連鑄智能潤滑及在線監測系統的設計與實現

劉 松，周建輝，周卓鎖

（1.中冶京誠工程技術有限公司，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節，是煉鋼和軋制的關鍵紐帶，直接決定了鋼材的產量和成本質量[1]。而連鑄設備又是連鑄生產線的核心，其能否健康運行不僅直接影響企業生產節奏，而且對生產的產品質量同樣意義重大。

連鑄設備集中潤滑點多、分散、管線長，現場條件惡劣，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，堵塞管線或使軸承卡死等現象。從而使連鑄機干油集中潤滑系統無法正常工作，不僅影響連鑄生產的穩定性，對設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，對連鑄生產線傳統的集中潤滑系統進行了改進，融合現代控制技術、傳感器技術、計算機技術、工業互聯網技術為一體，設計了連鑄生產線智能潤滑及在線監測系統，可實現精確的油量控制、定時潤滑和遠程監控，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，對連鑄生產線潤滑系統的智能化提升具有借鑒意義。

圖1 傳統單線潤滑系統功能架構圖Fig.1 Functional architecture of traditional single line lubrication system

1 連鑄機設備特點及傳統潤滑系統存在的弊端

1.1 連鑄機設備特點

連鑄生產線主要是將液態鋼水通過一系列工藝處理轉化為固態板坯，前承接轉爐精煉工序，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節，對整個公司生產至關重要[3]。

連鑄生產線的設備按照功能區域劃分主要包括：平臺區設備、拉坯矯直區設備、出坯區設備，其中最為關鍵的設備為拉坯矯直區域內的扇形段。

其設備的主要特點如下[4]：

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

2）工作環境溫度高。在整個澆注過程中，中間罐內鋼水的溫度通常在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效應，通常驅動輥軸承的工作溫度也高達120℃以上。

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

4）潤滑點多，管路復雜。目前，大多數連鑄機采用多點連續矯直，扇形段采用的小輥徑密排輥的型式，導致潤滑點增多，同時管路敷設極為復雜。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輥，一個扇形段的潤滑點就多達64 個，總共連鑄機區扇形段的潤滑點就達2800 個，要達到每個潤滑點都潤滑到位，其設計、施工及后續維護工作難度極大。

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

1.2 連鑄傳統單線集中潤滑系統存在的弊端

1.2.1 傳統單線集中潤滑系統工作原理

傳統單線潤滑系統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采集供油信息和報警信號后傳輸到泵站控制箱，實現供油量數據和故障信息的記錄。

1.2.2 傳統單線集中潤滑系統存在的弊端

1）前期安裝施工比較復雜。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，潤滑支管路敷設極為復雜，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工作。受設備安裝空間限制，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。系統一旦安裝完畢，需要新增潤滑點時，需對原有系統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先設定的，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 智能雙線潤滑系統功能架構Fig.2 Function architecture of intelligent double line lubrication system

2 連鑄智能潤滑系統設計

2.1 智能潤滑系統特點

針對連鑄機設備的關鍵特點以及傳統潤滑系統在使用維護過程中存在的弊端，新設計的智能潤滑系統主要具備如下特點：

1）采用帶無線傳輸的智能雙線分配器，可直接安裝到連鑄機設備本體，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，不受系統壓力影響，循環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，可實現故障自檢功能，并能區分內部和外部故障，方便用戶檢查維護。可滿足長期潮濕、噴淋、粉塵、高溫使用的穩定需求。

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測，無線監控避免了大面積布線和人工排查故障，實現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，杜絕傳統橡膠密封式指示桿的漏油現象，改善現場環境，降低火災隱患，避免漏油對現場環境和設備的污染。

5）本地采集，無線發送，云端監控。通過先進通訊技術的加持，能實現現場多個區域合并，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，多個區域可分別實現對應本系統的設備潤滑需求。

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

圖3 現場多區域部署示意圖Fig.3 Schematic diagram of field multi area deployment

7） 利用先進的通訊系統實現本地或者異地的多系統合并管理，軟件設計帶有擴展模塊，可以擴展設定廠區、廠房、設備，輸入設備圖紙可實現圖形化管理。

2.2 智能潤滑系統方案及配置

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

當智能潤滑系統開始工作時，即由控制系統通過預設達到補脂條件時，由控制系統控制電動潤滑泵啟動，同時電磁換向閥開始往復動作，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動活塞實現對每個潤滑點的額定計量補脂，智能模塊對分配器內部的所有活塞動作軌跡和動作壓力進行監測并通過無線傳輸進行信息上報。當供油量達到設定值后，控制系統發出指令，對應的支管活塞處于停滯狀態，補油過程結束。

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控，還可以對故障情況進行預測，為維護人員提供必要的故障預警提示，方便維護人員進行預先處理。

智能雙線潤滑系統具體組成及配置如圖3 所示。

1）機旁控制系統。機旁控制系統為潤滑系統的調度中心，其主要功能為：根據內置程序或者遠程指令程序指揮所屬區域的所有潤滑點以何種頻率、方式加油，并上報自身設備的各種細節信息。

2）供油系統。供油系統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的潤滑脂輸送設備，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行機構，作為智能潤滑系統的關鍵核心工作部件，其增加了無線通訊數據模塊，配合機旁控制系統與監測系統可實現活塞位置可視化、供油量監測、故障預報警等重要功能。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，泵站繼續升壓，分配器會通過并聯原理確保持續高壓作用到剩余潤滑點，系統調試時分配器每個對應潤滑點供油壓力不低于10Mpa。通過限制內部活塞的行程，可分別調節分配器每個出口實現不同的加注油量。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發射到無線基站。

4）分區閥組。分區閥組是管路上的控制機構，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，輸送潤滑脂的通路。在考慮連鑄機主要設備扇形段所處的高溫、高濕的環境因素下，潤滑管線與接頭均采用不銹鋼材質，等級不低于304。

6）無線基站。無線基站是所處區域內所有設備的通訊基站，負責接收、轉發信息到指定路徑，同時把自檢信息上報服務器。確保采用的無線方式是經論證的、可靠的，不會對現場精密設備產生干擾，同時自身不會被其它信號干擾。

7）云端服務器軟件。云端服務器軟件是整個系統的核心，其主要功能為：對機旁控制箱、無線基站、無線智能分配器發送上來的信息進行處理分析，根據程序對處理后的信息下發到控制箱、無線基站、無線智能分配器進行交互確認，并在軟件內進行記錄、分析、判斷，生成報告、預警、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測系統設計

為了更好地輔助智能潤滑系統工作，對智能潤滑在線監測系統進行了設計，用以提升智能潤滑系統的自檢測、自執行、自適應的智能化水平，同時增加整體系統的數據可視化，便于后期生產維護。

3.1 系統網絡設計

在對智能潤滑在線監測系統的網絡系統進行設計時，充分考慮了無線通信技術與工業互聯網技術的應用，為后續系統的可擴展性與先進性做好充分準備。主要提供兩種應用方案，如圖4 所示。

1）基于工業互聯網技術的方案

圖4 智能潤滑系統網絡方案圖Fig.4 Network scheme of intelligent lubrication system

該方案將所有智能分配器采集到的數據，通過無線數據通信模塊發送至通訊基站，再由通訊基站發送給布置在公有云端的云服務器，在線監控系統的應用軟件布置在云端服務器中，最終用戶可以通過相應的移動終端及工作站，通過互聯網以Web 發布的型式對潤滑系統的運行狀況進行實時的監測。

2）基于本地服務器的方案

該方案主要考慮到用戶對數據保密性要求比較高的因素，采用本地服務器代替方案一中的云端服務器，所有的應用軟件及數據都存貯在本地服務其中，與互聯網相對隔離，充分保證了數據的安全性，最終用戶可以通過相應的移動終端及工作站，通過內部局域網的型式對潤滑系統的運行狀況進行實時的監測。

3.2 系統功能設計

1）狀態監控

該在線監測系統最基本的功能就是在線的狀態監控功能，可以通過系統對供油系統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控，對各分配器的運行狀況及環節狀況進行監測，同時還可以對整個系統網絡的運行情況進行實時監控。

2）測點管理

該功能可實現對每一個潤滑點的相關加油量、周圍環節的溫濕度、通道工作細節進行數據記錄及查詢，同時提供輸入窗口，可實現對每一個通道進行補油時間設定。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）數據報表

系統提供強大的數據報表功能，可根據時間、事件、類型等條件，進行各種組合查詢和統計，并生成相應的報表。同時，報表的呈現型式也很多樣，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，在線監測系統提供報警記錄功能，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、設備代碼、報警類別、所在地點、發生與結束時間、持續時間、具體報警內容等。

4 結語

針對連鑄機設備工作時間長、環境溫度濕度大、潤滑點密集的特點，研究并總結了傳動單線潤滑系統在運行維護過程中存在的弊端，設計的新型智能潤滑系統及在線監測系統，有效地實現了潤滑系統自動定量的補油、各潤滑點狀態可視化、潤滑設備自診斷等功能，對于提升設備潤滑效率，降低維護人員勞動強度發揮了重要的作用。同時，新一代無線通訊技術以及工業互聯網技術在系統設計中的應用，也為后續如何在冶金行業的更多領域實現智能化提升，產生了借鑒意義。