李仁華,王偉兵

(河鋼集團邯鄲分公司,河北 邯鄲 056001)

0 引言

在鋼鐵冶煉生產(chǎn)過程中，物料配比是控制各種物理、化學(xué)反應(yīng)過程的重要手段。料斗秤以其結(jié)構(gòu)簡單、稱量精度高、運行穩(wěn)定的特點而被廣泛應(yīng)用。高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，焦炭、礦石等的稱量都使用了料斗秤，以實現(xiàn)對鐵水、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)用為提高稱量檢測精度和故障診斷智能化水平奠定了堅實的基礎(chǔ)。本文對料斗秤的數(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量原理

料斗秤由稱重料斗、機械限位、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，具有一定的強度，在盛放物料后不會產(chǎn)生形變，并可將物料重量全部傳遞到R1、R2、R3這3臺稱重傳感器上。傳感器的彈性體受力形變帶動貼片電阻值發(fā)生變化，惠斯通電橋橋臂阻值產(chǎn)生不平衡。

測量系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)原理圖

在勵磁電壓(+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(+SIG /-SIG )。3臺傳感器的輸出的電壓信號并聯(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)的信號并顯示，同時輸出相對應(yīng)的 4～20 mA DC 標(biāo)準(zhǔn)電流信號[3-4]。

2 數(shù)字化料斗秤的測量原理

數(shù)字化料斗秤的基本結(jié)構(gòu)與料斗秤相同，只是對傳感器、稱重變送器等測量回路進(jìn)行了數(shù)字化改造。測量回路的數(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施各項數(shù)字補償工藝，進(jìn)行綜合性能測試和檢定，并采用電子束焊或激光焊進(jìn)行密封。每臺整體型數(shù)字式智能稱重傳感器通過總線與稱重變送器串聯(lián)，由稱重變送器向傳感器提供勵磁電壓和接收傳感器輸出的、與受力相對應(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)字接線盒對每個傳感器的信號分別進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換處理，數(shù)字接線盒將每臺傳感器測量的重量和料斗秤的總重量以數(shù)字信號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和功能，同時改善了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

數(shù)字化料斗秤的優(yōu)點如下。

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

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

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

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

⑤對大量程的電子衡器和無法加掛砝碼的稱重裝置，可進(jìn)行無砝碼標(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 料斗秤的常見故障及診斷方法

3.1 料斗秤的常見故障

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：勵磁電壓電源故障、線路故障、傳感器故障、料斗與基礎(chǔ)或機械限位堵塞卡蹭。

②稱量誤差大。造成這一現(xiàn)象的主要原因有：勵磁電壓不穩(wěn)、傳感器故障、線路虛接、料斗與基礎(chǔ)或機械限位堵塞卡蹭[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)有無雜物堵塞、料斗秤體與機械限位有無卡蹭、線路有無損傷、稱重傳感器有無傾斜。通過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測量比較法。首先，用萬用表測試2根信號輸出線之間及供橋電壓輸入線之間的電阻值以及信號輸出線、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，測量每個傳感器在空載、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，測量勵磁電壓值是否正常，判斷稱重變送器勵磁電源或線路故障。通過測量比較法，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。稱重變送器有勵磁電源故障、信號開路、信號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。針對用測量比較法不能準(zhǔn)確判斷具體故障部件的問題，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對數(shù)值的觀察進(jìn)行分析。通過觀察稱重顯示器上的各個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；通過觀察角差參數(shù)值，可以判斷料斗卡蹭的具體位置；通過觀察勵磁電壓參數(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，有效減少判斷時間。

4 料斗秤數(shù)字化改造實施

4.1 方案的確定

通過對圖2～圖4的分析可知，模擬料斗秤是多個稱重傳感器并聯(lián)輸出的，無法對每個傳感器進(jìn)行診斷。而采用數(shù)字化料斗秤，多個稱重傳感器是分路輸出的，每個傳感器都有單獨的信號送到控制系統(tǒng)。這樣，維護人員對料斗秤設(shè)備的掌控能力大大增強，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)信息量會明顯增加。這也為智能故障診斷系統(tǒng)開發(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)字化改造勢在必行。

4.2 方案的實施

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個轉(zhuǎn)爐實施，共計21臺料斗秤儀表通過Profibus-Dp網(wǎng)絡(luò)連接到西門子系統(tǒng)。具體配置以1號轉(zhuǎn)爐為例。

4.3 智能故障診斷系統(tǒng)開發(fā)

數(shù)字化料斗秤的稱重變送單元通過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。控制系統(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腳本語言，通過對數(shù)字化料斗秤參數(shù)、工藝過程參數(shù)相結(jié)合的綜合專家規(guī)則邏輯，判斷開發(fā)故障診斷程序和趨勢分析圖，在操作人機界面上以聲光報警、信息提示的方式呈現(xiàn)。在發(fā)生稱重測量過程異常時，無論是工藝操作人員還是設(shè)備維護人員都能及時、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時間。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通過網(wǎng)絡(luò)讀取儀表中的傳感器狀態(tài)信息。工程師對其進(jìn)行編程以實現(xiàn)各類報警，并將其顯示和記錄在上位機系統(tǒng)中。

通過狀態(tài)異常報警，工程師可及時發(fā)現(xiàn)傳感器的異常狀態(tài)并進(jìn)行處理，杜絕了測量異常而引起長時間的合金料計量誤差和配料誤差，確保了成本核算和質(zhì)量控制的精準(zhǔn)度。同時，維護工程師通過狀態(tài)的數(shù)據(jù)積累，可進(jìn)一步研究其劣化趨勢；通過歷史數(shù)據(jù)分析,可為設(shè)備的預(yù)維護提供依據(jù)，使得設(shè)備運行更加穩(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

本文通過煉鋼料斗秤數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化改造，實現(xiàn)了對料斗秤每個傳感器參數(shù)的實時采集。每臺料斗秤對應(yīng)的現(xiàn)場儀表中的皮重、毛重、凈重及單只傳感器的稱重值都直觀地顯示在人機界面上。根據(jù)這些信息，操作人員對料斗秤整體工作狀態(tài)進(jìn)行評價。通過故障診斷程序的開發(fā)，實現(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)用可以及時發(fā)現(xiàn)稱量系統(tǒng)異常并報警，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；通過報警提示，還能協(xié)助維護人員縮短故障診斷時間、提高工作效率。