高爐冷卻水監(jiān)測(cè)論文

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論文關(guān)鍵字：高爐冷卻水溫差流量數(shù)字化溫度傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)控制

論文摘要：利用數(shù)字化溫度傳感器、電磁流量計(jì)對(duì)高爐冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行溫度和流量參數(shù)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及歷史記錄和人工設(shè)定參數(shù)等進(jìn)行分析和比較，確認(rèn)高爐冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)不佳狀態(tài)進(jìn)行必要的調(diào)整。

引言

在高爐生產(chǎn)過(guò)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(duì)其爐體進(jìn)行合理的冷卻，同時(shí)對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行有效的控制，以便達(dá)到有效的冷卻，使之既不危及耐火材料的壽命，又不會(huì)因?yàn)槔鋮s元件的泄露而影響高爐的操作。因此對(duì)高爐冷卻介質(zhì)進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)和控制尤為重要。本文主要闡述對(duì)高爐水冷卻部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的一套系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理。

高爐冷卻水系統(tǒng)比較重要的幾個(gè)參數(shù)：

高爐冷卻的作用：

1．降低爐襯溫度，使?fàn)t襯保持一定的強(qiáng)度，維護(hù)合理的操作爐型，延長(zhǎng)高爐壽命和安全生產(chǎn)。

2．形成保護(hù)性渣皮，鐵殼和石墨層，保護(hù)爐襯并代替爐襯工作。

3．保護(hù)爐殼、支柱等金屬結(jié)構(gòu)，免受高溫的影響，有些設(shè)備如風(fēng)口、渣口、熱風(fēng)閥等用水冷卻以延長(zhǎng)其壽命。

4．有些冷卻設(shè)備可起支撐部分磚襯的作用。

就其作用而言，相對(duì)重要的是降低溫度，帶走熱量以形成保護(hù)性渣皮，維護(hù)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(jìn)出水溫差、水的比熱容成正比關(guān)系，而水的比熱容是一個(gè)常量，所以對(duì)冷卻水我們需要監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)是水流量和進(jìn)出水溫差。

我們通過(guò)在冷卻器進(jìn)水或出水支管上安裝流量計(jì)來(lái)獲取流量值，通過(guò)在進(jìn)水和出水分別安裝溫度傳感器來(lái)獲取進(jìn)出水溫度，通過(guò)計(jì)算得到溫差。

對(duì)高爐冷卻水系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)中主要是對(duì)水流量進(jìn)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(mén)的開(kāi)度和啟動(dòng)加壓泵加大進(jìn)水壓力兩種方式。

因此我們要做的就是監(jiān)測(cè)高爐冷卻水的進(jìn)出水溫差和流量，通過(guò)計(jì)算得出熱流強(qiáng)度，再根據(jù)熱流強(qiáng)度對(duì)高爐當(dāng)前部位爐墻厚度等狀況進(jìn)行判斷，并對(duì)局部水量或整體水量做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)從功能上分為溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、流量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、控制執(zhí)行子系統(tǒng)、運(yùn)算分析控制存儲(chǔ)子系統(tǒng)和查詢(xún)子系統(tǒng)五個(gè)部分（圖1）。

溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)構(gòu)成

溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)備主要包括：數(shù)字化溫度傳感器、總線(xiàn)連接器、溫度采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。系統(tǒng)構(gòu)造如下圖（圖2）：

溫度傳感器

測(cè)溫傳感器采用的是美國(guó)進(jìn)口的數(shù)字式溫度傳感元件，其精度高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)使得在低溫測(cè)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(cè)溫環(huán)境下使用。該探頭安裝簡(jiǎn)單，拆換方便，可維護(hù)性好。

數(shù)字化溫度傳感器內(nèi)部有獨(dú)立的地址編號(hào)，系統(tǒng)可以根據(jù)次技術(shù)參數(shù)

工作電壓：DC5V±10%

測(cè)量精度：±0.1℃

測(cè)溫范圍：-55℃～+125℃

通訊線(xiàn)：RVVP3x0.3(環(huán)境溫度≤70℃)

或AFP3x0.3(環(huán)境溫度≤220℃)

外形尺寸：探頭長(zhǎng)50mm，外螺紋M16

數(shù)字化溫度傳感器測(cè)溫原理

圖4數(shù)字化溫度傳感器測(cè)溫原理

溫度傳感器的測(cè)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(hào)送給減法計(jì)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(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，溫度傳感器就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將-55℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖4中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。

總線(xiàn)連接器

ST-X接線(xiàn)箱與ST-D保護(hù)箱組合，形成雙層鐵制外殼，堅(jiān)固耐用，安裝簡(jiǎn)便，并且防雨、防熏蒸、防腐蝕，外觀(guān)美觀(guān)大方，接線(xiàn)方便。內(nèi)部接線(xiàn)端子，采用了進(jìn)口產(chǎn)品，觸點(diǎn)接觸良好，接線(xiàn)方便快捷，易于維護(hù)。最多可以和10個(gè)溫度傳感器對(duì)應(yīng)連接，有1路輸出端子。

技術(shù)參數(shù)

端口數(shù)量：10通道

輸入電壓：DC5V±10%

環(huán)境溫度：-40℃～+80℃

外形尺寸：260x230x90mm

總線(xiàn)連接器的作用是將數(shù)字化溫度傳感器簡(jiǎn)單的連接，重要是將傳感器連接接點(diǎn)處放置于保護(hù)箱內(nèi)，通過(guò)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(duì)多個(gè)數(shù)字化溫度傳感器進(jìn)行溫度采集并按照次序存貯到，采用先進(jìn)的Lonworks技術(shù)，保證了系統(tǒng)的高速信息交換和數(shù)據(jù)采集，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。溫度采集器使用防水標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)殼，可適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，密閉性好，防熏蒸。而且溫度采集器帶有過(guò)壓、過(guò)流、突波、隔離、雷擊保護(hù)電路。測(cè)溫傳感器通過(guò)總線(xiàn)連接器連接到溫度采集器，連接電纜長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)100米，每個(gè)溫度采集器可連接20個(gè)溫度傳感器。

技術(shù)參數(shù)：

輸入電壓：AC220V±20%

測(cè)溫點(diǎn)數(shù)：20點(diǎn)

通訊方式：Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

通訊距離：1800m（無(wú)中繼）

外形尺寸：300x250x120mm

采樣速率：5點(diǎn)/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(shè)備。

ST-N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(shè)備，是連接采集器和系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)的紐帶。它把Lonworks總線(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以直接對(duì)計(jì)算機(jī)輸入輸出的RS232數(shù)據(jù)，有效的架起下位機(jī)和上位機(jī)之間的橋梁。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用防爆標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)殼，可適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，密閉性好，防熏蒸。Lonworks網(wǎng)線(xiàn)的無(wú)中繼最大傳輸距離大于1800米。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在主控室安裝，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，用Lonworks通訊模塊和RS232通訊電路構(gòu)建，其他包括電源和狀態(tài)指示部分。

1-wire總線(xiàn)

1-wire單總線(xiàn)是Maxim全資子公司Dallas的一項(xiàng)專(zhuān)有技術(shù)，與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式如SPI/I2C/MICROWIRE不同，它采用單根信號(hào)線(xiàn)，既傳輸時(shí)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(xiàn)資源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，便于總線(xiàn)擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。1-wire單總線(xiàn)適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)位于總線(xiàn)上時(shí)系統(tǒng)可按照單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作，而當(dāng)多個(gè)從機(jī)位于總線(xiàn)上時(shí)則系統(tǒng)按照多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。

時(shí)序：

采集器使用時(shí)間隙(timeslots)來(lái)讀寫(xiě)數(shù)字化溫度傳感器的數(shù)據(jù)位和寫(xiě)命令字的位：

(1)初始化

時(shí)序見(jiàn)（圖10）主機(jī)總線(xiàn)t0時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電平信號(hào))接著在t1時(shí)刻釋放總線(xiàn)并進(jìn)入接收狀態(tài)數(shù)字化溫度傳感器在檢測(cè)到總線(xiàn)的上升沿之后等待15-60us接著溫度傳感器在t2時(shí)刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)60-240us)如圖中虛線(xiàn)所示

圖10初始化

(2)寫(xiě)時(shí)間隙

當(dāng)主機(jī)總線(xiàn)t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)就產(chǎn)生寫(xiě)時(shí)間隙見(jiàn)圖11圖12從t0時(shí)刻開(kāi)始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫(xiě)的位送到總線(xiàn)上傳感器在t后15-60us間對(duì)總線(xiàn)采樣若低電平寫(xiě)入的位是0見(jiàn)圖11若高電平寫(xiě)入的位是1見(jiàn)圖12連續(xù)寫(xiě)2位間的間隙應(yīng)大于1us。

(3)讀時(shí)間隙

機(jī)總線(xiàn)t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)總線(xiàn)只須保持低電平1μs之后在t1時(shí)刻將總線(xiàn)拉高產(chǎn)生讀時(shí)間隙讀時(shí)間隙在t1時(shí)刻后t2時(shí)刻前有效t2距t0為15μs也就是說(shuō)t2時(shí)刻前主機(jī)必須完成讀位并在t0后的60μs-120μs內(nèi)釋放總線(xiàn)

Lonworks總線(xiàn)技術(shù)

LonWorks是美國(guó)Echelon公司1992年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò),最初主要用于樓宇自動(dòng)化,但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)。LonWorks技術(shù)為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開(kāi)放、成品化的解決途徑。LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(NeuronChip)。該芯片內(nèi)部裝有3個(gè)微處理器:MAC處理器完成介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制;網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;應(yīng)用處理器完成用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)控制應(yīng)用。它們之間通過(guò)公用存儲(chǔ)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(shè)置11個(gè)I/O口。這些I/O口可根據(jù)需求不同來(lái)靈活配置與外圍設(shè)備的接口,如RS232、并口、定時(shí)/計(jì)數(shù)、間隔處理、位I/O等。