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论文关键字：高炉冷却水温差流量数字化温度传感器监测系统自动控制
论文摘要：利用数字化温度传感器、电磁流量计对高炉冷却水系统进行温度和流量参数的监测，同时根据这些数据以及历史记录和人工设定参数等进行分析和比较，确认高炉冷却水系统运行状态，并对不佳状态进行必要的调整。
引言
在高炉生产过程中，由于炉内反映产生大量的热量，任何炉衬材料都难以承受这样的高温作用，必须对其炉体进行合理的冷却，同时对冷却介质进行有效的控制，以便达到有效的冷却，使之既不危及耐火材料的寿命，又不会因为冷却元件的泄露而影响高炉的操作。因此对高炉冷却介质进行必要的监测和控制尤为重要。本文主要阐述对高炉水冷却部分进行监测和控制的一套系统构成及工作原理。
高炉冷却水系统比较重要的几个参数：
高炉冷却的作用：
1．降低炉衬温度，使炉衬保持一定的强度，维护合理的操作炉型，延长高炉寿命和安全生产
2．形成保护性渣皮，铁壳和石墨层，保护炉衬并代替炉衬工作
3．保护炉壳、支柱等金属结构，免受高温的影响，有些设备如风口、渣口、热风阀等用水冷却以延长其寿命
4．有些冷却设备可起支撑部分砖衬的作用
就其作用而言，相对重要的是降低温度，带走热量以形成保护性渣皮，维护合理炉型。因此冷却系统在不同位置带走热量的多少很重要，有冷却器的热平衡分析可知，冷却水带走的热量与水量、进出水温差、水的比热容成正比关系，而水的比热容是一个常量，所以对冷却水我们需要监测的重要参数是水流量和进出水温差。
我们通过在冷却器进水或出水支管上安装流量计来获取流量值，通过在进水和出水分别安装温度传感器来获取进出水温度，通过计算得到温差。
对高炉冷却水系统的控制与调节中主要是对水流量进行调节，调节冷却水流量的主要手段是调节控水阀门的开度和启动加压泵加大进水压力两种方式。
因此我们要做的就是监测高炉冷却水的进出水温差和流量，通过计算得出热流强度，再根据热流强度对高炉当前部位炉墙厚度等状况进行判断，并对局部水量或整体水量做适当的调整。
系统介绍
系统从功能上分为温度监测子系统、流量监测子系统、控制执行子系统、运算分析控制存储子系统和查询子系统五个部分（图1）。
图1高炉冷却系统控制原理图
温度监测子系统温度监测子系统构成
温度监测子系统设备主要包括：数字化温度传感器、总线连接器、温度采集器、数据转换器等。系统构造如下图（图2）：
图2：温度监测子系统原理示意图
温度传感器
测温传感器采用的是美国进口的数字式温度传感元件，其精度高，抗干扰能力强，测温范围广等特点使得在低温测量系统中用量非常大。其外壳采用不锈钢制成，防水、耐腐蚀，可以在环境恶劣的测温环境下使用。该探头安装简单，拆换方便，可维护性好。
数字化温度传感器内部有独立的地址编号，系统可以根据次技术参数
工作电压：DC5V±10%
测量精度：±0.1℃
测温范围：-55℃～+125℃
通讯线：RVVP3x0.3(环境温度≤70℃)
或AFP3x0.3(环境温度≤220℃)
外形尺寸：探头长50mm，外螺纹M16
图3数字化温度传感器
数字化温度传感器测温原理
图4数字化温度传感器测温原理
温度传感器的测温原理如图（图4）所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，温度传感器就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器和温度寄存器中，减法计数器和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图4中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。
总线连接器
ST-X接线箱与ST-D保护箱组合，形成双层铁制外壳，坚固耐用，安装简便，并且防雨、防熏蒸、防腐蚀，外观美观大方，接线方便。内部接线端子，采用了进口产品，触点接触良好，接线方便快捷，易于维护。最多可以和10个温度传感器对应连接，有1路输出端子。
技术参数
端口数量：10通道
输入电压：DC5V±10%
环境温度：-40℃～+80℃
图5总线连接器
外形尺寸：260x230x90mm
总线连接器的作用是将数字化温度传感器简单的连接，重要是将传感器连接接点处放置于保护箱内，通过插接件及电路连接，保证电气连接的稳定性。
温度采集器
ST-A温度采集器的作用包括给数字化温度传感器提供电源，对多个数字化温度传感器进行温度采集并按照次序存贮到，采用先进的Lonworks技术，保证了系统的高速信息交换和数据采集，增强了系统的可靠性。温度采集器使用防水标准的机壳，可适应现场的恶劣环境，密闭性好，防熏蒸。而且温度采集器带有过压、过流、突波、隔离、雷击保护电路。测温传感器通过总线连接器连接到温度采集器，连接电缆长度最长可达100米，每个温度采集器可连接20个温度传感器。
技术参数：
输入电压：AC220V±20%
测温点数：20点
通讯方式：Lonworks现场总线
通讯距离：1800m（无中继）
图6温度采集器
外形尺寸：300x250x120mm
采样速率：5点/秒
工作温度：-20～+80℃
采集器以控制器为核心以电源为外围辅助，整和通讯、数据采集通道、声光指示等功能，形成完整的设备。
ST-N数据转换器
图8数据转换器
ST-N数据转换器是整套系统数据读入和发出命令的重要设备，是连接采集器和系统管理计算机的纽带。它把Lonworks总线数据转换成可以直接对计算机输入输出的RS232数据，有效的架起下位机和上位机之间的桥梁。数据转换器使用防爆标准的机壳，可适应现场的恶劣环境，密闭性好，防熏蒸。Lonworks网线的无中继最大传输距离大于1800米。
图9数据转换器工作原
数据转换器在主控室安装，功能相对简单，用Lonworks通讯模块和RS232通讯电路构建，其他包括电源和状态指示部分。
1-wire总线
1-wire单总线是Maxim全资子公司Dallas的一项专有技术，与目前多数标准串行数据通信方式如SPI/I2C/MICROWIRE不同，它采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。它具有节省I/O口线资源，结构简单，成本低廉，便于总线扩展和维护等诸多优点。1-wire单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个从机位于总线上时系统可按照单节点系统操作，而当多个从机位于总线上时则系统按照多节点系统操作。
时序：
采集器使用时间隙(timeslots)来读写数字化温度传感器的数据位和写命令字的位：
(1)初始化
时序见（图10）主机总线t0时刻发送一复位脉冲(最短为480us的低电平信号)接着在t1时刻释放总线并进入接收状态数字化温度传感器在检测到总线的上升沿之后等待15-60us接着温度传感器在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60-240us)如图中虚线所示
图10初始化
(2)写时间隙
当主机总线t0时刻从高拉至低电平时就产生写时间隙见图11图12从t0时刻开始15us之内应将所需写的位送到总线上传感器在t后15-60us间对总线采样若低电平写入的位是0见图11若高电平写入的位是1见图12连续写2位间的间隙应大于1us。
(3)读时间隙
见图13主机总线t0时刻从高拉至低电平时总线只须保持低电平1μs之后在t1时刻将总线拉高产生读时间隙读时间隙在t1时刻后t2时刻前有效t2距t0为15μs也就是说t2时刻前主机必须完成读位并在t0后的60μs-120μs内释放总线
图13读时隙
Lonworks总线技术
LonWorks是美国Echelon公司1992年推出的局部操作网络,最初主要用于楼宇自动化,但很快发展到工业现场网。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。LonWorks技术的核心是神经元芯片(NeuronChip)。该芯片内部装有3个微处理器:MAC处理器完成介质访问控制;网络处理器完成OSI的3～6层网络协议;应用处理器完成用户现场控制应用。它们之间通过公用存储器传递数据。在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I/O等。
流量监测子系统
流量监测子系统主要包括：电磁流量计（二次仪表）、采集模块、协议转换器等。
图14流量监测子系统
电磁流量计
技术参数：
被测介质为水；
无水阻结构；
不改变管道原有结构；
图15电磁流量计
不改变水流方向；
额定压力1.6Mpa；
防护等级IP67；
法兰安装。
转换器
技术参数：
防护等级IP65；
输出接口4~20mA；
测量精度0.5%；
图16流量计二次表
采集模块
技术参数:
隔离电压3000VDC;
有效分辨率16位;
通道8路差分;
图17采集I/O模块
输入支持4~20mA;通讯协议Modbus-485;
协议转换器
大多数工业计算机系统都带有标准的RS-232的端口。虽然RS-232得到了普遍的使用，但它的传输速率、传输距离及网络容量还是有一定的限制。RS-422和RS-485标准通过将数据及控制信号使用差分信号进行传送，克服了RS-232的不足。隔离转换器能够让您在早期的RS-232系统上充分利用RS-422和RS-485的优点。它能够将RS-232信号透明转换为RS-422和RS-485信号。您无须改动PC上的任何硬件及软件。转换器能够帮您轻松地建立起一套基于PC硬件的、工业级远程通讯系统。它能够将通讯距离再延长1200米（4000英尺），或再增加32个连接节点。
控制执行子系统
本系统中要控制的内容包含两方面：各阀门开度控制和加压水泵的启停控制。
当高炉冷却系统需要对流量进行小范围的调整，通过智能型电动阀门控制器对阀门的开度进行调节，使之调整到指定的开度；当有阀门开度已经调整到最大，依然没有起到控制热流的作用，考虑通过控制继电器来启动加压泵。
智能型电动阀门控制器
系统有通讯功能，可以接收上位机的指令，进行远程数字控制。运算处理后产生的控制信号驱动交流电机。阀门的控制量为阀门开度，在应用场合往往会根据实际需要将阀门开或关，或者开到一定程度，甚至动态的以某种规律开关。采用单片微处理器和外围芯片组成智能化的位置控制单元，接收统一的标准直流信号（如4～20mA的电流信号），经信号处理及A/D转换送至微处理器，微处理机将处理后的数据作为控制结果，与控制命令目标进行比较，以验证控制结果。
水泵继电控制器
控制器接受上位机命令，按照命令执行闭合或断开加压水泵的控制继电器，从而控制加压泵的启停。
运算分析控制存储子系统
该子系统功能主要包括：运算、实时数据广播、分析、控制及存储等。
运算功能1.热流强度计算
在相应的总线上取得各个监测点的温度、流量等数据，并将各监测数据根据其编号与数据库中编号进行比对查询，之后对应到其物理位置，以完成数据计算。即在数据库中查找到某一位置上的出水温度传感器编号、入水温度传感器编号、流量计编号等，并根据这些编号在温度和流量数据中查询，即可取得相应的数值。
再在数据库中查询到用户设置的面积、热容等数据，根据这些数据完成热流强度计算：
Q=q×C×ρ×(To-Ti)÷A
Q：热流强度（W/m2）；
q：流量（L/s）；
C：热容（J/Kg·℃）；
Ρ：介质密度（Kg/L）；
To：出水温度（℃）；
Ti：入水温度（℃）；
A：冷却壁单路面积（m2）
2炉墙厚度数学模型计算
本模型的冷却壁传热过程分析中，可以简化认为炉墙的热量损失全部被冷却水带走。
模型假设
(1)炉墙内的传热以传导传热为主，煤气与渣皮、冷却水与水管内壁之间以对流换热为主；
(2)炉墙的热传导仅是沿径向方向进行，即本模型建立的是一维传热模型；
(3)温度随时间的变化很小，因此系统可以被认为是稳态的或准稳态的；
(4)模型计算涉及的物质，如涂层、冷却壁本体以及挂渣等，各自都是均匀的；
(5)高炉的冷却水管、冷却壁、挂渣等的热传导系数是各向同性的，但是是随温度而变化的，即是传热中的变物性问题。
(6)传热过程中没有“热源”，也无热量积累。
分析各传热过程：
炉内煤气和炉料与渣皮热面之间以对流换热为主，热流强度q1为：
炉墙(残余砖衬+渣皮)内的传导传热，热流强度q2为：
(3)冷却壁本体热面层内的传导传热，热流强度q3为：
(4)从冷却壁体到冷却水之间有四个热阻：气隙层的热阻r1；水管表面涂层的导热热阻r2；水管管壁的导热热阻r3；水管内表面与水的对流换热热阻r4。因此从冷却壁体到冷却水的传热经历了气隙传热、涂层导热、水管壁导热和管壁与冷却水的对流换热，这一过程传热过程比较复杂。
为简化处理，将冷却壁体与冷却水之间的传热用一等效对流换热表示，所以热流强度q4为：
按照热流量相等的原理：
q=q1=q2=q3=q4
将q1~q4用q替换可得：
FCD(t)=42.05-0.02689t=42.05-0.013445(t2+t3)
根据有关文献资料，取渣皮的导热系数λ渣＝1.0～1.2W·m-1·K-1；
αf=232W·m-2·℃-1；
αw=208.8+47.5vW·m-2·℃-1
将上述参数代入即可完成炉墙厚度的计算。
实时数据广播
监测数据实时上传至计算机，计算机查询数据的对应位置后，与计算后的数据一起暂存到计算机变量，其中包括：出水温度、入水温度、温差、流量、热流强度等数据。
通过OPC（OLEforProcessControl）工控标准接口将上述数据实时到计算机网络。
分析
软件根据数据库中的标准参数、报警阀值和动作阀值等信息，对监测数据做出分析和判断，以决定软件进行报警或启动控制子系统的相关控制动作。
软件用监测数据和计算所得数据与历史数据进行比较、与标准参数进行比较，判断高炉冷却水系统运行是否正常，分析高炉炉型及运行情况。用监测数据和计算所得数据与报警阀值进行比较，判断是否超出正常范围，决定是否进行报警。用监测数据与动作阀值进行比较，当超出设置的动作阀值时启动控制子系统，使之做出相应的动作。来调整高炉冷却系的工作状态。
控制
报警时启动报警闪烁画面，并开启报警声音；需要控制子系统动作时确定动作类型及幅度，并向下发送精确的控制命令，当控制动作完成时关闭或复位控制设备。
存储
保存全部设置参数、阀值和命名等记录。并对历史数据进行记录。是软件和数据库的核心所在。
查询子系统
查询子系统是纯软件系统，可以加载到局域网段内任意计算机，通过权限认证后即可接收并显示实时监测数据，也可显示报警状态和控制动作状态，还可以连接系统数据库，查询历史数据、历史曲线、趋势图以及抱紧和控制记录等。
在网内任一台加载了查询系统软件的计算机，通过权限认证后都可以进行全部的实时数据和历史数据进行查询。
结论
系统融合了数字化温度传感器、Lonworks现场总线、RS485差分电路、电磁流量计、电磁阀控制、面向对象的软件编程和SQL数据库等一系列工业监测和控制行业的先进技术。对高炉冷却水系统进行严密的监测和有效的控制，很大程度上提高了高炉冷却系统的自动化程度。同时为高炉工艺提供了对冷却水系统更有效的监测和控制手段。
有效的测量手段和完善的数学模型可以更接近的测算出各部位炉强厚度，对高炉的安全生产有着重要的指导意义。工艺人员有了这些热流强度及炉墙厚度数据以后可以调整高炉布料、调整风量和冷却水流量等，有利于高炉形成最佳的高炉炉型。对高炉生产效率起到促进作用，起到对高炉冷却系统进行有效的监测和控制，为高炉长寿奠定了基础。新晨：
参考文献
《高炉炼铁设备》王宏启王明海冶金工业出版社
《利用煤气温度和冷却壁热流强度预测高炉炉墙厚度》杨士山北京科技大学