基于PSoC芯片的粗軋機組扭矩在線監測系統的設計與實現

　　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的生產能力。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的進行，造成的損失巨大。

　　隨著軋制速度和產量的不斷增加，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。國內諸多鋼鐵企業曾多次發生過軋機主傳動系統萬向接軸斷裂等重大事故，嚴重影響了企業的正常生產。由于缺乏相應的監測手段，無法判斷事故發生時主傳動系統的基本狀態，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在生產中是否產生扭振，扭振放大系數達到多少，是否產生破壞性諧振，這是生產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事故的發生，提高設備的作業率，對軋機主傳動系統的扭矩實施在線監測和分析，使操作人員在監測系統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密切相關，本項目通過對扭矩的測試信號進行在線監測與分析，得到軋制過程中每道次扭矩的最大值、最小值和平均值等，并通過在線監測數據和理論分析，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，從而優化軋制工藝參數，提高軋制節奏，擴大產能，保護設備安全，提高設備的完好率。

　　粗軋機組扭矩監測系統開發

　　2.1 監測對象與測點布置

　　本系統監測對象為機組傳動軸扭矩。主要測試內容有：

　　R1、R2主傳動軸扭矩、轉速、功率、轉向;

　　工藝量(包括軋制力P、主電機電流、鋼卷號、軋制道次、材質、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)。

　　以上監測對象中，主傳動軸扭矩、轉速、功率、轉向這4個對象為實時同步監測信號，8個工藝量信號為系統輔助信號。

　　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，電橋信號經無線遙測裝置、嵌入式數據采集系統用網線傳送到服務器。粗軋機組扭矩監測點統計如表1所示。　　

　　表1 線粗軋機組扭矩監測點統計表

　　2.2 系統總體設計方案

　　2.2.1 系統總體結構

　　系統總體結構及硬件連接示意圖如圖4所示。

　　考慮到現場的特點，整個系統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、電機轉速、電流、軋制力這4個實時同步監測信號進入嵌入式采集模塊，經過處理后通過網線傳輸到遠程監測與診斷服務器上;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隔離。遠程監測與診斷服務器則可放置到粗軋機的控制室內。

　　系統主要硬件為TT Revolution在線遙測系統。TT Revolution 在線遙測系統可同時輸出軸的扭矩、轉速、功率和轉向四種4～20mA信號，適用于對軸進行長時間監測。系統由兩部分組成：旋轉的軸環(內置發射機)與軸上的應變傳感器連接，不旋轉的主控機(帶電源)輸出信號。軸環直徑根據被測軸尺寸確定。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據傳輸避免因長期使用導致的表面磨損;

　　數字式遙測設計抑制噪聲和干擾;

　　自診斷功能可通過發光二極管顯示錯誤類型。　　2.2.2 硬件系統配置

　　粗軋機組扭矩遠程監測系統硬件配置及設備清單如表2和表3所示。

表2 扭矩遠程監測系統主要硬件配置清單

表3 服務器、交換機、電腦等

　　2.2.3 軟件系統主要功能

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

　　軋制工藝參數優化結果可以用來指導工藝編制，提高軋制節奏，擴大產能;同時也可以降低軋制力，保護設備的同時，也起到了節能降耗的作用。

　　系統具有遠程監測、實時數據處理及分析和軋機基本工作狀態及其分析的功能。通過指定IP訪問扭矩監測網頁。軟件系統主要功能有：

　　實時顯示扭矩的波形、峰值，均值及扭矩放大系數(TAF)。

　　給出軋機當前的主要工藝參數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。

　　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 數據庫設計

　　狀態監測與診斷系統的數據庫接口擬采用SQL Server。軟件設計中采用標準插件技術，可以方便地對系統數據庫進行瀏覽和維護。對于需要儲存管理的數據設計以下幾個數據庫：

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

　　報警數據庫：也分為特征值數據庫和文本數據庫。當超限報警時，保存所有實時數據以及特征數據。數據庫存滿時，可自動備份。

　　以上各數據庫，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。