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論文關鍵字：高爐冷卻水溫差流量數字化溫度傳感器監測系統自動控制
論文摘要：利用數字化溫度傳感器、電磁流量計對高爐冷卻水系統進行溫度和流量參數的監測，同時根據這些數據以及歷史記錄和人工設定參數等進行分析和比較，確認高爐冷卻水系統運行狀態，并對不佳狀態進行必要的調整。
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測和控制的一套系統構成及工作原理。
高爐冷卻水系統比較重要的幾個參數：
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測的重要參數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。
對高爐冷卻水系統的控制與調節中主要是對水流量進行調節，調節冷卻水流量的主要手段是調節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的調整。
系統介紹
系統從功能上分為溫度監測子系統、流量監測子系統、控制執行子系統、運算分析控制存儲子系統和查詢子系統五個部分（圖1）。
圖1高爐冷卻系統控制原理圖
溫度監測子系統溫度監測子系統構成
溫度監測子系統設備主要包括：數字化溫度傳感器、總線連接器、溫度采集器、數據轉換器等。系統構造如下圖（圖2）：
圖2：溫度監測子系統原理示意圖
溫度傳感器
測溫傳感器采用的是美國進口的數字式溫度傳感元件，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，可以在環境惡劣的測溫環境下使用。該探頭安裝簡單，拆換方便，可維護性好。
數字化溫度傳感器內部有獨立的地址編號，系統可以根據次技術參數
工作電壓：DC5V±10%
測量精度：±0.1℃
測溫范圍：-55℃～+125℃
通訊線：RVVP3x0.3(環境溫度≤70℃)
或AFP3x0.3(環境溫度≤220℃)
外形尺寸：探頭長50mm，外螺紋M16
圖3數字化溫度傳感器
數字化溫度傳感器測溫原理
圖4數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器，高溫度系數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器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，溫度傳感器就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖后進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55℃所對應的基數分別置入減法計數器和溫度寄存器中，減法計數器和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數值。減法計數器對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數器的預置將重新被裝入，減法計數器重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到減法計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。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器的預置值，只要計數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
端口數量：10通道
輸入電壓：DC5V±10%
環境溫度：-40℃～+80℃
圖5總線連接器
外形尺寸：260x230x90mm
總線連接器的作用是將數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，保證電氣連接的穩定性。
溫度采集器
ST-A溫度采集器的作用包括給數字化溫度傳感器提供電源，對多個數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，保證了系統的高速信息交換和數據采集，增強了系統的可靠性。溫度采集器使用防水標準的機殼，可適應現場的惡劣環境，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：
輸入電壓：AC220V±20%
測溫點數：20點
通訊方式：Lonworks現場總線
通訊距離：1800m（無中繼）
圖6溫度采集器
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、數據采集通道、聲光指示等功能，形成完整的設備。
ST-N數據轉換器
圖8數據轉換器
ST-N數據轉換器是整套系統數據讀入和發出命令的重要設備，是連接采集器和系統管理計算機的紐帶。它把Lonworks總線數據轉換成可以直接對計算機輸入輸出的RS232數據，有效的架起下位機和上位機之間的橋梁。數據轉換器使用防爆標準的機殼，可適應現場的惡劣環境，密閉性好，防熏蒸。Lonworks網線的無中繼最大傳輸距離大于1800米。
圖9數據轉換器工作原
數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，與目前多數標準串行數據通信方式如SPI/I2C/MICROWIRE不同，它采用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的。它具有節省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點。1-wire單總線適用于單個主機系統，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可按照單節點系統操作，而當多個從機位于總線上時則系統按照多節點系統操作。
時序：
采集器使用時間隙(timeslots)來讀寫數字化溫度傳感器的數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數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時刻發出存在脈沖(低電平持續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連續寫2位間的間隙應大于1us。
(3)讀時間隙
見圖13主機總線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
圖13讀時隙
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,但很快發展到工業現場網。LonWorks技術為設計和實現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層網絡協議;應用處理器完成用戶現場控制應用。它們之間通過公用存儲器傳遞數據。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、間隔處理、位I/O等。
流量監測子系統
流量監測子系統主要包括：電磁流量計（二次儀表）、采集模塊、協議轉換器等。
圖14流量監測子系統
電磁流量計
技術參數：
被測介質為水；
無水阻結構；
不改變管道原有結構；
圖15電磁流量計
不改變水流方向；
額定壓力1.6Mpa；
防護等級IP67；
法蘭安裝。
轉換器
技術參數：
防護等級IP65；
輸出接口4~20mA；
測量精度0.5%；
圖16流量計二次表
采集模塊
技術參數:
隔離電壓3000VDC;
有效分辨率16位;
通道8路差分;
圖17采集I/O模塊
輸入支持4~20mA;通訊協議Modbus-485;
協議轉換器
大多數工業計算機系統都帶有標準的RS-232的端口。雖然RS-232得到了普遍的使用，但它的傳輸速率、傳輸距離及網絡容量還是有一定的限制。RS-422和RS-485標準通過將數據及控制信號使用差分信號進行傳送，克服了RS-232的不足。隔離轉換器能夠讓您在早期的RS-232系統上充分利用RS-422和RS-485的優點。它能夠將RS-232信號透明轉換為RS-422和RS-485信號。您無須改動PC上的任何硬件及軟件。轉換器能夠幫您輕松地建立起一套基于PC硬件的、工業級遠程通訊系統。它能夠將通訊距離再延長1200米（4000英尺），或再增加32個連接節點。
控制執行子系統
本系統中要控制的內容包含兩方面：各閥門開度控制和加壓水泵的啟?？刂?。
當高爐冷卻系統需要對流量進行小范圍的調整，通過智能型電動閥門控制器對閥門的開度進行調節，使之調整到指定的開度；當有閥門開度已經調整到最大，依然沒有起到控制熱流的作用，考慮通過控制繼電器來啟動加壓泵。
智能型電動閥門控制器
系統有通訊功能，可以接收上位機的指令，進行遠程數字控制。運算處理后產生的控制信號驅動交流電機。閥門的控制量為閥門開度，在應用場合往往會根據實際需要將閥門開或關，或者開到一定程度，甚至動態的以某種規律開關。采用單片微處理器和外圍芯片組成智能化的位置控制單元，接收統一的標準直流信號（如4～20mA的電流信號），經信號處理及A/D轉換送至微處理器，微處理機將處理后的數據作為控制結果，與控制命令目標進行比較，以驗證控制結果。
水泵繼電控制器
控制器接受上位機命令，按照命令執行閉合或斷開加壓水泵的控制繼電器，從而控制加壓泵的啟停。
運算分析控制存儲子系統
該子系統功能主要包括：運算、實時數據廣播、分析、控制及存儲等。
運算功能1.熱流強度計算
在相應的總線上取得各個監測點的溫度、流量等數據，并將各監測數據根據其編號與數據庫中編號進行比對查詢，之后對應到其物理位置，以完成數據計算。即在數據庫中查找到某一位置上的出水溫度傳感器編號、入水溫度傳感器編號、流量計編號等，并根據這些編號在溫度和流量數據中查詢，即可取得相應的數值。
再在數據庫中查詢到用戶設置的面積、熱容等數據，根據這些數據完成熱流強度計算：
Q=q×C×ρ×(To-Ti)÷A
Q：熱流強度（W/m2）；
q：流量（L/s）；
C：熱容（J/Kg·℃）；
Ρ：介質密度（Kg/L）；
To：出水溫度（℃）；
Ti：入水溫度（℃）；
A：冷卻壁單路面積（m2）
2爐墻厚度數學模型計算
本模型的冷卻壁傳熱過程分析中，可以簡化認為爐墻的熱量損失全部被冷卻水帶走。
模型假設
(1)爐墻內的傳熱以傳導傳熱為主，煤氣與渣皮、冷卻水與水管內壁之間以對流換熱為主；
(2)爐墻的熱傳導僅是沿徑向方向進行，即本模型建立的是一維傳熱模型；
(3)溫度隨時間的變化很小，因此系統可以被認為是穩態的或準穩態的；
(4)模型計算涉及的物質，如涂層、冷卻壁本體以及掛渣等，各自都是均勻的；
(5)高爐的冷卻水管、冷卻壁、掛渣等的熱傳導系數是各向同性的，但是是隨溫度而變化的，即是傳熱中的變物性問題。
(6)傳熱過程中沒有“熱源”，也無熱量積累。
分析各傳熱過程：
爐內煤氣和爐料與渣皮熱面之間以對流換熱為主，熱流強度q1為：
爐墻(殘余磚襯+渣皮)內的傳導傳熱，熱流強度q2為：
(3)冷卻壁本體熱面層內的傳導傳熱，熱流強度q3為：
(4)從冷卻壁體到冷卻水之間有四個熱阻：氣隙層的熱阻r1；水管表面涂層的導熱熱阻r2；水管管壁的導熱熱阻r3；水管內表面與水的對流換熱熱阻r4。因此從冷卻壁體到冷卻水的傳熱經歷了氣隙傳熱、涂層導熱、水管壁導熱和管壁與冷卻水的對流換熱，這一過程傳熱過程比較復雜。
為簡化處理，將冷卻壁體與冷卻水之間的傳熱用一等效對流換熱表示，所以熱流強度q4為：
按照熱流量相等的原理：
q=q1=q2=q3=q4
將q1~q4用q替換可得：
FCD(t)=42.05-0.02689t=42.05-0.013445(t2+t3)
根據有關文獻資料，取渣皮的導熱系數λ渣＝1.0～1.2W·m-1·K-1；
αf=232W·m-2·℃-1；
αw=208.8+47.5vW·m-2·℃-1
將上述參數代入即可完成爐墻厚度的計算。
實時數據廣播
監測數據實時上傳至計算機，計算機查詢數據的對應位置后，與計算后的數據一起暫存到計算機變量，其中包括：出水溫度、入水溫度、溫差、流量、熱流強度等數據。
通過OPC（OLEforProcessControl）工控標準接口將上述數據實時到計算機網絡。
分析
軟件根據數據庫中的標準參數、報警閥值和動作閥值等信息，對監測數據做出分析和判斷，以決定軟件進行報警或啟動控制子系統的相關控制動作。
軟件用監測數據和計算所得數據與歷史數據進行比較、與標準參數進行比較，判斷高爐冷卻水系統運行是否正常，分析高爐爐型及運行情況。用監測數據和計算所得數據與報警閥值進行比較，判斷是否超出正常范圍，決定是否進行報警。用監測數據與動作閥值進行比較，當超出設置的動作閥值時啟動控制子系統，使之做出相應的動作。來調整高爐冷卻系的工作狀態。
控制
報警時啟動報警閃爍畫面，并開啟報警聲音；需要控制子系統動作時確定動作類型及幅度，并向下發送精確的控制命令，當控制動作完成時關閉或復位控制設備。
存儲
保存全部設置參數、閥值和命名等記錄。并對歷史數據進行記錄。是軟件和數據庫的核心所在。
查詢子系統
查詢子系統是純軟件系統，可以加載到局域網段內任意計算機，通過權限認證后即可接收并顯示實時監測數據，也可顯示報警狀態和控制動作狀態，還可以連接系統數據庫，查詢歷史數據、歷史曲線、趨勢圖以及抱緊和控制記錄等。
在網內任一臺加載了查詢系統軟件的計算機，通過權限認證后都可以進行全部的實時數據和歷史數據進行查詢。
結論
系統融合了數字化溫度傳感器、Lonworks現場總線、RS485差分電路、電磁流量計、電磁閥控制、面向對象的軟件編程和SQL數據庫等一系列工業監測和控制行業的先進技術。對高爐冷卻水系統進行嚴密的監測和有效的控制，很大程度上提高了高爐冷卻系統的自動化程度。同時為高爐工藝提供了對冷卻水系統更有效的監測和控制手段。
有效的測量手段和完善的數學模型可以更接近的測算出各部位爐強厚度，對高爐的安全生產有著重要的指導意義。工藝人員有了這些熱流強度及爐墻厚度數據以后可以調整高爐布料、調整風量和冷卻水流量等，有利于高爐形成最佳的高爐爐型。對高爐生產效率起到促進作用，起到對高爐冷卻系統進行有效的監測和控制，為高爐長壽奠定了基礎。新晨：
參考文獻
《高爐煉鐵設備》王宏啟王明海冶金工業出版社
《利用煤氣溫度和冷卻壁熱流強度預測高爐爐墻厚度》楊士山北京科技大學