鑄造起重機在線監測系統的應用

梁志剛，郝元林，張曉冬，范輝

（河鋼唐鋼設備機動部，河北唐山，063000）

液體鑄造起重機是轉爐車間生產的關鍵設備，其負責材料吊裝和運輸，主要運輸的材料包括鋼水、鐵水，十分適合在高溫、多灰塵的環境中使用。環境溫度夏天車間最高溫度高達55～60℃，加料跨鑄造起重機兌鐵時轉爐爐口上方起重機承受溫度可達80～120℃,工作級別高，一旦發生事故，容易造成較大或嚴重后果。隨著現代生產對安全，環保的要求越來越高，傳統設備檢修方式難以適應其要求，如何更安全有效的保障鑄造吊的穩定運行成為一個不可回避的課題，在線監測系統是一種新興的設備管理解決方案，該設備可以及時檢測車間內部的裝置運行，利用監控系統及時分析設備的運行情況，可通過定時或者是間斷連續的方式實現自動化運行。檢測人可以通過該設備同步監視被監設備。本系統提供一套基于云端管理的完整解決方案。云端系統的特點如下。第一是可以讓設備長期處于監控環境，可以連續不斷地記錄各個參數如溫度、壓力、流量和磨損量等，讓設備處于安全的運行狀態，出現問題時候也可以及時報警，并采集較多的故障信息，以便了解故障的現象和問題發生情況。第二是可以及時更新系統的歷史數據庫和報警信息庫，操作人員可以利用互聯網裝置及時追溯信息，了解報警設備和故障的情況，進而分析故障的形成原因，影響范圍，制定新的應對計劃；第三是利用網絡途徑實現信息遠程診斷和及時分析、研究，減少故障風險。

1 450 噸液體鑄造起重機電控監測系統

通過對鑄造起重機控制系統電控信號的實時采集，監測設備動作信號。并將數據傳輸到工廠數據庫，通過工廠數據庫實現與在線監測數據管理平臺的實時通信，通過對450 噸液體鑄造起重機電控監測系統數據分析，服務于設備維護人員。

2 450 噸液體鑄造起重機鋼絲繩在線監測系統

通過使用鋼絲繩探傷儀可實時顯示鋼絲繩內部的斷絲、腐蝕、磨損、金屬截面積變化的定量數值，提出診斷報告和解決方案，實現對鋼絲繩探傷的快速診斷。并將數據傳輸到工廠數據庫，通過工廠數據庫實現與在線監測數據管理平臺的實時通信，通過對450噸液體鑄造起重機鋼絲繩無損檢測，服務于設備維護人員。提供分析服務.

■2.1 監測內容概述

每部450T 天車主起升機構有2 個卷筒，每個卷筒上有2 根鋼絲繩，每根鋼絲繩又有一個定滑輪組，每個定滑輪組上有6 個定滑輪，要求傳感器安裝于行車滾筒旁的平臺上，每個定滑輪組上安裝一個傳感器。

如圖1 所示：K=dL/dδ=N2μS0/(2ξ)[1]激勵源可以是直流電源也可以是交流電源,線圈A 和線圈B 產生的磁力線大小相等但是方向相反(因為A、B 線圈的匝數是一樣的)，所以在C 線圈產生的感生電動勢應當為零，無論鋼絲繩抖動還是移動，C 線圈的輸出都為零，當鋼絲繩有缺陷通過時,如圖所示:首先經過A 線圈，A 線圈的磁通量就會發生變化，此時磁通平衡被打破，C 線圈當中產生感應電動勢+ε；同理，當缺陷經過線圈B 時，引起B 線圈磁通量的變化，C 線圈中產生出感生電動勢-ε，無論鋼絲繩內部缺陷還是外部缺陷都會引起磁通量的變化，進而及時且有效地分析信息問題。所以測量靈敏度非常高。此外，該原理還能克服鋼絲繩抖動對傷損測量的影響并且實現鋼絲繩內部斷絲和外部斷絲的等同測量。

圖1 傳感器原理

圖2 為該方案單機系統結構圖。該方案包括：探傷傳感器組、控制分站、通訊協議轉換站、上位工控機、上位機軟件等。無線網絡負責將天車上的傳感器信號傳輸給接收器。

圖2

該網絡采用ZigBee 協議，該協議是一種關于短距離傳輸的無線通訊協議，類似藍牙。ZigBee 技術本質上是一種速率比較低的雙向無線網絡技術，其由IEEE.802.15.4 無線標準開發而來，擁有低復雜度和短距離以及低成本和低功耗等優點。其使用了2.4GHz 頻段，這個標準定義了ZigBee技術在IEEE.802.15.4 標準媒體上支持的應用服務。發射功率高達19dBm 以及接收靈敏度達-99dBm 的保證了模塊的穿墻能力和超過3.3 公里的視距通信距離（無障礙情況下）。

■2.2 檢測系統設計

傳感器安裝于行車滾筒旁的平臺上，如圖3 所示。控制分站裝于傳感器旁邊。通訊協議轉換分站（以下簡稱協議分站）放置于車間監控室外（距離傳感器安裝平臺40米左右，之間不宜有明顯遮擋物）。工控計算機放置于車間監控室內。協議分站與工控計算機之間通過電纜連接。控制分站采集到傳感器信號，通過無線通訊傳輸給協議分站，協議分站將無線信號轉成CAN信號并傳輸給上位工控機。工控機軟件對數據進行分析、判斷、顯示、存儲、報警等工作。

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探傷傳感器、信號采集單元、信號處理單元、電源指示單元。傳感器通過信號采集單元采集到鋼絲繩的缺陷，再通過信號處理單元把它轉化為高精度可用數字信號，輸出給控制分站，每臺天車有四根鋼絲繩，如果每根鋼絲繩配備1臺傳感器，則一臺天車共配備4 臺傳感器。如果每根鋼絲繩配備2 臺傳感器，則一臺天車共配備8 臺傳感器。經現場與甲方技術員測量計算：每根鋼絲繩配備1 臺傳感器，鋼絲繩的檢測盲區在25%，如果每根鋼絲繩配備2 臺傳感器，鋼絲繩的檢測盲區在10%。但成本增加50%，數據量增加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據處理及通訊模塊、無線發送模塊組成。該分站主要實現系統供電、系統控制電源的開斷、以及數據處理和通訊功能。數據處理及通訊模塊主要完成接收多個傳感器組傳來的信號，處理打包通過無線發送模塊傳輸給協議分站。

2.3.3 速度傳感器

速度傳感器安裝于行車滾筒旁的平臺上，用于測量起重機鋼絲繩的運行速度。用于鋼絲繩缺陷定位。

2.3.4 通訊協議轉換分站

由控制電源、通訊協議轉換模塊組成。控制電源給通訊協議轉換模塊供電；通訊協議轉換模塊負責接收控制分站的無線信號，再把無線信號轉換為CAN 接口信號,傳輸給計算機。

2.3.5 上位工控計算機站

由專用機柜、工控計算機、專用鋼絲繩數據處理軟件等組成。作用為采集處理數據、顯示圖形、存儲數據、分析判斷缺陷類型、生成檢測報告等。每套系統配備一套該計算機站。每臺計算機都預留出后臺接口，方便用戶的集成系統接入。

2.3.6 軟件

系統軟件設計由下位機軟件設計和上位機軟件 設計組成[2]。圖4 為該系統軟件主界面，其主要實現的功能有：實時波形顯示、實時損傷判斷、數據存儲、報告生成及打印、數據回看等。

圖4

■2.4 監測系統功能要求

（1）采用最新的磁平衡技術對鋼絲繩進行各種陷的綜合性檢測。

（2）能準確測量內部斷絲。

（3）能測量股谷處的斷絲（谷部斷絲可能表示鋼絲繩內部有損壞）：當在一個捻距內發現斷絲處對于2 時，系統可以自動報警。

（4）能對1 個捻距內斷絲斷面積進行累加計算并與鋼絲繩總斷面積進行比較，比值大于等于5%（報警限值可以人為設置）時可以自動報警。

（5）能定性檢測各種變形，如波浪形、籠狀畸變、繩芯或繩股擠出/扭曲等。

（6）可以自動進行計算斷絲的增加率，估算出鋼絲繩疲勞壽命。

（7）鋼絲繩損壞程度綜合評定功能：累加評定鋼絲繩局部的單項損傷程度，并且綜合評定其剩余承載能力。

（8）缺陷智能查找功能：利用計算機信息系統找到檢測對象的缺陷；傳感器感受到信息后可以自動停止鋼絲繩運行，同時也有助于信息監測和及時修復。

（9）對鋼絲繩全天實時自動監測也可以每日、每周、每月的日常定期檢測，并及時提供完整的損傷檢測報告（每次檢測完自動生成檢測報告）。

圖5 鋼絲繩實時檢測報告趨勢圖

（10）對實現的損傷情況實時報警，并可設置報警值。

（11）能夠可以評估鋼絲繩的承載能力，安全系數，使用壽命，歷史數據可以保存5 年以上。

（12）遠程停機起機：當進行遠程操作時，軟件運行，系統自動上電，當軟件運行停止時，系統可以自動斷電。

（13）自動停機功能：系統可以根據用戶需要，在鋼絲繩損傷嚴重時，切斷電機供電電源，讓鋼絲繩停止運行，從而保證生產安全。

（14）檢測圖形數據可通過Internet 遠傳至生產廠(必須在聯網的情況下)。

■2.5 主要技術指標

（1）傳感器精度：金屬的有效截面積損失百分量測量的最大誤差≤萬分之三。

圖6 鋼絲繩檢測報告數據圖

（2）局部損傷（LF）檢測靈敏度：檢測斷絲的靈敏度為鋼絲繩橫截面積的0.5%（包括磨損斷絲、過載斷絲、疲勞斷絲、銹蝕斷絲、剪切斷絲）。

（3）金屬橫截面積損失（LMA)檢測靈敏度：數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小）檢測靈敏度：檢測靈敏度為鋼絲繩公稱直徑的3%。

（5）適用繩徑：φ16-φ80 mm。

（6）持續檢測繩長：≥3000m。

（7）傳感器與鋼絲繩允許相對速度：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、433 模塊無線通訊。

（10）傳輸距離：2Km（有障礙物物時不小于1Km）；

（11）設備使用環境

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

（12）外殼防護等級：IP54。

3 450 噸液體鑄造起重機減速機溫度在線監測系統

通過對鑄造起重機減速機溫度的實時檢測，形成溫度趨勢曲線，同時將數據傳輸到工廠數據庫，實現與在線監測數據管理平臺的實時通信。

（1）每臺減速機高速軸輸入、輸出端各設置一個測溫點，每臺減速機2 個高速軸、共計4 個測點。光纖光柵溫度在線監測的實現方式是將光纖溫度傳感器 直接粘在被測點，實時感知被測點表面因溫度變化引起的波長變化，傳感器經傳輸光纜匯聚到光纖分路盒與解調儀連接，解 調儀將光纜傳送的光信號轉化為溫度信號后可在終端軟件實 現數據處理、故障診斷、報警及控制[3]。

（2）傳感器安裝于減速機箱體軸承位處，采用螺栓固定。

測量溫度范圍：-20～200℃；

測量精度：B 級 精度為（0.3+0.005＊|t|）攝氏度，其中|t|為實際溫度的絕對值。

（3）通訊要求（不低于下述要求）

采用433MHz 無線傳輸通訊方式

頻率：433MHz (433～437.5MHz)ISM 頻段；發射功率：20dBm，100mW；接收靈敏度：-117dBm；傳輸距離：2Km（有障礙物物時不小于1Km）；通信速率：1200-115200bps。

4 450 鑄造起重機減速機振動檢測

通過采集設備在運行過程中產生的振動、轉速等信號，進行數據處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在計算機屏幕上顯示。根據起重機運行狀態的不同，分工況進行數據采集，運行穩定狀態下的數據全部連續采集，連續提取特征量，不間斷的進行幅值趨勢分析，得到設備狀態評估所需數據；完成設備故障的報警、狀態監測分析和診斷。設備在線振動監測分析模塊要與河鋼樂亭設備在線監測數據管理平臺實現實時信息交互。提供與在線振動監測模塊同等服務。

5 結束語

目前在線監測系統在我國設備管理中需求量非常大，大數據、多功能、智能化是主要發展方向，因此跟隨先進設備不斷更新的自動檢測技術，才會使得在線監測更加優化，以減少管理維護，降低運行成本，提高運行效率，這樣必然會受到更為廣大的工業生產中受到廣泛應用。