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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，同時根據這些數(shù)據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)進行必要的調整。

引言

在高爐生產過程中，由于爐內反映產生大量的熱量，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。

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)的控制與調節(jié)中主要是對水流量進行調節(jié)，調節(jié)冷卻水流量的主要手段是調節(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{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）。

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)據轉換器等。系統(tǒng)構造如下圖（圖2）：

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)字化溫度傳感器內部有獨立的地址編號，系統(tǒng)可以根據次技術參數(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

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。內部接線端子，采用了進口產品，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℃

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，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）

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)據采集通道、聲光指示等功能，形成完整的設備。

ST-N數(shù)據轉換器

ST-N數(shù)據轉換器是整套系統(tǒng)數(shù)據讀入和發(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)據轉換成可以直接對計算機輸入輸出的RS232數(shù)據，有效的架起下位機和上位機之間的橋梁。數(shù)據轉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網線的無中繼最大傳輸距離大于1800米。

數(shù)據轉換器在主控室安裝，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，而且數(shù)據傳輸是雙向的。它具有節(jié)省I/O口線資源，結構簡單，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生寫時間隙見圖11圖12從t0時刻開始15us之內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

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內釋放總線

Lonworks總線技術

LonWorks是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網絡,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。LonWorks技術為設計和實現(xiàn)可互操作的控制網絡提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。LonWorks技術的核心是神經元芯片(NeuronChip)。該芯片內部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質訪問控制;網絡處理器完成OSI的3～6層網絡協(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。在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經元芯片特設置11個I/O口。這些I/O口可根據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。