高炉冷却水监测论文

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）。

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）：

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

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℃

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）

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

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。

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

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

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设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I/O等。