基于PSoC芯片的粗軋機組扭矩在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　　軋機是軋鋼廠的核心設備之一，其工作效率及設備的可靠性直接決定了企業(yè)的生產(chǎn)能力。軋機傳動軸作為軋機的重要關鍵部件，其斷裂或破壞等故障直接影響了生產(chǎn)的進行，造成的損失巨大。

　　隨著軋制速度和產(chǎn)量的不斷增加，使得軋制設備與其工作載荷的矛盾日趨明顯;同時，在軋鋼生產(chǎn)過程中，由于其特殊的工藝制度，如粗軋R1、R2為可逆式軋機，需要頻繁的啟動和制動，同時軋件的突然咬入和拋出等都會引起軋機負荷的突然變化，形成一定的破壞能力。國內(nèi)諸多鋼鐵企業(yè)曾多次發(fā)生過軋機主傳動系統(tǒng)萬向接軸斷裂等重大事故，嚴重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)。由于缺乏相應的監(jiān)測手段，無法判斷事故發(fā)生時主傳動系統(tǒng)的基本狀態(tài)，給事故原因的查找及控制帶來困難，更談不上對事故的預警和對主傳動軸的壽命預估。

　　軋機傳動軸發(fā)生破壞的原因較多，用一般的負荷和強度設計計算往往難以解析;研究表明，這類破壞大多與傳動軸扭振有關。軋機機組主傳動系統(tǒng)在生產(chǎn)中是否產(chǎn)生扭振，扭振放大系數(shù)達到多少，是否產(chǎn)生破壞性諧振，這是生產(chǎn)和設備安全亟待解決的問題。鑒于該情況，為了從根本上避免軋機主傳動系統(tǒng)事故的發(fā)生，提高設備的作業(yè)率，對軋機主傳動系統(tǒng)的扭矩實施在線監(jiān)測和分析，使操作人員在監(jiān)測系統(tǒng)的指導下科學的操作，就具有重要的實際意義。

　　軋機的傳動軸扭矩和扭振與軋制工藝參數(shù)密切相關，本項目通過對扭矩的測試信號進行在線監(jiān)測與分析，得到軋制過程中每道次扭矩的最大值、最小值和平均值等，并通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論分析，建立軋制力矩預報模型，將理論計算值與實際測試值進行比較，從而優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，提高軋制節(jié)奏，擴大產(chǎn)能，保護設備安全，提高設備的完好率。

　　粗軋機組扭矩監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

　　2.1 監(jiān)測對象與測點布置

　　本系統(tǒng)監(jiān)測對象為機組傳動軸扭矩。主要測試內(nèi)容有：

　　R1、R2主傳動軸扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)向;

　　工藝量(包括軋制力P、主電機電流、鋼卷號、軋制道次、材質(zhì)、板坯尺寸、出爐溫度、R1和R2出口溫度、入口和出口厚度、各溫度下的等)。

　　以上監(jiān)測對象中，主傳動軸扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)向這4個對象為實時同步監(jiān)測信號，8個工藝量信號為系統(tǒng)輔助信號。

　　扭矩測點選在上、下萬向接軸上(圖1)。在傳動軸上沿與軸線成45°方向按圖2所示粘貼4片電阻應變片，并按圖3所示組成全橋測試電路，電橋信號經(jīng)無線遙測裝置、嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用網(wǎng)線傳送到服務器。粗軋機組扭矩監(jiān)測點統(tǒng)計如表1所示?！　?/p>

　　表1 線粗軋機組扭矩監(jiān)測點統(tǒng)計表

　　2.2 系統(tǒng)總體設計方案

　　2.2.1 系統(tǒng)總體結構

　　系統(tǒng)總體結構及硬件連接示意圖如圖4所示。

　　考慮到現(xiàn)場的特點，整個系統(tǒng)前端采用嵌入式采集模塊，采集模塊分別安裝在R1軋機和R2軋機附近，扭矩、電機轉(zhuǎn)速、電流、軋制力這4個實時同步監(jiān)測信號進入嵌入式采集模塊，經(jīng)過處理后通過網(wǎng)線傳輸?shù)竭h程監(jiān)測與診斷服務器上;每臺軋機的6個工藝量輔助信號從工廠PLC中讀出后也進入服務器，信號采用電量隔離傳感器與工廠原有系統(tǒng)隔離。遠程監(jiān)測與診斷服務器則可放置到粗軋機的控制室內(nèi)。

　　系統(tǒng)主要硬件為TT Revolution在線遙測系統(tǒng)。TT Revolution 在線遙測系統(tǒng)可同時輸出軸的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)向四種4～20mA信號，適用于對軸進行長時間監(jiān)測。系統(tǒng)由兩部分組成：旋轉(zhuǎn)的軸環(huán)(內(nèi)置發(fā)射機)與軸上的應變傳感器連接，不旋轉(zhuǎn)的主控機(帶電源)輸出信號。軸環(huán)直徑根據(jù)被測軸尺寸確定。其主要特點：

　　安裝時無需對軸體進行改造和拆解;

　　非接觸式感應電源和數(shù)據(jù)傳輸避免因長期使用導致的表面磨損;

　　數(shù)字式遙測設計抑制噪聲和干擾;

　　自診斷功能可通過發(fā)光二極管顯示錯誤類型。　　2.2.2 硬件系統(tǒng)配置

　　粗軋機組扭矩遠程監(jiān)測系統(tǒng)硬件配置及設備清單如表2和表3所示。

表2 扭矩遠程監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件配置清單

表3 服務器、交換機、電腦等

　　2.2.3 軟件系統(tǒng)主要功能

　　在對粗軋機組傳動軸扭矩監(jiān)測的基礎上，可以根據(jù)實測結果，擬合形成有針對性的軋制力矩數(shù)學模型，以此進行軋制力矩預報，并將理論計算值與現(xiàn)場實測值進行比較，優(yōu)化軋制工藝參數(shù)。

　　軋制工藝參數(shù)優(yōu)化結果可以用來指導工藝編制，提高軋制節(jié)奏，擴大產(chǎn)能;同時也可以降低軋制力，保護設備的同時，也起到了節(jié)能降耗的作用。

　　系統(tǒng)具有遠程監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)處理及分析和軋機基本工作狀態(tài)及其分析的功能。通過指定IP訪問扭矩監(jiān)測網(wǎng)頁。軟件系統(tǒng)主要功能有：

　　實時顯示扭矩的波形、峰值，均值及扭矩放大系數(shù)(TAF)。

　　給出軋機當前的主要工藝參數(shù)及其板坯的基本信息。

　　扭矩峰值超標報警。

　　給出扭矩峰值、均值及TAF的變化趨勢圖。

　　根據(jù)軋制力矩計算模型進行軋制力矩預報，并將理論計算值與實測值進行比較。

　　評估軋機的基本工作狀態(tài)。

　　為軋機的軋制工藝方案的編制提供一定的指導建議。

　　報表輸出功能。

　　2.2.4 數(shù)據(jù)庫設計

　　狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫接口擬采用SQL Server。軟件設計中采用標準插件技術，可以方便地對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行瀏覽和維護。對于需要儲存管理的數(shù)據(jù)設計以下幾個數(shù)據(jù)庫：

　　常規(guī)數(shù)據(jù)庫：又分為特征值數(shù)據(jù)庫和文本數(shù)據(jù)庫。其中特征值數(shù)據(jù)庫保存扭矩的峰值、均值、TAF值等，以及軋制力的峰值和均值;文本數(shù)據(jù)庫定時保存軋制過程中的實時數(shù)據(jù)，便于進行全面的分析和狀態(tài)追溯。

　　報警數(shù)據(jù)庫：也分為特征值數(shù)據(jù)庫和文本數(shù)據(jù)庫。當超限報警時，保存所有實時數(shù)據(jù)以及特征數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫存滿時，可自動備份。

　　以上各數(shù)據(jù)庫，文件命名時采用時間格式“年月日時分秒”，以方便管理和查詢。