結(jié)晶器液位檢測和控制系統(tǒng)優(yōu)化

1  引言

                   
　　在連鑄生產(chǎn)過程中 ，結(jié)晶器鋼水液位自動控制用于減少和避免漏鋼溢鋼 ，對于提高鑄坯質(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是實現(xiàn)液位自動控制的關(guān)鍵。濟鋼1#連鑄機結(jié)晶器液位檢測系統(tǒng)原來設(shè)計采用放射源co60，因為co60的使用壽命接近極限，而該備件一直無法提報。近年來，渦流式鋼水液位計的實用化進展很快，具有反應(yīng)速度快，測量精度高，不需特殊安全防護 安裝維護方便等顯著優(yōu)點。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，并對結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化與完善。
           
2  測量系統(tǒng)組成以及工作原理
           
　　2.1 輻射法結(jié)晶器液位檢測
                   
　　co60輻射法結(jié)晶器液位檢測系統(tǒng)工作原理co60輻射法結(jié)晶器液面檢測測量原理基于當(dāng)核輻射射線穿過物體時其輻射活度會減弱的物理原理。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，鋼水的特定重量實際上并不改變，所以檢測的效果就不會改變。換句話說，結(jié)晶器壁及背板的厚度不會對檢測精度有任何影響，而只會使射線活度造穩(wěn)定的衰減，而它可通過提高放射源的活度來進行補償。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

                                                圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化框圖
           
　　2.2 渦流檢測結(jié)晶器液位檢測
                   
　　該測量系統(tǒng)采用渦流式傳感器測量鋼水液位 ，由振蕩器產(chǎn)生的50khz的高頻信號供給傳感器的初級線圈(激勵線圈)，由初級線圈產(chǎn)生的交變磁場由于受鋼水內(nèi)渦流電流的影響 ，隨液位高度變化。在次級線圈(測量線圈)內(nèi)將產(chǎn)生與通過線圈內(nèi)磁場的強度成正比例變化的電壓v1、v2 ，從而差動電壓 (v1-v 2) 隨液位高度變化。v1-v2經(jīng)信號比較放大，進行相位分析、頻率分析、振幅分析，線性化，送給16位的高性能單片機80c196kc處理，即得到液位高度測量信號，經(jīng)控制儀轉(zhuǎn)換成4～20ma信號送到結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)plc。通過鍵盤及顯示窗口可以實現(xiàn)人機對話?？刂苾x測量范圍為0～150mm，分辯力為0.1mm。

　　兩種結(jié)晶器液位檢測的綜合分析比較如附表所示。

           
　                                       　附表  兩種結(jié)晶器液位檢測的綜合分析比較
                   
3  渦流檢測系統(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，外殼為高強度陶瓷，這樣既減小對傳感器的熱輻射，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。液位檢測時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，需要對因現(xiàn)場測量條件變化的影響進行補償，因此傳感器需要標(biāo)零。
           
　　3.3 二次表電路
                   
　　(1)振蕩器。振蕩器為檢測線圈提供電流以產(chǎn)生交變磁場。溫度、電源電壓、負載等的變化以及機械振動的影響，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)可編程信號放大器。功能是線性放大檢測到的信號，并按液位信噪比要求增益或衰減檢測信號。具有零電勢補償，使檢測放大的信號電平位于放大器的線性或補償其零電勢，得到不失真的放大信號。
                   
　　(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相位，通過調(diào)節(jié)移相器的相位值，讓液位信號通過，而將其它噪聲信號削弱。
                
　　濾波器：采用電子有源濾波器，能使需要頻率范圍的信號較順利地通過，而該頻率范圍以外的信號受到較大的衰減，抑制干擾信號。
                 
　　幅度鑒別器：是一個雙向切除低電平噪聲的電路，利用液位信號和干擾信號幅度上的差別來區(qū)分液位信號與干擾信號。
                   
　　(3) agc電路。agc電路補償因現(xiàn)場測量條件變化，對特性曲線的影響。當(dāng)某些測量條件改變時(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)定后在檢測點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，同時每個傳感器制造本身的差異，造成被測液位的信號感應(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)信號測量范圍分成12段，每段12.5mm，共150mm的測程范圍，每一段都建立一個線形的輸入對輸出的關(guān)系，然后按12個線形段標(biāo)定出對應(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，對檢測信號的影響主要來自傳感器激勵線圈，其次是測量線圈。線圈溫度與信號之間均呈線性關(guān)系。根據(jù)這點，首先求得傳感器的溫度與信號數(shù)學(xué)模型，設(shè)計軟件，通過單片機執(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級控制系統(tǒng)，設(shè)計時側(cè)重考慮正常情況下的信號傳輸與處理；但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，渦流檢測信號在高溫、干擾環(huán)境下容易出現(xiàn)衰減和擾動。為此運用中繼、雙絞、屏蔽等技術(shù)進行處理，增加fb100信號中繼箱，保證了信號的實時傳遞。 
           
　　在液位控制儀中轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號后送到plc和上位機的過程中，考慮到意外情況下不能關(guān)閉中包塞棒，增加了一套信號傳輸通道fb200，一旦一路發(fā)生中斷，可在不到3s的時間內(nèi)投運另一路。plc和上位機在完成監(jiān)控功能的同時輸出信號到液壓比例閥，在plc輸出信號一定的前提下，重點研究了比例調(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，可實現(xiàn)中包塞棒液壓缸的振幅調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)結(jié)晶器液面的調(diào)節(jié)，達到液面檢測和調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，最終實現(xiàn)整個l1級的閉環(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#連鑄機結(jié)晶器液位自動控制系統(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)晶器實際液位值、液壓缸位置傳感器的反饋信號和現(xiàn)場液位限位信號，完成內(nèi)部pid調(diào)節(jié)的同時，在上位機上實現(xiàn)液位波動的實時監(jiān)控與報警。
           
5  結(jié)束語
                   
　　渦流檢測法結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)于2007年3月在濟鋼第三煉鋼廠1＃連鑄機生產(chǎn)中投入使用，與中間包塞棒位置的設(shè)定值相比，塞棒位置的實際值在允許振幅內(nèi)波動，隨機振幅偏離度為1.41％，完全滿足技術(shù)要求。從液面控制效果來看，結(jié)晶器液位實際值圍繞液位設(shè)定值波動，波動幅度為±1ｍｍ。實踐證明，液位控制系統(tǒng)的應(yīng)用與完善，不但確保了l1級液位的精確度，而且為l2級自動澆鑄奠定了基礎(chǔ)。