來(lái)控制閥門向受料斗加料，高爐操作人員首先分配好各個(gè)受料斗需要裝料的重量值，PLC 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)稱量系統(tǒng)遠(yuǎn)傳過(guò)來(lái)的信號(hào)與所設(shè)定的裝料值進(jìn)行比較，未達(dá)到目標(biāo)重量則裝料，達(dá)到目標(biāo)重量后關(guān)閉閘門停止裝料，等待指令進(jìn)行排料。上述過(guò)程自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行，儀表可自動(dòng)累計(jì)物料重量，同時(shí)將結(jié)果上傳到PLC 柜，完成計(jì)量。

1.3 槽下數(shù)字式稱重系統(tǒng)的工作原理

將稱重傳感器輸出信號(hào)傳輸至DBZ-2N 數(shù)字接線盒進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)化，再將轉(zhuǎn)化完成后的數(shù)字信號(hào)傳輸至二次表PA8110D。稱重二次表將顯示的重量信號(hào)以數(shù)字化形式傳輸至PLC，由PLC 進(jìn)行解析進(jìn)而實(shí)現(xiàn)稱重信號(hào)的數(shù)字化采集。

2 槽下模擬式稱重系統(tǒng)的劣勢(shì)分析

2.1 模擬式稱重系統(tǒng)受工況環(huán)境干擾大

模擬式稱重系統(tǒng)容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的干擾。一方面，對(duì)講機(jī)、電纜等操作工具在工作時(shí)容易對(duì)其造成很強(qiáng)的電磁干擾。同時(shí)，槽下料灰常伴有打水，容易導(dǎo)致二次表內(nèi)部元件損壞。另一方面，模擬式稱重系統(tǒng)的信號(hào)傳輸距離大約有200 m，因此，模擬信號(hào)在遠(yuǎn)距離的傳輸過(guò)程中容易受到工況環(huán)境的客觀因素干擾，影響信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2.2 模擬式稱重系統(tǒng)檢修成本較高

雖然在對(duì)模擬式稱重系統(tǒng)進(jìn)行檢修，但仍需要花大量的人力成本與時(shí)間成本對(duì)其進(jìn)行角度修正、電位器調(diào)整、稱值標(biāo)定等工作。

2.3 模擬式稱重系統(tǒng)易影響生產(chǎn)

模擬式稱重系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)稱重系統(tǒng)的遠(yuǎn)程運(yùn)維功能，無(wú)法在線監(jiān)測(cè)與故障判斷，傳感器一旦損壞必須拆下用萬(wàn)用表測(cè)量，就算是測(cè)量沒(méi)問(wèn)題也無(wú)法保證傳感器的好壞，同時(shí)在判斷故障時(shí)需要停止使用當(dāng)前料斗，容易造成高爐料批減少，影響生產(chǎn)。

3 槽下數(shù)字式稱重系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析

3.1 槽下數(shù)字式稱重系統(tǒng)有效減少環(huán)境的干擾

首先，數(shù)字信號(hào)的傳輸相對(duì)于模擬信號(hào)的傳輸可靠性更高，可以大幅提高信號(hào)的質(zhì)量，增加計(jì)量的準(zhǔn)確性。其次，數(shù)字式稱重系統(tǒng)采用新型的數(shù)字式接線盒與數(shù)字式二次表，并且將其集成至儀表箱內(nèi)，大大提升了抗電磁干擾的能力，有效地避免了因現(xiàn)場(chǎng)使用對(duì)講機(jī)或者電纜產(chǎn)生電磁信號(hào)的干擾。最后，儀表箱防水防塵，在加裝了防塵鎖緊頭之后，可以有效地抵抗現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，提升使用壽命。

3.2 槽下數(shù)字式稱重系統(tǒng)有效節(jié)約成本

在檢修數(shù)字式稱重系統(tǒng)后，秤體的角差調(diào)整將由二次表自動(dòng)調(diào)整，或者手動(dòng)輸入調(diào)整即可，節(jié)省了大量的時(shí)間成本[2]。

3.3 槽下數(shù)字式稱重系統(tǒng)有效減少影響生產(chǎn)

數(shù)字式稱重系統(tǒng)具有良好的自我診斷功能，通過(guò)讀取傳感器的信息反饋至二次表，可直接判斷傳感器的好壞，同時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，大大減少了維修時(shí)間，在生產(chǎn)先行的特殊條件下也可將壞掉的傳感器剔除，待有充足的檢修時(shí)間再進(jìn)行處理，不會(huì)影響高爐的有序生產(chǎn)。

數(shù)字信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中也需要放大信號(hào)，數(shù)字信號(hào)利用一種電路構(gòu)成的門線電壓將接收到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的重組再生，生成完全消除衰減畸變的新信號(hào)（只注重其傳輸?shù)?、1 二進(jìn)制的傳輸）[3]。

4 槽下數(shù)字式稱重系統(tǒng)的改造方案

通過(guò)與余姚太平洋廠家的交流與現(xiàn)場(chǎng)分析，現(xiàn)使用余姚太平洋PA8110D 二次表與DBZ-2N 數(shù)字接線盒與PROFIBUS-DP 線借由大修機(jī)會(huì)進(jìn)行1 號(hào)高爐槽下稱重系統(tǒng)的數(shù)字化改造并提出以下方案，如表1所示。

表1 改造方案與預(yù)計(jì)成果

4.1 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備進(jìn)行改造

首先，將原有的15 塊PA8110A 型號(hào)二次表拆下，并保留4~20 mA 信號(hào)線與220 V 電源線，將與之配套的接線盒拆下，注意保護(hù)三個(gè)傳感器的線路避免傳感器的信號(hào)線損壞。其次，選擇離地面高度適中，不易淋水的位置焊接新的集成儀表箱，并將原有的信號(hào)線與電源線焊接延長(zhǎng)至接線位置，傳感器線清理干凈后加裝蛇皮管與鎖緊頭連接至新的接線盒位置。最后，重新放置DP 通訊線，并制作DP 接頭，每一臺(tái)二次表一進(jìn)一出兩根DP 線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程DP 通訊，同時(shí)保留4~20 mA 模擬信號(hào)。

4.2 新系統(tǒng)的調(diào)試

1）檢查機(jī)械料斗周邊情況，不能有卡蹭、橫頂、傾斜等情況，保證三個(gè)傳感器均勻垂直受力，傳感器線路沒(méi)有破皮，開(kāi)線情況。儀表柜內(nèi)端子緊固，不出現(xiàn)脫落情況。

2）低壓配電室合閘總開(kāi)關(guān)，不出現(xiàn)短路情況，電筆測(cè)量15 個(gè)儀表柜內(nèi)分閘開(kāi)關(guān)是否上火帶點(diǎn)。

3）依次對(duì)15 臺(tái)秤進(jìn)行分閘合閘，觀察二次表運(yùn)行情況，接線盒紅燈是否亮起。

4）按照說(shuō)明書(shū)設(shè)置稱重系統(tǒng)基本參數(shù)包括計(jì)量單位、小數(shù)點(diǎn)位數(shù)、料稱模式等等。

5）開(kāi)啟傳感器識(shí)別功能，設(shè)置三個(gè)傳感器模式，觀察內(nèi)碼值，調(diào)整傳感器受力狀態(tài)。

6）用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力器配合千斤頂對(duì)料斗進(jìn)行加壓，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力器顯示的重量值進(jìn)行標(biāo)定，反復(fù)幾次，觀察顯示值與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力器的數(shù)值，應(yīng)當(dāng)相差不大。

7）校秤完成之后，觀察二次表顯示數(shù)值與上位PLC 計(jì)算機(jī)顯示數(shù)值是否一致，由于PLC 上位機(jī)程序未更新，所以只能收到模擬量信號(hào)，待數(shù)據(jù)采集程序更新后就可以接收數(shù)字量信號(hào)[5]。

4.3 改造創(chuàng)新點(diǎn)與舊設(shè)備的回收利用

新型的數(shù)字化稱重系統(tǒng)不再使用模擬量作為系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，同時(shí)由于新型儀表外殼的保護(hù)大大減少了因外界客觀因素與傳輸距離遠(yuǎn)而導(dǎo)致的模擬信號(hào)衰減對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，保證了數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性[4]。消除了儀表內(nèi)部因素導(dǎo)致的PLC與儀表不對(duì)應(yīng)，大大減少了高爐操作崗位的工作量與儀控人員的工作量。

提出了全新的維護(hù)方案，在原來(lái)的模擬系統(tǒng)中如果因?yàn)閭鞲衅鞒霈F(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)，至少需要2 h 左右的時(shí)間來(lái)檢查與更換傳感器，并且在更換完成之后需要重新校準(zhǔn)，期間料斗無(wú)法使用，很容易造成高爐趕料。數(shù)字化的稱量系統(tǒng)能夠支持維護(hù)人員臨時(shí)甩開(kāi)壞掉的傳感器，并且手動(dòng)修正或者自動(dòng)修正參數(shù)，以達(dá)到滿足高爐使用且計(jì)量相對(duì)準(zhǔn)確的生產(chǎn)條件，給維護(hù)人員充足的時(shí)間進(jìn)行維修。

邯寶煉鐵廠2 號(hào)高爐由于沒(méi)有合適機(jī)會(huì)進(jìn)行改造，所以1 號(hào)高爐改造完成之后，拆除的所有舊型號(hào)設(shè)備全部可作為備件供給2 號(hào)高爐使用，由于參數(shù)設(shè)置完全一樣，所以幾乎可以直接上電使用，減少了由于參數(shù)設(shè)置帶來(lái)的維修時(shí)間。

4.4 改造完成效果

根據(jù)往年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2020 年初到2022 年初，邯寶煉鐵廠1 號(hào)高爐槽下15 臺(tái)料斗秤的平均故障時(shí)長(zhǎng)大概為每月1.3 h，多數(shù)原因?yàn)閭鞲衅鲹p壞或二次表?yè)p壞，偶爾出現(xiàn)電磁信號(hào)干擾的軟故障現(xiàn)象。

自2022 年3 月份邯寶1 號(hào)高爐大修結(jié)束后，將近6 個(gè)月的時(shí)間未出現(xiàn)一次因傳感器損壞或者二次表?yè)p壞的現(xiàn)象，在定期的校秤當(dāng)中也更加簡(jiǎn)單高效。通過(guò)與工藝人員溝通后發(fā)現(xiàn)，新的數(shù)字系統(tǒng)無(wú)論是從數(shù)值跟蹤還是回零次數(shù)都明顯優(yōu)于原本的系統(tǒng)。所以通過(guò)對(duì)高爐槽下稱重系統(tǒng)的數(shù)字化改造，大幅度地降低了故障率，進(jìn)而節(jié)省了人力時(shí)間成本與設(shè)備成本，確保了計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，這種改造方式適用于多傳感器稱重的系統(tǒng)中，使模擬傳感器也能具有一定的數(shù)字化傳感器功能，可以廣泛地應(yīng)用于高爐生產(chǎn)體系的靜態(tài)秤中。

5 結(jié)語(yǔ)

在高爐生產(chǎn)的過(guò)程中，槽下的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，槽下稱重系統(tǒng)計(jì)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到高爐上料的狀態(tài)，所以降低稱重系統(tǒng)的故障率、維修時(shí)間、設(shè)備損壞率，提高稱重系統(tǒng)的穩(wěn)定性、計(jì)量精確度、使用壽命是設(shè)備維護(hù)人員要解決的重要問(wèn)題。通過(guò)本次改造基本上解決以上提出的難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)于高爐穩(wěn)定出鐵有著重大的幫助，具有廣泛的研究與推廣價(jià)值。