結(jié)晶器液位檢測(cè)和控制系統(tǒng)優(yōu)化

1 引言

　　在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中 ，結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制用于減少和避免漏鋼溢鋼 ，對(duì)于提高鑄坯質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程起著重要作用，而結(jié)晶器液位的精確檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制的關(guān)鍵。濟(jì)鋼1#連鑄機(jī)結(jié)晶器液位檢測(cè)系統(tǒng)原來(lái)設(shè)計(jì)采用放射源co60，因?yàn)閏o60的使用壽命接近極限，而該備件一直無(wú)法提報(bào)。近年來(lái)，渦流式鋼水液位計(jì)的實(shí)用化進(jìn)展很快，具有反應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，不需特殊安全防護(hù) 安裝維護(hù)方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此改造采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的ram系列渦流型鋼水液位控制儀，并對(duì)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與完善。

2 測(cè)量系統(tǒng)組成以及工作原理

　　2.1 輻射法結(jié)晶器液位檢測(cè)

　　co60輻射法結(jié)晶器液位檢測(cè)系統(tǒng)工作原理co60輻射法結(jié)晶器液面檢測(cè)測(cè)量原理基于當(dāng)核輻射射線穿過(guò)物體時(shí)其輻射活度會(huì)減弱的物理原理。γ射線輻射活度的吸收率遵循指數(shù)規(guī)律：

　　i=i0e-μρd

　　物質(zhì)吸收系數(shù)μ取決于所用的放射源(co-60或cs-137)和測(cè)量區(qū)域內(nèi)熔鋼的重量ρ×d。由于結(jié)晶器壁及背板的厚度已知，鋼水的特定重量實(shí)際上并不改變，所以檢測(cè)的效果就不會(huì)改變。換句話說(shuō)，結(jié)晶器壁及背板的厚度不會(huì)對(duì)檢測(cè)精度有任何影響，而只會(huì)使射線活度造穩(wěn)定的衰減，而它可通過(guò)提高放射源的活度來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖

　　2.2 渦流檢測(cè)結(jié)晶器液位檢測(cè)

　　該測(cè)量系統(tǒng)采用渦流式傳感器測(cè)量鋼水液位 ，由振蕩器產(chǎn)生的50khz的高頻信號(hào)供給傳感器的初級(jí)線圈(激勵(lì)線圈)，由初級(jí)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)由于受鋼水內(nèi)渦流電流的影響 ，隨液位高度變化。在次級(jí)線圈(測(cè)量線圈)內(nèi)將產(chǎn)生與通過(guò)線圈內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)度成正比例變化的電壓v1、v2 ，從而差動(dòng)電壓 (v1-v 2) 隨液位高度變化。v1-v2經(jīng)信號(hào)比較放大，進(jìn)行相位分析、頻率分析、振幅分析，線性化，送給16位的高性能單片機(jī)80c196kc處理，即得到液位高度測(cè)量信號(hào)，經(jīng)控制儀轉(zhuǎn)換成4～20ma信號(hào)送到結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)plc。通過(guò)鍵盤及顯示窗口可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話?？刂苾x測(cè)量范圍為0～150mm，分辯力為0.1mm。

　　兩種結(jié)晶器液位檢測(cè)的綜合分析比較如附表所示。

　 　附表 兩種結(jié)晶器液位檢測(cè)的綜合分析比較

3 渦流檢測(cè)系統(tǒng)

　　3.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成　　

　　系統(tǒng)主要由傳感器和二次表組成。二次表主要由高頻振蕩器、可編程信號(hào)放大器、相敏檢波器、濾波器、幅度鑒別器、agc電路、線性化處理等電路構(gòu)成。本文就系統(tǒng)關(guān)鍵部分電路的原理及作用加以論述。

　　3.2 傳感器

　　傳感器工作溫度范圍為-20～80℃，結(jié)構(gòu)上采用風(fēng)冷式，外殼為高強(qiáng)度陶瓷，這樣既減小對(duì)傳感器的熱輻射，保證了隔熱冷卻效果，又提高了耐受撞擊的能力，提高了可靠性。液位檢測(cè)時(shí)傳感器懸架式安裝在結(jié)晶器口上方30mm處。渦流式傳感器不僅受自身測(cè)量線圈的特性影響，而且還受在它附近的金屬物體(如結(jié)晶器壁) 的影響。如果傳感器相對(duì)于結(jié)晶器壁的位置或?qū)挾鹊母淖?，其靈敏度將受到影響，液位輸出特性曲線也將改變，需要對(duì)因現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件變化的影響進(jìn)行補(bǔ)償，因此傳感器需要標(biāo)零。

　　3.3 二次表電路

　　(1)振蕩器。振蕩器為檢測(cè)線圈提供電流以產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。溫度、電源電壓、負(fù)載等的變化以及機(jī)械振動(dòng)的影響，都有可能使振蕩器的頻率發(fā)生變化，造成振蕩器工作的不穩(wěn)定，而振蕩器性能的好壞直接關(guān)系到測(cè)量的準(zhǔn)確性。振蕩源頻率與幅值的穩(wěn)定性是提高儀器的信噪比及溫度穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，因此采用了石英晶體振蕩器，并利用精密穩(wěn)壓二極管組成高精度雙向限幅結(jié)構(gòu)

　　(2)可編程信號(hào)放大器。功能是線性放大檢測(cè)到的信號(hào)，并按液位信噪比要求增益或衰減檢測(cè)信號(hào)。具有零電勢(shì)補(bǔ)償，使檢測(cè)放大的信號(hào)電平位于放大器的線性或補(bǔ)償其零電勢(shì)，得到不失真的放大信號(hào)。

　　(3) 相敏檢波器、濾波器及幅度鑒別器

　　相敏檢波器：用來(lái)鑒別各種因素引起的信號(hào)相位，通過(guò)調(diào)節(jié)移相器的相位值，讓液位信號(hào)通過(guò)，而將其它噪聲信號(hào)削弱。

　　濾波器：采用電子有源濾波器，能使需要頻率范圍的信號(hào)較順利地通過(guò)，而該頻率范圍以外的信號(hào)受到較大的衰減，抑制干擾信號(hào)。

　　幅度鑒別器：是一個(gè)雙向切除低電平噪聲的電路，利用液位信號(hào)和干擾信號(hào)幅度上的差別來(lái)區(qū)分液位信號(hào)與干擾信號(hào)。

　　(3) agc電路。agc電路補(bǔ)償因現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件變化，對(duì)特性曲線的影響。當(dāng)某些測(cè)量條件改變時(shí)(如更換傳感器)，即使在同一液位上，傳感器的輸出與原始輸出也有偏差。agc電路調(diào)整放大器的增益，使偏差趨于零。更換后的傳感器經(jīng)標(biāo)定后在檢測(cè)點(diǎn)處與更換前具有相同的輸出。

　　(4) 線性化處理。由于檢波輸出和液位高低之間是非線性特性關(guān)系，同時(shí)每個(gè)傳感器制造本身的差異，造成被測(cè)液位的信號(hào)感應(yīng)量亦有不同，所以二次表需要標(biāo)定刻度傳感器，使之線性化處理。具體方法是：二次表將傳感器感應(yīng)信號(hào)測(cè)量范圍分成12段，每段12.5mm，共150mm的測(cè)程范圍，每一段都建立一個(gè)線形的輸入對(duì)輸出的關(guān)系，然后按12個(gè)線形段標(biāo)定出對(duì)應(yīng)于輸入的輸出。

　　(5) 溫度影響及抑制。環(huán)境溫度的變化將引起渦流傳感器阻抗的變化，對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響主要來(lái)自傳感器激勵(lì)線圈，其次是測(cè)量線圈。線圈溫度與信號(hào)之間均呈線性關(guān)系。根據(jù)這點(diǎn)，首先求得傳感器的溫度與信號(hào)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)單片機(jī)執(zhí)行來(lái)消除溫度的影響。

4 硬件的完善與應(yīng)用軟件開發(fā)

　　4.1 硬件系統(tǒng)的完善

　　本控制系統(tǒng)主要采用l1級(jí)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重考慮正常情況下的信號(hào)傳輸與處理；但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，渦流檢測(cè)信號(hào)在高溫、干擾環(huán)境下容易出現(xiàn)衰減和擾動(dòng)。為此運(yùn)用中繼、雙絞、屏蔽等技術(shù)進(jìn)行處理，增加fb100信號(hào)中繼箱，保證了信號(hào)的實(shí)時(shí)傳遞。

　　在液位控制儀中轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后送到plc和上位機(jī)的過(guò)程中，考慮到意外情況下不能關(guān)閉中包塞棒，增加了一套信號(hào)傳輸通道fb200，一旦一路發(fā)生中斷，可在不到3s的時(shí)間內(nèi)投運(yùn)另一路。plc和上位機(jī)在完成監(jiān)控功能的同時(shí)輸出信號(hào)到液壓比例閥，在plc輸出信號(hào)一定的前提下，重點(diǎn)研究了比例調(diào)節(jié)閥內(nèi)放大旋鈕的配合，掌握了放大和振幅之間的線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)中包塞棒液壓缸的振幅調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器液面的調(diào)節(jié)，達(dá)到液面檢測(cè)和調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)l1級(jí)的閉環(huán)控制，如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)的完善

　　4.2 應(yīng)用程序開發(fā)

　　在1#連鑄機(jī)結(jié)晶器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，plc程序采用西門子step5.3和監(jiān)控畫面軟factorylink開發(fā)系統(tǒng)控制軟件。以結(jié)晶器液位的讀入、檢查和實(shí)際轉(zhuǎn)換輸出的主要功能塊fc101為例，本功能塊通過(guò)調(diào)用結(jié)晶器實(shí)際液位值、液壓缸位置傳感器的反饋信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)液位限位信號(hào)，完成內(nèi)部pid調(diào)節(jié)的同時(shí)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)液位波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　渦流檢測(cè)法結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng)于2007年3月在濟(jì)鋼第三煉鋼廠1＃連鑄機(jī)生產(chǎn)中投入使用，與中間包塞棒位置的設(shè)定值相比，塞棒位置的實(shí)際值在允許振幅內(nèi)波動(dòng)，隨機(jī)振幅偏離度為1.41％，完全滿足技術(shù)要求。從液面控制效果來(lái)看，結(jié)晶器液位實(shí)際值圍繞液位設(shè)定值波動(dòng)，波動(dòng)幅度為±1ｍｍ。實(shí)踐證明，液位控制系統(tǒng)的應(yīng)用與完善，不但確保了l1級(jí)液位的精確度，而且為l2級(jí)自動(dòng)澆鑄奠定了基礎(chǔ)。