淺談輥道窯輥棒斷棒及壽命管理智能系統

楊華亮 胡軍 盧健聰 喬富東 方仁德

摘 要：高溫輥道窯因節能、占地面積小、生產效率高，特別適合燒制建筑陶瓷產品。陶瓷輥棒是輥道窯起承載和傳輸作用的關鍵部件，輥棒能否正常旋轉帶動產品運行，并完成產品的正常燒結，直接影響輥道窯的正常使用以及生產效率，所以實時監測輥棒是否正常旋轉成為保證窯爐正常使用的關鍵因素之一。本文從輥棒使用廠家的生產難題為落腳點，開發出了視覺攝像頭與傳感器結合方式，依靠人工智能圖像識別的軟件算法及傳感器監測方法，對每根輥棒進行運行監測，可以實現點對點精準無時間間隙的智能監測、遠程監測及報警、實現響應的功能，與此同時，可對輥棒使用壽命預測和及時更換輥棒提醒、輥棒使用損耗量的計算、輥棒選型的驗證等，實現輥棒管理的數字化和智能化，減少人力管理成本。

關鍵詞：斷棒;攝像頭;傳感器;壽命管理

1 前 言

陶瓷輥棒是輥道窯起承載和傳輸作用的關鍵部件，使陶瓷產品自窯頭向窯尾行進過程中完成產品的預熱、煅燒和冷卻過程。作為承載和傳輸作用的關鍵部件，輥棒是否正常旋轉帶動產品運行，并完成產品的正常燒結，直接影響輥道窯的正常使用以及生產效率，所以實時監測輥棒是否正常旋轉成為保證窯爐正常使用的關鍵因素之一[1]。

但是，在實際生產過程中，監測輥棒是否正常轉動較為困難，原因主要有兩點：一、為了提高產量，增加輥道窯爐爐長或寬度可以使更多的產品進入窯爐燒結，還會讓整個窯爐的溫度變化更加平順，提高燒結產品的品質。但是現在較長的窯爐需要更多的輥棒，100 m長輥道窯需要輥棒多達約1000多根，人工監測這么多輥棒費時費力;二是每條窯爐的輥棒轉速不完全一樣（有快有慢），這也為觀察輥棒旋轉狀態增加了難度。在窯爐燒結產品的過程中，一旦輥棒發生斷裂，而此時設備和人員沒有及時監測出輥棒異常，則容易出現產品卡在窯爐內，影響燒結效率和品質，甚至還會出現輥棒大面積斷裂，最終導致窯爐堵塞和大面積的輥棒受損，產生較大的經濟損失。

為了保證輥道窯的良好運行狀態，窯爐工程師及管理者們想了許多辦法進行解決[2]，如工人巡視和鋼絲繩觸發報警[3]等，但往往達不到預期效果，出現漏報、錯報等現象而帶來較大生產質量的損失。

2 斷棒監測的現有技術

2.1 拉鋼絲繩

拉鋼絲繩的方法，如圖1所示，在輥棒上方設置相互靠近的鋼絲繩，當輥棒斷裂翹起時觸發報警，但是如果輥棒斷裂但又沒有翹起，則無法實現報警。該裝置雖然簡單，但無法定位斷裂輥棒的具體位置，還需要窯爐負責人員仔細查看，該方案容易誤報漏報，監測效率低。

2.2 巡視法

巡視法，如圖2所示，一般由窯爐負責或相關人員在輥道窯兩邊進行巡視，由于燒成車間溫度較高，巡視人員一般騎自行車進行巡邏，這樣易造成視覺疲勞，出現漏報的現象;而行走方式進行巡邏，勞動強度較大，且對于巡邏的頻率難以科學的預測，全憑相關人員的責任心或公司的規定，該方法是最傳統的，在少部分陶瓷企業仍然采納。

3 斷棒監測的智能技術

陶瓷行業的輥棒斷裂智能監測一直以來都是客戶管控難點和痛點，目前行業內此類智能監測方法尚屬空白領域，市場前景將會很大，具備非常大的潛力。我司合作開發出兩種智能監測技術，視覺攝像頭監測技術和傳感器監測技術。

3.1 視覺攝像頭技術

采用攝像頭機器視覺的智能監測方式進行輥棒轉動監測。

該方案主要由信息采集系統，視覺處理系統和后臺管理系統三個部分組成。

其中，信息采集系統：主要包括視覺攝像頭硬件及交換機，攝像頭組負責采集工件現場圖片，經由交換機傳給視覺處理系統。

數據處理系統：采用集中服務器作為主控制器，接收交換機傳來的每個攝像頭的工件圖片，監測工件是否出現壞掉情況，通過根據攝像頭標定，定位到具體工件編號。

后臺管理系統：后臺管理系統主要作為數據存儲，轉發系統，客戶通過該系統能夠快速查看工件是否有損壞情況。

系統整體框圖架構如圖3所示。

該技術具體實施方法為：

（1） 在輥道高溫窯爐段待監測的瓷棒位置前方，根據待監測范圍，布置攝像頭，使攝像頭可以覆蓋待監測的瓷棒范圍，并對瓷棒進行排序，使可以根據序號找到對應瓷棒。

（2） 當輥棒正常運轉時，通過一定的機器視覺監測算法，該攝像頭可以自動分辨出轉動與不轉動的瓷棒，且無論瓷棒是否發生形變，都可以監測得出，從而判斷出瓷棒是否發生斷裂。

（3） 當發現不轉動的瓷棒時，后端的數據處理系統將發出報警信號及斷棒的序號，并顯示在用戶手機APP或監控顯示器上。

（4） 用戶或監測人員可以根據報警顯示的瓷棒序號，立刻定位找到斷裂的輥棒，及時更換斷裂的瓷棒，從而避免斷棒對整條生產線帶來的進一步損失。

3.2 傳感器監測技術

該技術原理為：在正常工作狀態下，輥棒是在不斷轉動的，而當輥棒斷裂后，會導致其被動端無法再繼續轉動，而干簧管傳感器可以感應出安裝在瓷棒上的磁鐵，從而產生電信號，通過監測周期性的信號，可以監測出工件轉動與否，當長時間（輥棒旋轉一周）沒收到周期性信號，則可判斷該瓷棒停轉，即該輥棒發生斷裂。

該技術系統主要由數據采集系統與后臺處理系統兩部分組成。

其中，數據采集系統由工件本身加監測傳感器+IO采集設備組成，每個傳感器監測對應工件本身轉動情況，并將信號通過以太網技術，傳遞給后臺處理系統進行分析與判斷。

后臺處理系統則由集中服務器組成，其作用為接收前端傳感器發出的信號，并對傳感器信號進行濾波，監測等處理，實時計算判斷有無停轉的輥棒，從而監測出是否發生輥棒斷裂的情況。該方案系統框圖如圖4所示。

該方案具體實施方法為：

（1） 安裝及固定干簧管傳感器位置，由于該傳感器為點對點監測，故需要在每一根瓷棒的前端下方垂直固定干簧管傳感器。

（2） 干簧管傳感器屬于電磁開關性質的傳感器，故還需在每根瓷棒上固定一磁鐵，使干簧管可以監測得到電磁信號。

（3） 當輥棒正常運轉時，瓷棒上的磁鐵也會隨之周期性旋轉，從而干簧管傳感器可以監測到周期性的電信號。而當輥棒斷裂后，其端部停止轉動，從而會長時間沒有電信號產生或者一直有信號產生，據此即可判斷該輥棒發生斷裂。

（4） 當集中式處理器監測到輥棒斷裂后，便可發送報警信號，并且由于傳感器與輥棒是一一對應的關系，因此可以很快定位到具體是哪一根輥棒發生了斷裂，并可以及時提醒監測人員，采取相應措施，從而避免進一步損失。

以上兩種監測方案均已通過實驗測試，可以監測出輥棒運轉時，停轉的輥棒，并且及時報警指出，其實驗界面如圖5所示。

已測試情況包括：

單根輥棒停轉的情況-在輥棒停轉時，可成功監測出斷棒并報警;

多根輥棒同時停轉的情況-在輥棒停轉時，可成功監測并依次報警指出停轉的輥棒;

停轉輥棒恢復轉動的情況-當停轉輥棒恢復轉動后，便可以自動刷新，恢復正常監測狀態;

人為遮擋輥棒短時間的情況-由于監測停轉時間可以人為設定，因此當發生人為短時間阻擋的情況時（比如路人經過輥棒），可以自動過濾該種情況，不發生誤判。以上測試均多次順利實驗成功，技術方案可行。

4 輥棒使用壽命的管理

根據以上分析，采用先進智能傳感器及視覺攝像頭的解決方案，使在陶瓷產品的燒制過程中，可以及時準確監測出斷裂的陶瓷輥棒，精確監測斷裂的陶瓷輥棒的序號并通知給用戶，從而用戶可以快速處理斷裂的陶瓷輥棒，提高生產良品率和能耗效率，避免進一步的經濟損失。此外，該解決方案還可以監測斷裂的陶瓷輥棒的型號、規格、使用時間、斷裂時間等輥棒“身份證”，并記錄后傳送至后臺管理系統，進行系統分析，形成大數據供輥棒使用者、開發者進行系統地分析，對不同的窯爐工況下使用不同型號的陶瓷輥棒的使用壽命提出科學的預判，輥棒開發人員針對用戶的實際工況及斷棒情況進行針對性的改進，以便提供質量更好的陶瓷輥棒服務建陶行業，實現經濟效益和降耗的雙豐收。

5 智能檢測及管理技術的評價

5.1 用戶管理效益

先進的信息系統可以增強企業的管理能力，通過智能監測進行車間輥棒管理，為企業對內管理優化，對外快速響應提供了工具和依據。

5.2 用戶經濟效益

通過智能監測系統，可以實時了解現場輥棒斷裂情況，從而可以及時更換斷裂的輥棒，防止整個窯爐塌陷，大大減少經濟損失，提高企業創收能力。

5.3 經濟效益分析

該項目產品每200 m長或2000支輥棒安裝智能監控系統的成本為20萬元，一條輥道窯（365 m計算）安裝智能監控系統不到40萬，且使用壽命較長，并可大幅度降低窯爐堵窯風險及損失，對于企業的生產制造而言，經濟效益是不可估量的。

6 結 語

目前國家在大力推進智能制造及數據上傳云端的互聯網項目發展，本技術方案屬于智能制造改造的互聯網項目范疇，用戶可以向當地政府申請使用智能化裝備的資金補貼，提高用戶使用智能化裝備的積極性，為該項目產品的推廣提供了政策性保障。金剛企業本身立足于陶瓷輥棒行業，一直以服務陶瓷行業為宗旨，非常了解建陶企業使用輥棒的痛點所在，為建陶行業的發展貢獻自己的力量。

通過該智能監控及壽命管理系統可以達到以下功能：

（1）可精準、快速、實時了解現場輥棒斷裂情況，快速換棒，防止堵窯現象產生。

（2）了解一條窯斷棒損耗情況，能判斷是否在一個區域還是不同區域斷棒，進行針對性的解決問題。

（3）有利于了解不同型號輥棒在同樣工況下斷棒情況，進行對比研究。

參考文獻

[1] 于 巖 阮玉忠等. 陶瓷輥棒在輥道窯使用過程中晶相結構與性能變化 [J].結構化學， 2002， 21（5）： 572-576.

[2] 專家門診 如何避免輥道窯頭堵磚引起斷棒過多的預防措施 [J].佛山陶瓷， 2005，239（8）：73.

[3] 輥道窯斷棒報警裝置 ZL201120373246.5.