- 結晶器液位檢測控制系統優化
- 測量系統組成以及工作原理
- 硬件的完善與應用軟件開發
- 采用電子有源濾波器
- 采用西門子step5.3和監控畫面軟factorylink開發系統控制軟件
1 引言
在連鑄生產過程中 ，結晶器鋼水液位自動控制用于減少和避免漏鋼溢鋼，對于提高鑄坯質量和穩定生產過程起著重要作用，而結晶器液位的精確檢測是實現液位自動控制的關鍵。改造采用國內生產的ram系列渦流型鋼水液位控制儀，并對結晶器液位控制系統進行了優化與完善。
2 測量系統組成以及工作原理
2.1 輻射法結晶器液位檢測
co60輻射法結晶器液位檢測系統工作原理co60輻射法結晶器液面檢測測量原理基于當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規律：
i=i0e-μρd
物質吸收系數μ取決于所用的放射源(co-60或cs-137)和測量區域內熔鋼的重量ρ×d。由于結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。測量系統結構如圖1 所示。
圖1 系統結構簡化框圖
2.2 渦流檢測結晶器液位檢測
該測量系統采用渦流式傳感器測量鋼水液位，由振蕩器產生的50khz的高頻信號供給傳感器的初級線圈(激勵線圈)，由初級線圈產生的交變磁場由于受鋼水內渦流電流的影響，隨液位高度變化。在次級線圈(測量線圈)內將產生與通過線圈內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，經控制儀轉換成4～20ma信號送到結晶器液位控制系統plc。通過鍵盤及顯示窗口可以實現人機對話。控制儀測量范圍為0～150mm，分辯力為0.1mm。
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兩種結晶器液位檢測的綜合分析比較如附表所示。
附表 兩種結晶器液位檢測的綜合分析比較
3 渦流檢測系統
3.1 系統硬件構成
系統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成。本文就系統關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℃，結構上采用風冷式，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(如結晶器壁) 的影響。如果傳感器相對于結晶器壁的位置或寬度的改變，其靈敏度將受到影響，液位輸出特性曲線也將改變，需要對因現場測量條件變化的影響進行補償，因此傳感器需要標零。
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生變化，造成振蕩器工作的不穩定，而振蕩器性能的好壞直接關系到測量的準確性。振蕩源頻率與幅值的穩定性是提高儀器的信噪比及溫度穩定性的一個重要因素，因此采用了石英晶體振蕩器，并利用精密穩壓二極管組成高精度雙向限幅結構
(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，通過調節移相器的相位值，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分液位信號與干擾信號。
(3) agc電路。agc電路補償因現場測量條件變化，對特性曲線的影響。當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電路調整放大器的增益，使偏差趨于零。更換后的傳感器經標定后在檢測點處與更換前具有相同的輸出。
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(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量亦有不同，所以二次表需要標定刻度傳感器，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系，然后按12個線形段標定出對應于輸入的輸出。
(5) 溫度影響及抑制。環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系。根據這點，首先求得傳感器的溫度與信號數學模型，設計軟件，通過單片機執行來消除溫度的影響。
4 硬件的完善與應用軟件開發
4.1 硬件系統的完善
本控制系統主要采用l1級控制系統，設計時側重考慮正常情況下的信號傳輸與處理;但在實際生產中發現，渦流檢測信號在高溫、干擾環境下容易出現衰減和擾動。為此運用中繼、雙絞、屏蔽等技術進行處理，增加fb100信號中繼箱，保證了信號的實時傳遞。
在液位控制儀中轉換成標準信號后送到plc和上位機的過程中，考慮到意外情況下不能關閉中包塞棒，增加了一套信號傳輸通道fb200，一旦一路發生中斷，可在不到3s的時間內投運另一路。plc和上位機在完成監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，重點研究了比例調節閥內放大旋鈕的配合，掌握了放大和振幅之間的線性關系，可實現中包塞棒液壓缸的振幅調節，進而實現結晶器液面的調節，達到液面檢測和調節的閉環控制，最終實現整個l1級的閉環控制，如圖2所示。
圖2 硬件系統的完善
4.2 應用程序開發
在1#連鑄機結晶器液位自動控制系統中，plc程序采用西門子step5.3和監控畫面軟factorylink開發系統控制軟件。以結晶器液位的讀入、檢查和實際轉換輸出的主要功能塊fc101為例，本功能塊通過調用結晶器實際液位值、液壓缸位置傳感器的反饋信號和現場液位限位信號，完成內部pid調節的同時，在上位機上實現液位波動的實時監控與報警。
5 結束語
從液面控制效果來看，結晶器液位實際值圍繞液位設定值波動，波動幅度為±1mm。實踐證明，液位控制系統的應用與完善，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。
