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高频雷达物位计与高清监控、RFID 定位技术组合的设计应用

编辑: 来源: 发布时间:2017-07-21 11:29:48

 摘 要 原有的转炉散装料系统是纯手动操作,设计基于 PLC 系统的无人值守自动控制系统,将高频雷达物位计、高清监控和 RFID 定位技术有效组合,实现料位的准确连续检测和料仓的精确可靠定位,最终达到无人值守功能,从而提高企业的生产效率,减员增效。

 
引言
         炼钢转炉散装料系统即上料系统由自卸汽车运至地下受料槽,并按不同品种分别卸入各个料槽内储存;供料时通过电动扇形阀把物料给到1# 皮带机经 1# 转运站至 2# 皮带机,再经 2# 转运站至 3# 皮带机提升段至 30 米主厂房平台上的 3# 皮带机水平段,然后由卸料小车按不同品种卸入炉顶料仓。
 
         系统长期工作于高温、粉尘、水蒸汽的恶劣环境之下,传统控制模式有两个缺点,一是设备防尘等级较低、线路复杂,因而故障率高并且难排除,尤其是普通的定位和料位系统经常误动作;二是每次上料操作工都需先到 30 米平台目测各高位料仓料的存贮量,根据存贮量确定是否需加料,手动移卸料小车给需加料的仓加料并人工监督到料仓满为止,这时若皮带没及时停止或操作工对料位估计不准会导致料溢出,造成浪费原材料和人工清理料。因此工人基本纯手动操作,劳动强度高,不利于岗位合并。为简化操作步骤,提高自动化水平,改善操作工的工作环境和降低其劳动强度,在每个高位料仓上安装高频雷达物位计实现料仓内料位的连续准确检测,每个料仓口安装无线射频 RFID 定位装置实现料仓的精确可靠定位,从地下受料槽至 30 米平台共安装 20 套监控,监控中心安装于上料主控室,所有操作在主控室完成,通过查看监控和料位数据来开关阀门和确定高位料仓是否进料,通过RFID 定位装置将卸料小车准确定位到需加料的料仓口,实现远程控制和岗位合并,该项技术已在福建三安钢铁有限企业炼钢厂成功应用。
 
1 控制系统规划
         地下受料槽和 30 米平台操作岗位合并到上料主控室,操作工根据电脑显示器上的料位、卸料小车位置、皮带启停信号和阀位信号等进行上料。上料系统最终用户是生产线上各个区域的设备和生产工艺系统,为了实现转炉上料无人值守,必须把独立的上料系统设备进行分解组成一个个从站:一路从站由 1#2# 皮带操作箱和 8 个地下受料槽操作箱组成,第二路从站由 1 个小车定位箱和 1 台西门子 MM440 变频器组成,第三路从站由 3# 皮带操作箱和 3 个料位仪表箱组成,这三路从站通过西门子 profibus DP 总线经中继后传给 PLC 进行分析处理。整个上料控制系统由上述三路从站、1 台触摸屏连接到 PLC 柜网卡、1 个由西门子 CPU315-2DP 及 CP343-1 组成的 300PLC 主站和视频监控组成,自动控制系统的网络拓扑结构见图一。为了实现整个转炉系统信息共享,转炉本体 PLC 与转炉上料系统PLC 通过工业以太网联接,网络介质采用单模光纤,交换双方需要的数据。
控制系统网络拓扑结构图
2 硬件设备设计和选型配置
         为实现转炉散装料系统集中远程操控,保证上料和设备安全,硬件设备必须合理设计和选型。
 
2.1 高频雷达物位计测量原理见图 2 和核心部件模块
高频雷达物位计安装测量图
图 2 高频雷达物位计测量原理示意图和注释

① 时间 1 :产生初始脉冲

② 时间 2 :沿喇叭天线向下行进,速度 C (光速)

③ 时间 3 :脉冲遇到介质表面发生反射

④ 时间 4 :反射脉冲被接收,并被处理器记录

⑤ 脉冲信号从被发射到被接收之间的时间差 T , 与基准面到介

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

⑥ 测量的基准面是法兰的密封面

⑦ A: 量程 B: 低位 C: 满位 D: 盲区

⑧ 运行时,保证最高料位不能进入测量盲区 D

         通过天线发射极窄且能量很低的微波脉冲信号,这个脉冲信号以光速在空间传输,遇到被测介质发生反射,反射信号被仪表接收,发射脉冲信号与接收脉冲信号的时间间隔与基准面到被测介质表面的距离成正比,通过测量发射与接收的时间间隔来实现天线至介质表面距离测量,信号送 PLC,在多粉尘场合也能稳定测量。雷达物位计面板上有 4 个按键,通过 4 个按键可对其进行调试,按 OK 键进入编程状态,用QQ截图20170721113439.jpg键移动箭头选择回波曲线按 OK 键确认;按QQ截图20170721113444.jpg键移动起始点至所需位置按 OK 键确认,连续按BK 键退到运行状态。
 
         弱磁模块好坏判断:显示屏如一直处于开机启动界面不能进入测量状态则模块损坏;如显示屏不能点亮,将电流表串联至电路内,查看 1 分钟内的电流变化情况,通电后电流应该从 4mA慢慢涨至 22mA,过 30 秒后电流应该变当前料位值对应电流,则模块完好显示屏损坏,否则模块损坏。
 
2.2 RFID 无线射频识别技术
         散装料系统采用图尔克 Blident 系列非接触的 RFID 无线射频自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性,实现对被识别物品的自动识别。射频识别系统由 tag 载码体和 reader 读码器两个部分组成。电子载码体附着在被识别物体表面或内部,当带有载码体的被识别物品通过其识别范围时,读码器自动以无接触的方式将载码体中的约定识别信息取出来,实现自动识别物品或者自动收集物品标志信息的功能。
 
         BLident 系列无线射频由载码体、读写头、连接件与网关组成。2M12MT-2RFID-S 网关模块装在卸料小车远程箱,该网关模块防护等级为IP69,用于读写头的 RFID 通道接口有 2 个,读写头通过连接件连接到网关,本系统采用TNLR-Q80-H1147 读写头挂在该网关模块的RFID 通道 1 接口上,RFID 网关模块的两个通道在 PLC 中的地址映射见表 1。当读写头靠近载码体时,载码体上的信息通过读写头与网关,经西门子 profibus dp 总线协议传给 PLC 分析处理 [2] 。将网关模块组进 PLC 的硬件组态中,其组态地址位 IW100~IW122,QW100~QW122。接通读写头后,首先应激活 Q100.7 控制读写头的 PowerOn / Power Off 将其置 1 完成读写头的激活。再次进行初始化,Q100.0 控制读写头的 Reset 将其置 1 后置 0 来完成初始化操作,从而实现料仓的精确可靠定位。
RFID 网关模块的输入 / 输出数据映射
2.3 监控设计
从地下受料槽→3 条皮带头尾→30 米平台每个炉区域左右两边安装抗粉尘高清摄像头,所有视频图像通过交换机、千兆光纤收发器和单模光纤集中到上料主控室显示器上实时清晰显示。
 
3 动控制系统App设计
3.1 卸料小车工作原理程序设计见图 3 即程序段 5~10,仓位信号传输到 PLC 进行处理,由变频器来控制卸料小车启停,同时结合料位数据和监控图像达到转炉自动上料的目的。读写头读到的仓位为当前仓位,画面给定仓位为目标仓位,根据两者的差值,来判断小车的速度与前进方向。当选择仓位小于当前仓位时小车正向行驶,当选择仓位大于当前仓位时小车逆向行驶。当仓位差大于 2 时小车高速,当仓位差等于±2时小车中速,当仓位差等于±1 时小车低速,当仓位差等于 0 时小车 0 速。
0170721113606.jpg
3.2 高频雷达物位计参数编程
选用弱磁模块和带万向节的雷达物位计,万向法兰倾斜角度为喇叭口尽量垂直料仓底部斜面,远离出料口方向,气源调节为 4Kg,实现深 4 米宽
 
1 米不规则超小料仓的料位准确连续检测,参数编程如下:
         3 座炉的 1#3#4#6#7#8# 不规则倾斜仓参数为低位 4m,高位 0.5m,物料性质固体,物料快速变化是,首波选择正常,堆角大是,阻尼时间10s,量程设定 4.5m,盲区范围 0.5m,显示内容为料高;2#5# 不规则仓不规则料首波选择稍强,阻尼时间 15s,其它参数与其它仓一样。
 
3.3 写入码值
         三座转炉的仓位定位见表 2,每个仓对应三个仓位,2 为停车位,1、3 为减速位。选择转炉的某个仓位,则目标仓位值为该仓位的停车位。
 
         在 PLC 中将 M500.2 置 1 后,可进行读写头 的写操作 Q100.3。在显示器画面上输入每个仓位对应的仓位、炉号、仓号和位号,程序段实行相应的指令后,把码值分别置给 QW104~QW110。把载码体放于读写头的读写区上,并按写入按钮将这些信息写入载码体,见图 4。
载码体写入画面
3.4 读取码值见程序段 4 读
         完成所有载码体的写操作后,将 M500.2 置1 进行读写头的读操作。每次读写头经过载码体时 I100.1 与 I100.2 将先后由 0 变 1,读操作Q100.4 也将由 0 变 1,此时读写头将会把读写头上的信息读到 IW104~IW110 中去。
20170721113648.jpg
         通过对卸料小车、雷达物位计和读写码值的App设计,系统可实时监测设备运行过程参数和故障诊断,处于高精度高效率状态,接入工业以太网后实现与各个生产环节的信息共享,提高自动化水平和炼钢对外的整体形象。
 
4 结束语
         本系统于 2016 年正式投入运行,有效降低了工人的劳动强度,优化了工人的劳动环境,并因其防护等级高,线路简单,极大降低了故障率及检修难度,系统运行稳定,达到设计要求。地下受料槽和 30 米平台实现无人值守,岗位并到上料主控室,操作工由 18 人减为 6 人,为炼钢正常生产保驾护航,具有较好的应用和推广前景。

 

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