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    高頻雷達物位計與高清監控、RFID 定位技術組合的設計應用

    作者: 來源: 發布時間:2017-07-21 11:29:48

     摘 要 原有的轉爐散裝料系統是純手動操作,設計基于 PLC 系統的無人值守自動控制系統,將高頻雷達物位計、高清監控和 RFID 定位技術有效組合,實現料位的準確連續檢測和料倉的精確可靠定位,zui終達到無人值守功能,從而提高企業的生產效率,減員增效。

     
    引言
             煉鋼轉爐散裝料系統即上料系統由自卸汽車運至地下受料槽,并按不同品種分別卸入各個料槽內儲存;供料時通過電動扇形閥把物料給到1# 皮帶機經 1# 轉運站至 2# 皮帶機,再經 2# 轉運站至 3# 皮帶機提升段至 30 米主廠房平臺上的 3# 皮帶機水平段,然后由卸料小車按不同品種卸入爐頂料倉。
     
             系統長期工作于高溫、粉塵、水蒸汽的惡劣環境之下,傳統控制模式有兩個缺點,一是設備防塵等級較低、線路復雜,因而故障率高并且難排除,尤其是普通的定位和料位系統經常誤動作;二是每次上料操作工都需先到 30 米平臺目測各高位料倉料的存貯量,根據存貯量確定是否需加料,手動移卸料小車給需加料的倉加料并人工監督到料倉滿為止,這時若皮帶沒及時停止或操作工對料位估計不準會導致料溢出,造成浪費原材料和人工清理料。因此工人基本純手動操作,勞動強度高,不利于崗位合并。為簡化操作步驟,提高自動化水平,改善操作工的工作環境和降低其勞動強度,在每個高位料倉上安裝高頻雷達物位計實現料倉內料位的連續準確檢測,每個料倉口安裝無線射頻 RFID 定位裝置實現料倉的精確可靠定位,從地下受料槽至 30 米平臺共安裝 20 套監控,監控中心安裝于上料主控室,所有操作在主控室完成,通過查看監控和料位數據來開關閥門和確定高位料倉是否進料,通過RFID 定位裝置將卸料小車準確定位到需加料的料倉口,實現遠程控制和崗位合并,該項技術已在福建三安鋼鐵有限公司煉鋼廠成功應用。
     
    1 控制系統規劃
             地下受料槽和 30 米平臺操作崗位合并到上料主控室,操作工根據電腦顯示器上的料位、卸料小車位置、皮帶啟停信號和閥位信號等進行上料。上料系統zui終用戶是生產線上各個區域的設備和生產工藝系統,為了實現轉爐上料無人值守,必須把獨立的上料系統設備進行分解組成一個個從站:一路從站由 1#2# 皮帶操作箱和 8 個地下受料槽操作箱組成,第二路從站由 1 個小車定位箱和 1 臺西門子 MM440 變頻器組成,第三路從站由 3# 皮帶操作箱和 3 個料位儀表箱組成,這三路從站通過西門子 profibus DP 總線經中繼后傳給 PLC 進行分析處理。整個上料控制系統由上述三路從站、1 臺觸摸屏連接到 PLC 柜網卡、1 個由西門子 CPU315-2DP 及 CP343-1 組成的 300PLC 主站和視頻監控組成,自動控制系統的網絡拓撲結構見圖一。為了實現整個轉爐系統信息共享,轉爐本體 PLC 與轉爐上料系統PLC 通過工業以太網聯接,網絡介質采用單模光纖,交換雙方需要的數據。
    控制系統網絡拓撲結構圖
    2 硬件設備設計和選型配置
             為實現轉爐散裝料系統集中遠程操控,保證上料和設備安全,硬件設備必須合理設計和選型。
     
    2.1 高頻雷達物位計測量原理見圖 2 和核心部件模塊
    高頻雷達物位計安裝測量圖
    圖 2 高頻雷達物位計測量原理示意圖和注釋

    ① 時間 1 :產生初始脈沖

    ② 時間 2 :沿喇叭天線向下行進,速度 C (光速)

    ③ 時間 3 :脈沖遇到介質表面發生反射

    ④ 時間 4 :反射脈沖被接收,并被處理器記錄

    ⑤ 脈沖信號從被發射到被接收之間的時間差 T , 與基準面到介

    質表面的距離 D 成正比:空高 D=C×T/2 ,料高 = 量程 A- 空高 D

    ⑥ 測量的基準面是法蘭的密封面

    ⑦ A: 量程 B: 低位 C: 滿位 D: 盲區

    ⑧ 運行時,保證zui高料位不能進入測量盲區 D

             通過天線發射極窄且能量很低的微波脈沖信號,這個脈沖信號以光速在空間傳輸,遇到被測介質發生反射,反射信號被儀表接收,發射脈沖信號與接收脈沖信號的時間間隔與基準面到被測介質表面的距離成正比,通過測量發射與接收的時間間隔來實現天線至介質表面距離測量,信號送 PLC,在多粉塵場合也能穩定測量。雷達物位計面板上有 4 個按鍵,通過 4 個按鍵可對其進行調試,按 OK 鍵進入編程狀態,用QQ截圖20170721113439.jpg鍵移動箭頭選擇回波曲線按 OK 鍵確認;按QQ截圖20170721113444.jpg鍵移動起始點至所需位置按 OK 鍵確認,連續按BK 鍵退到運行狀態。
     
             弱磁模塊好壞判斷:顯示屏如一直處于開機啟動界面不能進入測量狀態則模塊損壞;如顯示屏不能點亮,將電流表串聯至電路內,查看 1 分鐘內的電流變化情況,通電后電流應該從 4mA慢慢漲至 22mA,過 30 秒后電流應該變當前料位值對應電流,則模塊完好顯示屏損壞,否則模塊損壞。
     
    2.2 RFID 無線射頻識別技術
             散裝料系統采用圖爾克 Blident 系列非接觸的 RFID 無線射頻自動識別技術,其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性,實現對被識別物品的自動識別。射頻識別系統由 tag 載碼體和 reader 讀碼器兩個部分組成。電子載碼體附著在被識別物體表面或內部,當帶有載碼體的被識別物品通過其識別范圍時,讀碼器自動以無接觸的方式將載碼體中的約定識別信息取出來,實現自動識別物品或者自動收集物品標志信息的功能。
     
             BLident 系列無線射頻由載碼體、讀寫頭、連接件與網關組成。2M12MT-2RFID-S 網關模塊裝在卸料小車遠程箱,該網關模塊防護等級為IP69,用于讀寫頭的 RFID 通道接口有 2 個,讀寫頭通過連接件連接到網關,本系統采用TNLR-Q80-H1147 讀寫頭掛在該網關模塊的RFID 通道 1 接口上,RFID 網關模塊的兩個通道在 PLC 中的地址映射見表 1。當讀寫頭靠近載碼體時,載碼體上的信息通過讀寫頭與網關,經西門子 profibus dp 總線協議傳給 PLC 分析處理 [2] 。將網關模塊組進 PLC 的硬件組態中,其組態地址位 IW100~IW122,QW100~QW122。接通讀寫頭后,首先應激活 Q100.7 控制讀寫頭的 PowerOn / Power Off 將其置 1 完成讀寫頭的激活。再次進行初始化,Q100.0 控制讀寫頭的 Reset 將其置 1 后置 0 來完成初始化操作,從而實現料倉的精確可靠定位。
    RFID 網關模塊的輸入 / 輸出數據映射
    2.3 監控設計
    從地下受料槽→3 條皮帶頭尾→30 米平臺每個爐區域左右兩邊安裝抗粉塵高清攝像頭,所有視頻圖像通過交換機、千兆光纖收發器和單模光纖集中到上料主控室顯示器上實時清晰顯示。
     
    3 動控制系統軟件設計
    3.1 卸料小車工作原理程序設計見圖 3 即程序段 5~10,倉位信號傳輸到 PLC 進行處理,由變頻器來控制卸料小車啟停,同時結合料位數據和監控圖像達到轉爐自動上料的目的。讀寫頭讀到的倉位為當前倉位,畫面給定倉位為目標倉位,根據兩者的差值,來判斷小車的速度與前進方向。當選擇倉位小于當前倉位時小車正向行駛,當選擇倉位大于當前倉位時小車逆向行駛。當倉位差大于 2 時小車高速,當倉位差等于±2時小車中速,當倉位差等于±1 時小車低速,當倉位差等于 0 時小車 0 速。
    0170721113606.jpg
    3.2 高頻雷達物位計參數編程
    選用弱磁模塊和帶萬向節的雷達物位計,萬向法蘭傾斜角度為喇叭口盡量垂直料倉底部斜面,遠離出料口方向,氣源調節為 4Kg,實現深 4 米寬
     
    1 米不規則超小料倉的料位準確連續檢測,參數編程如下:
             3 座爐的 1#3#4#6#7#8# 不規則傾斜倉參數為低位 4m,高位 0.5m,物料性質固體,物料快速變化是,首波選擇正常,堆角大是,阻尼時間10s,量程設定 4.5m,盲區范圍 0.5m,顯示內容為料高;2#5# 不規則倉不規則料首波選擇稍強,阻尼時間 15s,其它參數與其它倉一樣。
     
    3.3 寫入碼值
             三座轉爐的倉位定位見表 2,每個倉對應三個倉位,2 為停車位,1、3 為減速位。選擇轉爐的某個倉位,則目標倉位值為該倉位的停車位。
     
             在 PLC 中將 M500.2 置 1 后,可進行讀寫頭 的寫操作 Q100.3。在顯示器畫面上輸入每個倉位對應的倉位、爐號、倉號和位號,程序段執行相應的指令后,把碼值分別置給 QW104~QW110。把載碼體放于讀寫頭的讀寫區上,并按寫入按鈕將這些信息寫入載碼體,見圖 4。
    載碼體寫入畫面
    3.4 讀取碼值見程序段 4 讀
             完成所有載碼體的寫操作后,將 M500.2 置1 進行讀寫頭的讀操作。每次讀寫頭經過載碼體時 I100.1 與 I100.2 將先后由 0 變 1,讀操作Q100.4 也將由 0 變 1,此時讀寫頭將會把讀寫頭上的信息讀到 IW104~IW110 中去。
    20170721113648.jpg
             通過對卸料小車、雷達物位計和讀寫碼值的軟件設計,系統可實時監測設備運行過程參數和故障診斷,處于高精度高效率狀態,接入工業以太網后實現與各個生產環節的信息共享,提高自動化水平和煉鋼對外的整體形象。
     
    4 結束語
             本系統于 2016 年正式投入運行,有效降低了工人的勞動強度,優化了工人的勞動環境,并因其防護等級高,線路簡單,極大降低了故障率及檢修難度,系統運行穩定,達到設計要求。地下受料槽和 30 米平臺實現無人值守,崗位并到上料主控室,操作工由 18 人減為 6 人,為煉鋼正常生產保駕護航,具有較好的應用和推廣前景。

     

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