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[導(dǎo)讀]1 引言   在連鑄生產(chǎn)過程中 ,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

1  引言

                   
  在連鑄生產(chǎn)過程中 ,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,而該備件一直無法提報(bào)。近年來,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,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,而它可通過提高放射源的活度來進(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:用來鑒別各種因素引起的信號(hào)相位,通過調(diào)節(jié)移相器的相位值,讓液位信號(hào)通過,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,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,通過單片機(jī)執(zhí)行來消除溫度的影響。
           
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
                   
  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)。

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