高爐冷卻壁水溫差及熱流強(qiáng)度高精度監(jiān)測系統(tǒng)

凌 晨,范 晨

（飛馬智科信息技術(shù)股份有限公司，安徽馬鞍山，243000）

引言

高爐煉鐵工藝作為鋼鐵企業(yè)利潤的成本中心，其生產(chǎn)的穩(wěn)定順行一直是鋼鐵企業(yè)的頭等大事。然而受耐材質(zhì)量、原燃料條件、砌筑質(zhì)量、冶煉強(qiáng)度、操作水平、監(jiān)測手段等各種因素的影響，高爐的壽命差別很大。幾乎所有的鋼鐵企業(yè)都在通過技改工程或信息化技術(shù)改造等方式提升高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定指數(shù)。同樣，某鋼也在技改上做著努力，為了穩(wěn)定爐況在其高爐實(shí)施了冷卻壁水溫差及熱流強(qiáng)度高精度監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

高爐冷卻壁水溫差及熱流強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)的精度是實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定順行的重要保障之一。本系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)目標(biāo)：

(1)自動(dòng)采集存儲(chǔ)冷卻壁進(jìn)出水溫度，測量精度為0.02℃，量程為0～80℃，傳感器防護(hù)等級(jí)≥IP67；

(2)自動(dòng)采集存儲(chǔ)冷卻壁進(jìn)水流量，測量精度為0.5%，傳感器防護(hù)等級(jí)≥IP67；

(3)冷卻壁水溫差、熱流強(qiáng)度的自動(dòng)計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示和歷史查詢；

(4)冷卻壁水溫差、熱流強(qiáng)度的自動(dòng)預(yù)警、預(yù)警查詢及預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定；

2 系統(tǒng)框架

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由水溫差傳感器、接收器、配電集線箱、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、工控機(jī)、電源線、信號(hào)線等組成，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由以下四模塊組成：冷卻壁水溫及流量實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)模塊；冷卻壁水溫差、熱流強(qiáng)度實(shí)時(shí)計(jì)算存儲(chǔ)模塊；冷卻壁水溫差、熱流強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)視和歷史曲線查詢模塊；冷卻壁水溫、水溫差、熱流強(qiáng)度預(yù)警及預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定模塊。

3 方案設(shè)計(jì)及測試標(biāo)定

3.1 測溫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

測溫節(jié)點(diǎn)硬件部分主要由MC9S08AW60最小系統(tǒng)、電源模塊、電橋電路、溫度信號(hào)處理電路和通信電路組成。電源模塊為各個(gè)模塊服務(wù)。為提高測量精度，采用外置24位AD轉(zhuǎn)換器AD7799。此外為提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性能還設(shè)計(jì)了各種保護(hù)電路。

圖2 測溫節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖

AW60最小系統(tǒng)以HCS08為內(nèi)核，60KB的Flash和2048KB的RAM，10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串行通信接口模塊、串行外設(shè)接口模塊、PWM、KBI等片內(nèi)資源。電源電路采用集成的低壓差線性穩(wěn)壓芯片LM2940，并聯(lián)兩個(gè)電容對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，使輸出電壓紋波小于0.3%。儀表通訊接口電路由SN65LBC184收發(fā)器和總線鉗位電路構(gòu)成，SN65LBC184為瞬態(tài)電壓抑制差動(dòng)RS485收發(fā)器，內(nèi)置高性能瞬態(tài)電壓保護(hù)器元件。這個(gè)特性提高了器件對(duì)瞬態(tài)耦合噪聲的免疫力，并且電路結(jié)構(gòu)簡單。24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7799帶有完整的模擬輸入前端，由于其內(nèi)部有可編程的放大電路，測量傳感器輸出的微弱信號(hào)可以直接加在該AD的輸入端，然后在AD內(nèi)部放大后再作為采樣值輸入。電橋電路設(shè)計(jì)見圖，r1、r2、r3為三線制Pt1000三根引線的等效電阻，4R1為第一調(diào)零電阻，4R2為第二調(diào)零電阻，4Ref為參考電阻，Rt為Pt1000鉑電阻阻值，4Ri1和4Ri2為限流電阻，流過Pt1000的電流為0.17mA，并且是輸入電壓Ain+，Ain-都高于0.6V，保證AD7799正常放大和正常進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖3 電橋電路設(shè)計(jì)圖

3.2 溫度數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

溫度數(shù)據(jù)采集終端采用飛思卡爾S12X系列16位芯片MC9S12XS128D單片機(jī)為MCU，通過RS485接口電路采集所有通道的溫度數(shù)據(jù)，并通過與上位機(jī)相連的485芯片將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到位于中控室的遠(yuǎn)程服務(wù)器，并對(duì)所有通道的通信狀況及供電狀態(tài)進(jìn)行聲光報(bào)警。采集到的溫度數(shù)據(jù)可以在LCD12864顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，LED數(shù)碼管可以顯示采集終端的設(shè)備地址。

3.3 測試與標(biāo)定

搭建測溫硬件測試平臺(tái)，配置FLUKE7008恒溫槽，溫度范圍-5～110℃、FLUKE1551標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、測溫傳感器、上位機(jī)。調(diào)節(jié)選取10個(gè)恒溫槽溫度設(shè)定值記錄液晶指示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與fluke指示數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析顯示單片機(jī)輸出的溫度值與分度表誤差不超過0.017，在本系統(tǒng)所允許的誤差（0.02℃）范圍內(nèi)，適用于高爐水溫差高精度監(jiān)測。

4 實(shí)施效果

針對(duì)高爐不同部位的監(jiān)測需求設(shè)計(jì)了施工方案，包括測溫節(jié)點(diǎn)、終端的軟硬件設(shè)計(jì)、監(jiān)測點(diǎn)布置安裝、施工等內(nèi)容。監(jiān)測點(diǎn)布置見表1，展示頁面見圖4所示。

表1 監(jiān)測點(diǎn)布置

圖4 監(jiān)測結(jié)果展示圖

5 結(jié)束語

根據(jù)本文所述方法，采用pt1000作為溫度傳感器，使用雙電橋測溫電路，16位ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以確保高精度測溫。具有低功耗、長距離、高速率、自診斷的特點(diǎn)，安裝施工和維護(hù)也極為便捷。高精度水溫差及熱流強(qiáng)度的監(jiān)測為高爐長壽、操作人員安全提供了保障。