铸造起重机在线监测系统的应用

梁志刚，郝元林，张晓冬，范辉

（河钢唐钢设备机动部，河北唐山，063000）

液体铸造起重机是转炉车间生产的关键设备，其负责材料吊装和运输，主要运输的材料包括钢水、铁水，十分适合在高温、多灰尘的环境中使用。环境温度夏天车间最高温度高达55～60℃，加料跨铸造起重机兑铁时转炉炉口上方起重机承受温度可达80～120℃,工作级别高，一旦发生事故，容易造成较大或严重后果。随着现代生产对安全，环保的要求越来越高，传统设备检修方式难以适应其要求，如何更安全有效的保障铸造吊的稳定运行成为一个不可回避的课题，在线监测系统是一种新兴的设备管理解决方案，该设备可以及时检测车间内部的装置运行，利用监控系统及时分析设备的运行情况，可通过定时或者是间断连续的方式实现自动化运行。检测人可以通过该设备同步监视被监设备。本系统提供一套基于云端管理的完整解决方案。云端系统的特点如下。第一是可以让设备长期处于监控环境，可以连续不断地记录各个参数如温度、压力、流量和磨损量等，让设备处于安全的运行状态，出现问题时候也可以及时报警，并采集较多的故障信息，以便了解故障的现象和问题发生情况。第二是可以及时更新系统的历史数据库和报警信息库，操作人员可以利用互联网装置及时追溯信息，了解报警设备和故障的情况，进而分析故障的形成原因，影响范围，制定新的应对计划；第三是利用网络途径实现信息远程诊断和及时分析、研究，减少故障风险。

1 450 吨液体铸造起重机电控监测系统

通过对铸造起重机控制系统电控信号的实时采集，监测设备动作信号。并将数据传输到工厂数据库，通过工厂数据库实现与在线监测数据管理平台的实时通信，通过对450 吨液体铸造起重机电控监测系统数据分析，服务于设备维护人员。

2 450 吨液体铸造起重机钢丝绳在线监测系统

通过使用钢丝绳探伤仪可实时显示钢丝绳内部的断丝、腐蚀、磨损、金属截面积变化的定量数值，提出诊断报告和解决方案，实现对钢丝绳探伤的快速诊断。并将数据传输到工厂数据库，通过工厂数据库实现与在线监测数据管理平台的实时通信，通过对450吨液体铸造起重机钢丝绳无损检测，服务于设备维护人员。提供分析服务.

■2.1 监测内容概述

每部450T 天车主起升机构有2 个卷筒，每个卷筒上有2 根钢丝绳，每根钢丝绳又有一个定滑轮组，每个定滑轮组上有6 个定滑轮，要求传感器安装于行车滚筒旁的平台上，每个定滑轮组上安装一个传感器。

如图1 所示：K=dL/dδ=N2μS0/(2ξ)[1]激励源可以是直流电源也可以是交流电源,线圈A 和线圈B 产生的磁力线大小相等但是方向相反(因为A、B 线圈的匝数是一样的)，所以在C 线圈产生的感生电动势应当为零，无论钢丝绳抖动还是移动，C 线圈的输出都为零，当钢丝绳有缺陷通过时,如图所示:首先经过A 线圈，A 线圈的磁通量就会发生变化，此时磁通平衡被打破，C 线圈当中产生感应电动势+ε；同理，当缺陷经过线圈B 时，引起B 线圈磁通量的变化，C 线圈中产生出感生电动势-ε，无论钢丝绳内部缺陷还是外部缺陷都会引起磁通量的变化，进而及时且有效地分析信息问题。所以测量灵敏度非常高。此外，该原理还能克服钢丝绳抖动对伤损测量的影响并且实现钢丝绳内部断丝和外部断丝的等同测量。

图1 传感器原理

图2 为该方案单机系统结构图。该方案包括：探伤传感器组、控制分站、通讯协议转换站、上位工控机、上位机软件等。无线网络负责将天车上的传感器信号传输给接收器。

图2

该网络采用ZigBee 协议，该协议是一种关于短距离传输的无线通讯协议，类似蓝牙。ZigBee 技术本质上是一种速率比较低的双向无线网络技术，其由IEEE.802.15.4 无线标准开发而来，拥有低复杂度和短距离以及低成本和低功耗等优点。其使用了2.4GHz 频段，这个标准定义了ZigBee技术在IEEE.802.15.4 标准媒体上支持的应用服务。发射功率高达19dBm 以及接收灵敏度达-99dBm 的保证了模块的穿墙能力和超过3.3 公里的视距通信距离（无障碍情况下）。

■2.2 检测系统设计

传感器安装于行车滚筒旁的平台上，如图3 所示。控制分站装于传感器旁边。通讯协议转换分站（以下简称协议分站）放置于车间监控室外（距离传感器安装平台40米左右，之间不宜有明显遮挡物）。工控计算机放置于车间监控室内。协议分站与工控计算机之间通过电缆连接。控制分站采集到传感器信号，通过无线通讯传输给协议分站，协议分站将无线信号转成CAN信号并传输给上位工控机。工控机软件对数据进行分析、判断、显示、存储、报警等工作。

图3

■2.3 组成部分描述

2.3.1 探伤传感器组

传感器组集成了多个探伤传感器、信号采集单元、信号处理单元、电源指示单元。传感器通过信号采集单元采集到钢丝绳的缺陷，再通过信号处理单元把它转化为高精度可用数字信号，输出给控制分站，每台天车有四根钢丝绳，如果每根钢丝绳配备1台传感器，则一台天车共配备4 台传感器。如果每根钢丝绳配备2 台传感器，则一台天车共配备8 台传感器。经现场与甲方技术员测量计算：每根钢丝绳配备1 台传感器，钢丝绳的检测盲区在25%，如果每根钢丝绳配备2 台传感器，钢丝绳的检测盲区在10%。但成本增加50%，数据量增加50%。

2.3.2 控制分站

控制分站由控制电源、电源伺服模块以及数据处理及通讯模块、无线发送模块组成。该分站主要实现系统供电、系统控制电源的开断、以及数据处理和通讯功能。数据处理及通讯模块主要完成接收多个传感器组传来的信号，处理打包通过无线发送模块传输给协议分站。

2.3.3 速度传感器

速度传感器安装于行车滚筒旁的平台上，用于测量起重机钢丝绳的运行速度。用于钢丝绳缺陷定位。

2.3.4 通讯协议转换分站

由控制电源、通讯协议转换模块组成。控制电源给通讯协议转换模块供电；通讯协议转换模块负责接收控制分站的无线信号，再把无线信号转换为CAN 接口信号,传输给计算机。

2.3.5 上位工控计算机站

由专用机柜、工控计算机、专用钢丝绳数据处理软件等组成。作用为采集处理数据、显示图形、存储数据、分析判断缺陷类型、生成检测报告等。每套系统配备一套该计算机站。每台计算机都预留出后台接口，方便用户的集成系统接入。

2.3.6 软件

系统软件设计由下位机软件设计和上位机软件 设计组成[2]。图4 为该系统软件主界面，其主要实现的功能有：实时波形显示、实时损伤判断、数据存储、报告生成及打印、数据回看等。

图4

■2.4 监测系统功能要求

（1）采用最新的磁平衡技术对钢丝绳进行各种陷的综合性检测。

（2）能准确测量内部断丝。

（3）能测量股谷处的断丝（谷部断丝可能表示钢丝绳内部有损坏）：当在一个捻距内发现断丝处对于2 时，系统可以自动报警。

（4）能对1 个捻距内断丝断面积进行累加计算并与钢丝绳总断面积进行比较，比值大于等于5%（报警限值可以人为设置）时可以自动报警。

（5）能定性检测各种变形，如波浪形、笼状畸变、绳芯或绳股挤出/扭曲等。

（6）可以自动进行计算断丝的增加率，估算出钢丝绳疲劳寿命。

（7）钢丝绳损坏程度综合评定功能：累加评定钢丝绳局部的单项损伤程度，并且综合评定其剩余承载能力。

（8）缺陷智能查找功能：利用计算机信息系统找到检测对象的缺陷；传感器感受到信息后可以自动停止钢丝绳运行，同时也有助于信息监测和及时修复。

（9）对钢丝绳全天实时自动监测也可以每日、每周、每月的日常定期检测，并及时提供完整的损伤检测报告（每次检测完自动生成检测报告）。

图5 钢丝绳实时检测报告趋势图

（10）对实现的损伤情况实时报警，并可设置报警值。

（11）能够可以评估钢丝绳的承载能力，安全系数，使用寿命，历史数据可以保存5 年以上。

（12）远程停机起机：当进行远程操作时，软件运行，系统自动上电，当软件运行停止时，系统可以自动断电。

（13）自动停机功能：系统可以根据用户需要，在钢丝绳损伤严重时，切断电机供电电源，让钢丝绳停止运行，从而保证生产安全。

（14）检测图形数据可通过Internet 远传至生产厂(必须在联网的情况下)。

■2.5 主要技术指标

（1）传感器精度：金属的有效截面积损失百分量测量的最大误差≤万分之三。

图6 钢丝绳检测报告数据图

（2）局部损伤（LF）检测灵敏度：检测断丝的灵敏度为钢丝绳横截面积的0.5%（包括磨损断丝、过载断丝、疲劳断丝、锈蚀断丝、剪切断丝）。

（3）金属横截面积损失（LMA)检测灵敏度：数值为钢丝绳横截面积的1%。

（4）直径减小或局部增大（包括磨损所致的绳径减小）检测灵敏度：检测灵敏度为钢丝绳公称直径的3%。

（5）适用绳径：φ16-φ80 mm。

（6）持续检测绳长：≥3000m。

（7）传感器与钢丝绳允许相对速度：0.1-20m/s。

（8）传感器与钢丝绳允许间隙：10-50mm。

（9）通讯方式：CAN 总线、以太网、433 模块无线通讯。

（10）传输距离：2Km（有障碍物物时不小于1Km）；

（11）设备使用环境

a.检测探头耐高温度范围：+70℃～+125℃；b..计算机工作温度范围：0℃～+45℃；c 检测探头工作湿度范围：0～95%RH；d.计算机工作湿度范围：0～50% RH；e.电源：100V-240V,50Hz。

（12）外壳防护等级：IP54。

3 450 吨液体铸造起重机减速机温度在线监测系统

通过对铸造起重机减速机温度的实时检测，形成温度趋势曲线，同时将数据传输到工厂数据库，实现与在线监测数据管理平台的实时通信。

（1）每台减速机高速轴输入、输出端各设置一个测温点，每台减速机2 个高速轴、共计4 个测点。光纤光栅温度在线监测的实现方式是将光纤温度传感器 直接粘在被测点，实时感知被测点表面因温度变化引起的波长变化，传感器经传输光缆汇聚到光纤分路盒与解调仪连接，解 调仪将光缆传送的光信号转化为温度信号后可在终端软件实 现数据处理、故障诊断、报警及控制[3]。

（2）传感器安装于减速机箱体轴承位处，采用螺栓固定。

测量温度范围：-20～200℃；

测量精度：B 级 精度为（0.3+0.005＊|t|）摄氏度，其中|t|为实际温度的绝对值。

（3）通讯要求（不低于下述要求）

采用433MHz 无线传输通讯方式

频率：433MHz (433～437.5MHz)ISM 频段；发射功率：20dBm，100mW；接收灵敏度：-117dBm；传输距离：2Km（有障碍物物时不小于1Km）；通信速率：1200-115200bps。

4 450 铸造起重机减速机振动检测

通过采集设备在运行过程中产生的振动、转速等信号，进行数据处理、分析，以图形、图表、曲线等直观的方式在计算机屏幕上显示。根据起重机运行状态的不同，分工况进行数据采集，运行稳定状态下的数据全部连续采集，连续提取特征量，不间断的进行幅值趋势分析，得到设备状态评估所需数据；完成设备故障的报警、状态监测分析和诊断。设备在线振动监测分析模块要与河钢乐亭设备在线监测数据管理平台实现实时信息交互。提供与在线振动监测模块同等服务。

5 结束语

目前在线监测系统在我国设备管理中需求量非常大，大数据、多功能、智能化是主要发展方向，因此跟随先进设备不断更新的自动检测技术，才会使得在线监测更加优化，以减少管理维护，降低运行成本，提高运行效率，这样必然会受到更为广大的工业生产中受到广泛应用。