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論文關鍵字：高爐冷卻水溫差流量數(shù)字化溫度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)自動控制
論文摘要：利用數(shù)字化溫度傳感器、電磁流量計對高爐冷卻水系統(tǒng)進行溫度和流量參數(shù)的監(jiān)測，同時根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及歷史記錄和人工設定參數(shù)等進行分析和比較，確認高爐冷卻水系統(tǒng)運行狀態(tài)，并對不佳狀態(tài)進行必要的調(diào)整。
引言
在高爐生產(chǎn)過程中，由于爐內(nèi)反映產(chǎn)生大量的熱量，任何爐襯材料都難以承受這樣的高溫作用，必須對其爐體進行合理的冷卻，同時對冷卻介質(zhì)進行有效的控制，以便達到有效的冷卻，使之既不危及耐火材料的壽命，又不會因為冷卻元件的泄露而影響高爐的操作。因此對高爐冷卻介質(zhì)進行必要的監(jiān)測和控制尤為重要。本文主要闡述對高爐水冷卻部分進行監(jiān)測和控制的一套系統(tǒng)構成及工作原理。
高爐冷卻水系統(tǒng)比較重要的幾個參數(shù)：
高爐冷卻的作用：
1．降低爐襯溫度，使爐襯保持一定的強度，維護合理的操作爐型，延長高爐壽命和安全生產(chǎn)
2．形成保護性渣皮，鐵殼和石墨層，保護爐襯并代替爐襯工作
3．保護爐殼、支柱等金屬結(jié)構，免受高溫的影響，有些設備如風口、渣口、熱風閥等用水冷卻以延長其壽命
4．有些冷卻設備可起支撐部分磚襯的作用
就其作用而言，相對重要的是降低溫度，帶走熱量以形成保護性渣皮，維護合理爐型。因此冷卻系統(tǒng)在不同位置帶走熱量的多少很重要，有冷卻器的熱平衡分析可知，冷卻水帶走的熱量與水量、進出水溫差、水的比熱容成正比關系，而水的比熱容是一個常量，所以對冷卻水我們需要監(jiān)測的重要參數(shù)是水流量和進出水溫差。
我們通過在冷卻器進水或出水支管上安裝流量計來獲取流量值，通過在進水和出水分別安裝溫度傳感器來獲取進出水溫度，通過計算得到溫差。
對高爐冷卻水系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)中主要是對水流量進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)冷卻水流量的主要手段是調(diào)節(jié)控水閥門的開度和啟動加壓泵加大進水壓力兩種方式。
因此我們要做的就是監(jiān)測高爐冷卻水的進出水溫差和流量，通過計算得出熱流強度，再根據(jù)熱流強度對高爐當前部位爐墻厚度等狀況進行判斷，并對局部水量或整體水量做適當?shù)恼{(diào)整。
系統(tǒng)介紹
系統(tǒng)從功能上分為溫度監(jiān)測子系統(tǒng)、流量監(jiān)測子系統(tǒng)、控制執(zhí)行子系統(tǒng)、運算分析控制存儲子系統(tǒng)和查詢子系統(tǒng)五個部分（圖1）。
圖1高爐冷卻系統(tǒng)控制原理圖
溫度監(jiān)測子系統(tǒng)溫度監(jiān)測子系統(tǒng)構成
溫度監(jiān)測子系統(tǒng)設備主要包括：數(shù)字化溫度傳感器、總線連接器、溫度采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。系統(tǒng)構造如下圖（圖2）：
圖2：溫度監(jiān)測子系統(tǒng)原理示意圖
溫度傳感器
測溫傳感器采用的是美國進口的數(shù)字式溫度傳感元件，其精度高，抗干擾能力強，測溫范圍廣等特點使得在低溫測量系統(tǒng)中用量非常大。其外殼采用不銹鋼制成，防水、耐腐蝕，可以在環(huán)境惡劣的測溫環(huán)境下使用。該探頭安裝簡單，拆換方便，可維護性好。
數(shù)字化溫度傳感器內(nèi)部有獨立的地址編號，系統(tǒng)可以根據(jù)次技術參數(shù)
工作電壓：DC5V±10%
測量精度：±0.1℃
測溫范圍：-55℃～+125℃
通訊線：RVVP3x0.3(環(huán)境溫度≤70℃)
或AFP3x0.3(環(huán)境溫度≤220℃)
外形尺寸：探頭長50mm，外螺紋M16
圖3數(shù)字化溫度傳感器
數(shù)字化溫度傳感器測溫原理
圖4數(shù)字化溫度傳感器測溫原理
溫度傳感器的測溫原理如圖（圖4）所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，溫度傳感器就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55℃所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器和溫度寄存器中，減法計數(shù)器和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖4中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。
總線連接器
ST-X接線箱與ST-D保護箱組合，形成雙層鐵制外殼，堅固耐用，安裝簡便，并且防雨、防熏蒸、防腐蝕，外觀美觀大方，接線方便。內(nèi)部接線端子，采用了進口產(chǎn)品，觸點接觸良好，接線方便快捷，易于維護。最多可以和10個溫度傳感器對應連接，有1路輸出端子。
技術參數(shù)
端口數(shù)量：10通道
輸入電壓：DC5V±10%
環(huán)境溫度：-40℃～+80℃
圖5總線連接器
外形尺寸：260x230x90mm
總線連接器的作用是將數(shù)字化溫度傳感器簡單的連接，重要是將傳感器連接接點處放置于保護箱內(nèi)，通過插接件及電路連接，保證電氣連接的穩(wěn)定性。
溫度采集器
ST-A溫度采集器的作用包括給數(shù)字化溫度傳感器提供電源，對多個數(shù)字化溫度傳感器進行溫度采集并按照次序存貯到，采用先進的Lonworks技術，保證了系統(tǒng)的高速信息交換和數(shù)據(jù)采集，增強了系統(tǒng)的可靠性。溫度采集器使用防水標準的機殼，可適應現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，密閉性好，防熏蒸。而且溫度采集器帶有過壓、過流、突波、隔離、雷擊保護電路。測溫傳感器通過總線連接器連接到溫度采集器，連接電纜長度最長可達100米，每個溫度采集器可連接20個溫度傳感器。
技術參數(shù)：
輸入電壓：AC220V±20%
測溫點數(shù)：20點
通訊方式：Lonworks現(xiàn)場總線
通訊距離：1800m（無中繼）
圖6溫度采集器
外形尺寸：300x250x120mm
采樣速率：5點/秒
工作溫度：-20～+80℃
采集器以控制器為核心以電源為外圍輔助，整和通訊、數(shù)據(jù)采集通道、聲光指示等功能，形成完整的設備。
ST-N數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器
圖8數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器
ST-N數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是整套系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀入和發(fā)出命令的重要設備，是連接采集器和系統(tǒng)管理計算機的紐帶。它把Lonworks總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以直接對計算機輸入輸出的RS232數(shù)據(jù)，有效的架起下位機和上位機之間的橋梁。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用防爆標準的機殼，可適應現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，密閉性好，防熏蒸。Lonworks網(wǎng)線的無中繼最大傳輸距離大于1800米。
圖9數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器工作原
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在主控室安裝，功能相對簡單，用Lonworks通訊模塊和RS232通訊電路構建，其他包括電源和狀態(tài)指示部分。
1-wire總線
1-wire單總線是Maxim全資子公司Dallas的一項專有技術，與目前多數(shù)標準串行數(shù)據(jù)通信方式如SPI/I2C/MICROWIRE不同，它采用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。它具有節(jié)省I/O口線資源，結(jié)構簡單，成本低廉，便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點。1-wire單總線適用于單個主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設備。當只有一個從機位于總線上時系統(tǒng)可按照單節(jié)點系統(tǒng)操作，而當多個從機位于總線上時則系統(tǒng)按照多節(jié)點系統(tǒng)操作。
時序：
采集器使用時間隙(timeslots)來讀寫數(shù)字化溫度傳感器的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位：
(1)初始化
時序見（圖10）主機總線t0時刻發(fā)送一復位脈沖(最短為480us的低電平信號)接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)數(shù)字化溫度傳感器在檢測到總線的上升沿之后等待15-60us接著溫度傳感器在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)60-240us)如圖中虛線所示
圖10初始化
(2)寫時間隙
當主機總線t0時刻從高拉至低電平時就產(chǎn)生寫時間隙見圖11圖12從t0時刻開始15us之內(nèi)應將所需寫的位送到總線上傳感器在t后15-60us間對總線采樣若低電平寫入的位是0見圖11若高電平寫入的位是1見圖12連續(xù)寫2位間的間隙應大于1us。
(3)讀時間隙
見圖13主機總線t0時刻從高拉至低電平時總線只須保持低電平1μs之后在t1時刻將總線拉高產(chǎn)生讀時間隙讀時間隙在t1時刻后t2時刻前有效t2距t0為15μs也就是說t2時刻前主機必須完成讀位并在t0后的60μs-120μs內(nèi)釋放總線
圖13讀時隙
Lonworks總線技術
LonWorks是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網(wǎng)絡,最初主要用于樓宇自動化,但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)。LonWorks技術為設計和實現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。LonWorks技術的核心是神經(jīng)元芯片(NeuronChip)。該芯片內(nèi)部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質(zhì)訪問控制;網(wǎng)絡處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡協(xié)議;應用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應用。它們之間通過公用存儲器傳遞數(shù)據(jù)。在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經(jīng)元芯片特設置11個I/O口。這些I/O口可根據(jù)需求不同來靈活配置與外圍設備的接口,如RS232、并口、定時/計數(shù)、間隔處理、位I/O等。
流量監(jiān)測子系統(tǒng)
流量監(jiān)測子系統(tǒng)主要包括：電磁流量計（二次儀表）、采集模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換器等。
圖14流量監(jiān)測子系統(tǒng)
電磁流量計
技術參數(shù)：
被測介質(zhì)為水；
無水阻結(jié)構；
不改變管道原有結(jié)構；
圖15電磁流量計
不改變水流方向；
額定壓力1.6Mpa；
防護等級IP67；
法蘭安裝。
轉(zhuǎn)換器
技術參數(shù)：
防護等級IP65；
輸出接口4~20mA；
測量精度0.5%；
圖16流量計二次表
采集模塊
技術參數(shù):
隔離電壓3000VDC;
有效分辨率16位;
通道8路差分;
圖17采集I/O模塊
輸入支持4~20mA;通訊協(xié)議Modbus-485;
協(xié)議轉(zhuǎn)換器
大多數(shù)工業(yè)計算機系統(tǒng)都帶有標準的RS-232的端口。雖然RS-232得到了普遍的使用，但它的傳輸速率、傳輸距離及網(wǎng)絡容量還是有一定的限制。RS-422和RS-485標準通過將數(shù)據(jù)及控制信號使用差分信號進行傳送，克服了RS-232的不足。隔離轉(zhuǎn)換器能夠讓您在早期的RS-232系統(tǒng)上充分利用RS-422和RS-485的優(yōu)點。它能夠?qū)S-232信號透明轉(zhuǎn)換為RS-422和RS-485信號。您無須改動PC上的任何硬件及軟件。轉(zhuǎn)換器能夠幫您輕松地建立起一套基于PC硬件的、工業(yè)級遠程通訊系統(tǒng)。它能夠?qū)⑼ㄓ嵕嚯x再延長1200米（4000英尺），或再增加32個連接節(jié)點。
控制執(zhí)行子系統(tǒng)
本系統(tǒng)中要控制的內(nèi)容包含兩方面：各閥門開度控制和加壓水泵的啟停控制。
當高爐冷卻系統(tǒng)需要對流量進行小范圍的調(diào)整，通過智能型電動閥門控制器對閥門的開度進行調(diào)節(jié)，使之調(diào)整到指定的開度；當有閥門開度已經(jīng)調(diào)整到最大，依然沒有起到控制熱流的作用，考慮通過控制繼電器來啟動加壓泵。
智能型電動閥門控制器
系統(tǒng)有通訊功能，可以接收上位機的指令，進行遠程數(shù)字控制。運算處理后產(chǎn)生的控制信號驅(qū)動交流電機。閥門的控制量為閥門開度，在應用場合往往會根據(jù)實際需要將閥門開或關，或者開到一定程度，甚至動態(tài)的以某種規(guī)律開關。采用單片微處理器和外圍芯片組成智能化的位置控制單元，接收統(tǒng)一的標準直流信號（如4～20mA的電流信號），經(jīng)信號處理及A/D轉(zhuǎn)換送至微處理器，微處理機將處理后的數(shù)據(jù)作為控制結(jié)果，與控制命令目標進行比較，以驗證控制結(jié)果。
水泵繼電控制器
控制器接受上位機命令，按照命令執(zhí)行閉合或斷開加壓水泵的控制繼電器，從而控制加壓泵的啟停。
運算分析控制存儲子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)功能主要包括：運算、實時數(shù)據(jù)廣播、分析、控制及存儲等。
運算功能1.熱流強度計算
在相應的總線上取得各個監(jiān)測點的溫度、流量等數(shù)據(jù)，并將各監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)其編號與數(shù)據(jù)庫中編號進行比對查詢，之后對應到其物理位置，以完成數(shù)據(jù)計算。即在數(shù)據(jù)庫中查找到某一位置上的出水溫度傳感器編號、入水溫度傳感器編號、流量計編號等，并根據(jù)這些編號在溫度和流量數(shù)據(jù)中查詢，即可取得相應的數(shù)值。
再在數(shù)據(jù)庫中查詢到用戶設置的面積、熱容等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)完成熱流強度計算：
Q=q×C×ρ×(To-Ti)÷A
Q：熱流強度（W/m2）；
q：流量（L/s）；
C：熱容（J/Kg·℃）；
Ρ：介質(zhì)密度（Kg/L）；
To：出水溫度（℃）；
Ti：入水溫度（℃）；
A：冷卻壁單路面積（m2）
2爐墻厚度數(shù)學模型計算
本模型的冷卻壁傳熱過程分析中，可以簡化認為爐墻的熱量損失全部被冷卻水帶走。
模型假設
(1)爐墻內(nèi)的傳熱以傳導傳熱為主，煤氣與渣皮、冷卻水與水管內(nèi)壁之間以對流換熱為主；
(2)爐墻的熱傳導僅是沿徑向方向進行，即本模型建立的是一維傳熱模型；
(3)溫度隨時間的變化很小，因此系統(tǒng)可以被認為是穩(wěn)態(tài)的或準穩(wěn)態(tài)的；
(4)模型計算涉及的物質(zhì)，如涂層、冷卻壁本體以及掛渣等，各自都是均勻的；
(5)高爐的冷卻水管、冷卻壁、掛渣等的熱傳導系數(shù)是各向同性的，但是是隨溫度而變化的，即是傳熱中的變物性問題。
(6)傳熱過程中沒有“熱源”，也無熱量積累。
分析各傳熱過程：
爐內(nèi)煤氣和爐料與渣皮熱面之間以對流換熱為主，熱流強度q1為：
爐墻(殘余磚襯+渣皮)內(nèi)的傳導傳熱，熱流強度q2為：
(3)冷卻壁本體熱面層內(nèi)的傳導傳熱，熱流強度q3為：
(4)從冷卻壁體到冷卻水之間有四個熱阻：氣隙層的熱阻r1；水管表面涂層的導熱熱阻r2；水管管壁的導熱熱阻r3；水管內(nèi)表面與水的對流換熱熱阻r4。因此從冷卻壁體到冷卻水的傳熱經(jīng)歷了氣隙傳熱、涂層導熱、水管壁導熱和管壁與冷卻水的對流換熱，這一過程傳熱過程比較復雜。
為簡化處理，將冷卻壁體與冷卻水之間的傳熱用一等效對流換熱表示，所以熱流強度q4為：
按照熱流量相等的原理：
q=q1=q2=q3=q4
將q1~q4用q替換可得：
FCD(t)=42.05-0.02689t=42.05-0.013445(t2+t3)
根據(jù)有關文獻資料，取渣皮的導熱系數(shù)λ渣＝1.0～1.2W·m-1·K-1；
αf=232W·m-2·℃-1；
αw=208.8+47.5vW·m-2·℃-1
將上述參數(shù)代入即可完成爐墻厚度的計算。
實時數(shù)據(jù)廣播
監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至計算機，計算機查詢數(shù)據(jù)的對應位置后，與計算后的數(shù)據(jù)一起暫存到計算機變量，其中包括：出水溫度、入水溫度、溫差、流量、熱流強度等數(shù)據(jù)。
通過OPC（OLEforProcessControl）工控標準接口將上述數(shù)據(jù)實時到計算機網(wǎng)絡。
分析
軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的標準參數(shù)、報警閥值和動作閥值等信息，對監(jiān)測數(shù)據(jù)做出分析和判斷，以決定軟件進行報警或啟動控制子系統(tǒng)的相關控制動作。
軟件用監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算所得數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行比較、與標準參數(shù)進行比較，判斷高爐冷卻水系統(tǒng)運行是否正常，分析高爐爐型及運行情況。用監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算所得數(shù)據(jù)與報警閥值進行比較，判斷是否超出正常范圍，決定是否進行報警。用監(jiān)測數(shù)據(jù)與動作閥值進行比較，當超出設置的動作閥值時啟動控制子系統(tǒng)，使之做出相應的動作。來調(diào)整高爐冷卻系的工作狀態(tài)。
控制
報警時啟動報警閃爍畫面，并開啟報警聲音；需要控制子系統(tǒng)動作時確定動作類型及幅度，并向下發(fā)送精確的控制命令，當控制動作完成時關閉或復位控制設備。
存儲
保存全部設置參數(shù)、閥值和命名等記錄。并對歷史數(shù)據(jù)進行記錄。是軟件和數(shù)據(jù)庫的核心所在。
查詢子系統(tǒng)
查詢子系統(tǒng)是純軟件系統(tǒng)，可以加載到局域網(wǎng)段內(nèi)任意計算機，通過權限認證后即可接收并顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可顯示報警狀態(tài)和控制動作狀態(tài)，還可以連接系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，查詢歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線、趨勢圖以及抱緊和控制記錄等。
在網(wǎng)內(nèi)任一臺加載了查詢系統(tǒng)軟件的計算機，通過權限認證后都可以進行全部的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行查詢。
結(jié)論
系統(tǒng)融合了數(shù)字化溫度傳感器、Lonworks現(xiàn)場總線、RS485差分電路、電磁流量計、電磁閥控制、面向?qū)ο蟮能浖幊毯蚐QL數(shù)據(jù)庫等一系列工業(yè)監(jiān)測和控制行業(yè)的先進技術。對高爐冷卻水系統(tǒng)進行嚴密的監(jiān)測和有效的控制，很大程度上提高了高爐冷卻系統(tǒng)的自動化程度。同時為高爐工藝提供了對冷卻水系統(tǒng)更有效的監(jiān)測和控制手段。
有效的測量手段和完善的數(shù)學模型可以更接近的測算出各部位爐強厚度，對高爐的安全生產(chǎn)有著重要的指導意義。工藝人員有了這些熱流強度及爐墻厚度數(shù)據(jù)以后可以調(diào)整高爐布料、調(diào)整風量和冷卻水流量等，有利于高爐形成最佳的高爐爐型。對高爐生產(chǎn)效率起到促進作用，起到對高爐冷卻系統(tǒng)進行有效的監(jiān)測和控制，為高爐長壽奠定了基礎。新晨：
參考文獻
《高爐煉鐵設備》王宏啟王明海冶金工業(yè)出版社
《利用煤氣溫度和冷卻壁熱流強度預測高爐爐墻厚度》楊士山北京科技大學