基于PSoC芯片的粗軋機(jī)組扭矩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　軋機(jī)是軋鋼廠的核心設(shè)備之一，其工作效率及設(shè)備的可靠性直接決定了企業(yè)的生產(chǎn)能力。軋機(jī)傳動(dòng)軸作為軋機(jī)的重要關(guān)鍵部件，其斷裂或破壞等故障直接影響了生產(chǎn)的進(jìn)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(shè)備與其工作載荷的矛盾日趨明顯;同時(shí)，在軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中，由于其特殊的工藝制度，如粗軋R1、R2為可逆式軋機(jī)，需要頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)，同時(shí)軋件的突然咬入和拋出等都會(huì)引起軋機(jī)負(fù)荷的突然變化，形成一定的破壞能力。國(guó)內(nèi)諸多鋼鐵企業(yè)曾多次發(fā)生過(guò)軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)萬(wàn)向接軸斷裂等重大事故，嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)。由于缺乏相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法判斷事故發(fā)生時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本狀態(tài)，給事故原因的查找及控制帶來(lái)困難，更談不上對(duì)事故的預(yù)警和對(duì)主傳動(dòng)軸的壽命預(yù)估。

　　軋機(jī)傳動(dòng)軸發(fā)生破壞的原因較多，用一般的負(fù)荷和強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算往往難以解析;研究表明，這類破壞大多與傳動(dòng)軸扭振有關(guān)。軋機(jī)機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)在生產(chǎn)中是否產(chǎn)生扭振，扭振放大系數(shù)達(dá)到多少，是否產(chǎn)生破壞性諧振，這是生產(chǎn)和設(shè)備安全亟待解決的問(wèn)題。鑒于該情況，為了從根本上避免軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)事故的發(fā)生，提高設(shè)備的作業(yè)率，對(duì)軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩實(shí)施在線監(jiān)測(cè)和分析，使操作人員在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指導(dǎo)下科學(xué)的操作，就具有重要的實(shí)際意義。

　　軋機(jī)的傳動(dòng)軸扭矩和扭振與軋制工藝參數(shù)密切相關(guān)，本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)扭矩的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與分析，得到軋制過(guò)程中每道次扭矩的最大值、最小值和平均值等，并通過(guò)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析，建立軋制力矩預(yù)報(bào)模型，將理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值進(jìn)行比較，從而優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，提高軋制節(jié)奏，擴(kuò)大產(chǎn)能，保護(hù)設(shè)備安全，提高設(shè)備的完好率。

　　粗軋機(jī)組扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

　　2.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象與測(cè)點(diǎn)布置

　　本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象為機(jī)組傳動(dòng)軸扭矩。主要測(cè)試內(nèi)容有：

　　R1、R2主傳動(dòng)軸扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)向;

　　工藝量(包括軋制力P、主電機(jī)電流、鋼卷號(hào)、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(cè)對(duì)象中，主傳動(dòng)軸扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)向這4個(gè)對(duì)象為實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)信號(hào)，8個(gè)工藝量信號(hào)為系統(tǒng)輔助信號(hào)。

　　扭矩測(cè)點(diǎn)選在上、下萬(wàn)向接軸上(圖1)。在傳動(dòng)軸上沿與軸線成45°方向按圖2所示粘貼4片電阻應(yīng)變片，并按圖3所示組成全橋測(cè)試電路，電橋信號(hào)經(jīng)無(wú)線遙測(cè)裝置、嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用網(wǎng)線傳送到服務(wù)器。粗軋機(jī)組扭矩監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表1所示?！　?/p>

　　表1 線粗軋機(jī)組扭矩監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

　　2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　2.2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件連接示意圖如圖4所示。

　　考慮到現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，整個(gè)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(jī)和R2軋機(jī)附近，扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、軋制力這4個(gè)實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)入嵌入式采集模塊，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)網(wǎng)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷服務(wù)器上;每臺(tái)軋機(jī)的6個(gè)工藝量輔助信號(hào)從工廠PLC中讀出后也進(jìn)入服務(wù)器，信號(hào)采用電量隔離傳感器與工廠原有系統(tǒng)隔離。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷服務(wù)器則可放置到粗軋機(jī)的控制室內(nèi)。

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

　　安裝時(shí)無(wú)需對(duì)軸體進(jìn)行改造和拆解;

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

　　數(shù)字式遙測(cè)設(shè)計(jì)抑制噪聲和干擾;

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

　　粗軋機(jī)組扭矩遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件配置及設(shè)備清單如表2和表3所示。

表2 扭矩遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要硬件配置清單

表3 服務(wù)器、交換機(jī)、電腦等

　　2.2.3 軟件系統(tǒng)主要功能

　　在對(duì)粗軋機(jī)組傳動(dòng)軸扭矩監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，擬合形成有針對(duì)性的軋制力矩?cái)?shù)學(xué)模型，以此進(jìn)行軋制力矩預(yù)報(bào)，并將理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，優(yōu)化軋制工藝參數(shù)。

　　軋制工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)工藝編制，提高軋制節(jié)奏，擴(kuò)大產(chǎn)能;同時(shí)也可以降低軋制力，保護(hù)設(shè)備的同時(shí)，也起到了節(jié)能降耗的作用。

　　系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及分析和軋機(jī)基本工作狀態(tài)及其分析的功能。通過(guò)指定IP訪問(wèn)扭矩監(jiān)測(cè)網(wǎng)頁(yè)。軟件系統(tǒng)主要功能有：

　　實(shí)時(shí)顯示扭矩的波形、峰值，均值及扭矩放大系數(shù)(TAF)。

　　給出軋機(jī)當(dāng)前的主要工藝參數(shù)及其板坯的基本信息。

　　扭矩峰值超標(biāo)報(bào)警。

　　給出扭矩峰值、均值及TAF的變化趨勢(shì)圖。

　　根據(jù)軋制力矩計(jì)算模型進(jìn)行軋制力矩預(yù)報(bào)，并將理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。

　　評(píng)估軋機(jī)的基本工作狀態(tài)。

　　為軋機(jī)的軋制工藝方案的編制提供一定的指導(dǎo)建議。

　　報(bào)表輸出功能。

　　2.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

　　狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)接口擬采用SQL Server。軟件設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)插件技術(shù)，可以方便地對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行瀏覽和維護(hù)。對(duì)于需要儲(chǔ)存管理的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)以下幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)：

　　常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)：又分為特征值數(shù)據(jù)庫(kù)和文本數(shù)據(jù)庫(kù)。其中特征值數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)定時(shí)保存軋制過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行全面的分析和狀態(tài)追溯。

　　報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)：也分為特征值數(shù)據(jù)庫(kù)和文本數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)超限報(bào)警時(shí)，保存所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及特征數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)存滿時(shí)，可自動(dòng)備份。

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