料斗稱重系統的數字化改造和故障智能診斷

李仁華,王偉兵

(河鋼集團邯鄲分公司,河北 邯鄲 056001)

0 引言

在鋼鐵冶煉生產過程中，物料配比是控制各種物理、化學反應過程的重要手段。料斗秤以其結構簡單、稱量精度高、運行穩定的特點而被廣泛應用。高爐煉鐵、轉爐煉鋼過程中，焦炭、礦石等的稱量都使用了料斗秤，以實現對鐵水、鋼水成分的精確控制。隨著數字化、網絡化技術的發展，數字化稱重檢測技術在冶金生產中得到了廣泛應用。數字化技術的應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。本文對料斗秤的數字化改造方法、故障診斷智能化進行探討。

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]。稱重系統結構如圖 1 所示。

圖1 稱重系統結構圖

稱重料斗由鋼結構組成，具有一定的強度，在盛放物料后不會產生形變，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生變化，惠斯通電橋橋臂阻值產生不平衡。

測量系統原理如圖2所示。

圖2 測量系統原理圖

在勵磁電壓(+EXC /-EXC)的作用下，系統輸出與被稱量物料的重量成正比關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后傳送到稱重變送單元。在稱重變送單元內，電壓信號經放大、模數 (anlolog/digital，A/D)轉換和處理電路轉換成相應的信號并顯示，同時輸出相對應的 4～20 mA DC 標準電流信號[3-4]。

2 數字化料斗秤的測量原理

數字化料斗秤的基本結構與料斗秤相同，只是對傳感器、稱重變送器等測量回路進行了數字化改造。測量回路的數字化改造方法有2種：①直接采用整體型數字式智能稱重傳感器替代模擬傳感器；②采用模擬傳感器+數字接線盒的方式[5-8]。

2.1 數字式傳感器替代模擬傳感器

整體型數字式智能稱重傳感器是在傳感器內部安裝放大、濾波、A/D轉換、微處理器芯片和溫度敏感元件等組成的數字處理電路，利用微處理器芯片中的軟件實施各項數字補償工藝，進行綜合性能測試和檢定，并采用電子束焊或激光焊進行密封。每臺整體型數字式智能稱重傳感器通過總線與稱重變送器串聯，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。數字傳感器稱重系統原理如圖3所示[9-10]。

圖3 數字傳感器稱重系統原理圖

2.2 模擬傳感器+數字接線盒的方式

數字化接線盒是將原先放置在稱重傳感器內部的A/D轉換數字處理電路集中安裝在1個接線盒內。將普通的模擬式稱重傳感器接入數字接線盒后，數字接線盒對每個傳感器的信號分別進行放大、A/D轉換和轉換處理，數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字接線盒的模式稱為模塊化數字稱重傳感器系統。它既保留了模擬式稱重傳感器的綜合性能指標，又具備整體型數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轉換電路的工作環境。數字接線盒稱重系統原理如圖4所示。

圖4 數字化接線盒稱重系統原理圖

2.3 數字化料斗秤的優點

數字化料斗秤的優點如下。

①產生、處理和存儲數字信號容易，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，可用計數高達1 000 000，且準確度高、穩定性好。

③信號抗外部射頻干擾和電磁干擾能力強，傳輸距離遠，通?？蛇_150 m,附加電源后可超過600 m。

④可采用軟件運算方法調整四角誤差，利用數字系統實現自校準，安裝、調試、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，可進行無砝碼標定。利用數字稱重系統軟件，輸入各稱重傳感器的標定參數，即可保證料斗秤的稱量準確度和可靠性。

⑥數字稱重變送器可以通過通信接口輸出豐富的參數信息。輸出參數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。

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、料斗與基礎或機械限位堵塞卡蹭。

②稱量誤差大。造成這一現象的主要原因有：勵磁電壓不穩、傳感器故障、線路虛接、料斗與基礎或機械限位堵塞卡蹭[11]。

③卸載后顯示不回零。造成這一現象的主要原因有：傳感器性能改變(滯后，零飄等)，料斗與基礎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，可以快速進行故障原因診斷。

④替代法。針對用測量比較法不能準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]。

數字化料斗秤的故障診斷可以直接通過對數值的觀察進行分析。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，有效排除顯示漂移、稱量誤差大、卸載后不回零等故障；通過觀察角差參數值，可以判斷料斗卡蹭的具體位置；通過觀察勵磁電壓參數值，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輸出的，無法對每個傳感器進行診斷。而采用數字化料斗秤，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。這樣，維護人員對料斗秤設備的掌控能力大大增強，可以保證設備穩定和控制精度。另一方面，數字化改造后，設備的狀態數據信息量會明顯增加。這也為智能故障診斷系統開發奠定了數據基礎。因此，在煉鋼轉爐進行料斗秤的數字化改造勢在必行。

4.2 方案的實施

料斗秤網絡配置如圖5所示[12-13]。

圖5 料斗秤網絡配置圖

料斗秤數字化改造在3個轉爐實施，共計21臺料斗秤儀表通過Profibus-Dp網絡連接到西門子系統。具體配置以1號轉爐為例。

4.3 智能故障診斷系統開發

數字化料斗秤的稱重變送單元通過Profibus-DP總線協議與控制系統建立數據通信。Profibus-DP 網絡是1個主站/從站(Master/ Slaver)網絡。其中：控制系統配置為主站；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，控制系統具有總線控制權，周期性(1 s)地讀取稱重變送器的參數信息。數據通信由主站和從站進行監控?？刂葡到y從數字化稱重變送器讀取的參數如表1所示。

在PLC控制系統中應用C腳本語言，通過對數字化料斗秤參數、工藝過程參數相結合的綜合專家規則邏輯，判斷開發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。在發生稱重測量過程異常時，無論是工藝操作人員還是設備維護人員都能及時、準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。診斷程序調用的稱量系統參數以表1數據為例。如表2所示的工藝設備狀態參數從PLC控制系統中調用。

表1 數字化稱重變送器輸出的參數

表2 工藝設備參數

4.4 應用效果

PLC通過網絡讀取儀表中的傳感器狀態信息。工程師對其進行編程以實現各類報警，并將其顯示和記錄在上位機系統中。

通過狀態異常報警，工程師可及時發現傳感器的異常狀態并進行處理，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量控制的精準度。同時，維護工程師通過狀態的數據積累，可進一步研究其劣化趨勢；通過歷史數據分析,可為設備的預維護提供依據，使得設備運行更加穩定、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 結論

本文通過煉鋼料斗秤數字化、網絡化改造，實現了對料斗秤每個傳感器參數的實時采集。每臺料斗秤對應的現場儀表中的皮重、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。根據這些信息，操作人員對料斗秤整體工作狀態進行評價。通過故障診斷程序的開發，實現了稱重異常提醒和故障處理智能引導。數字化稱重系統的應用可以及時發現稱量系統異常并報警，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量事故；通過報警提示，還能協助維護人員縮短故障診斷時間、提高工作效率。