结晶器液位检测和控制系统优化

1  引言

                   
　　在连铸生产过程中 ，结晶器钢水液位自动控制用于减少和避免漏钢溢钢 ，对于提高铸坯质量和稳定生产过程起着重要作用，而结晶器液位的精确检测是实现液位自动控制的关键。济钢1#连铸机结晶器液位检测系统原来设计采用放射源co60，因为co60的使用寿命接近极限，而该备件一直无法提报。近年来，涡流式钢水液位计的实用化进展很快，具有反应速度快，测量精度高，不需特殊安全防护 安装维护方便等显著优点。因此改造采用国内生产的ram系列涡流型钢水液位控制仪，并对结晶器液位控制系统进行了优化与完善。
           
2  测量系统组成以及工作原理
           
　　2.1 辐射法结晶器液位检测
                   
　　co60辐射法结晶器液位检测系统工作原理co60辐射法结晶器液面检测测量原理基于当核辐射射线穿过物体时其辐射活度会减弱的物理原理。γ射线辐射活度的吸收率遵循指数规律：
                   
　　i=i0e-μρd
                   
　　物质吸收系数μ取决于所用的放射源(co-60或cs-137)和测量区域内熔钢的重量ρ×d。由于结晶器壁及背板的厚度已知，钢水的特定重量实际上并不改变，所以检测的效果就不会改变。换句话说，结晶器壁及背板的厚度不会对检测精度有任何影响，而只会使射线活度造稳定的衰减，而它可通过提高放射源的活度来进行补偿。测量系统结构如图1 所示。

                                                图1  系统结构简化框图
           
　　2.2 涡流检测结晶器液位检测
                   
　　该测量系统采用涡流式传感器测量钢水液位 ，由振荡器产生的50khz的高频信号供给传感器的初级线圈(激励线圈)，由初级线圈产生的交变磁场由于受钢水内涡流电流的影响 ，随液位高度变化。在次级线圈(测量线圈)内将产生与通过线圈内磁场的强度成正比例变化的电压v1、v2 ，从而差动电压 (v1-v 2) 随液位高度变化。v1-v2经信号比较放大，进行相位分析、频率分析、振幅分析，线性化，送给16位的高性能单片机80c196kc处理，即得到液位高度测量信号，经控制仪转换成4～20ma信号送到结晶器液位控制系统plc。通过键盘及显示窗口可以实现人机对话。控制仪测量范围为0～150mm，分辩力为0.1mm。

　　两种结晶器液位检测的综合分析比较如附表所示。

           
　                                       　附表  两种结晶器液位检测的综合分析比较
                   
3  涡流检测系统
           
　　3.1 系统硬件构成　　                                                        
                  
　　系统主要由传感器和二次表组成。二次表主要由高频振荡器、可编程信号放大器、相敏检波器、滤波器、幅度鉴别器、agc电路、线性化处理等电路构成。本文就系统关键部分电路的原理及作用加以论述。
           
　　3.2 传感器
                   
　　传感器工作温度范围为-20～80℃，结构上采用风冷式，外壳为高强度陶瓷，这样既减小对传感器的热辐射，保证了隔热冷却效果，又提高了耐受撞击的能力，提高了可靠性。液位检测时传感器悬架式安装在结晶器口上方30mm处。涡流式传感器不仅受自身测量线圈的特性影响，而且还受在它附近的金属物体(如结晶器壁) 的影响。如果传感器相对于结晶器壁的位置或宽度的改变，其灵敏度将受到影响，液位输出特性曲线也将改变，需要对因现场测量条件变化的影响进行补偿，因此传感器需要标零。
           
　　3.3 二次表电路
                   
　　(1)振荡器。振荡器为检测线圈提供电流以产生交变磁场。温度、电源电压、负载等的变化以及机械振动的影响，都有可能使振荡器的频率发生变化，造成振荡器工作的不稳定，而振荡器性能的好坏直接关系到测量的准确性。振荡源频率与幅值的稳定性是提高仪器的信噪比及温度稳定性的一个重要因素，因此采用了石英晶体振荡器，并利用精密稳压二极管组成高精度双向限幅结构
                   
　　(2)可编程信号放大器。功能是线性放大检测到的信号，并按液位信噪比要求增益或衰减检测信号。具有零电势补偿，使检测放大的信号电平位于放大器的线性或补偿其零电势，得到不失真的放大信号。
                   
　　(3) 相敏检波器、滤波器及幅度鉴别器
                  
　　相敏检波器：用来鉴别各种因素引起的信号相位，通过调节移相器的相位值，让液位信号通过，而将其它噪声信号削弱。
                
　　滤波器：采用电子有源滤波器，能使需要频率范围的信号较顺利地通过，而该频率范围以外的信号受到较大的衰减，抑制干扰信号。
                 
　　幅度鉴别器：是一个双向切除低电平噪声的电路，利用液位信号和干扰信号幅度上的差别来区分液位信号与干扰信号。
                   
　　(3) agc电路。agc电路补偿因现场测量条件变化，对特性曲线的影响。当某些测量条件改变时(如更换传感器)，即使在同一液位上，传感器的输出与原始输出也有偏差。agc电路调整放大器的增益，使偏差趋于零。更换后的传感器经标定后在检测点处与更换前具有相同的输出。
                   
　　(4) 线性化处理。由于检波输出和液位高低之间是非线性特性关系，同时每个传感器制造本身的差异，造成被测液位的信号感应量亦有不同，所以二次表需要标定刻度传感器，使之线性化处理。具体方法是：二次表将传感器感应信号测量范围分成12段，每段12.5mm，共150mm的测程范围，每一段都建立一个线形的输入对输出的关系，然后按12个线形段标定出对应于输入的输出。
                   
　　(5) 温度影响及抑制。环境温度的变化将引起涡流传感器阻抗的变化，对检测信号的影响主要来自传感器激励线圈，其次是测量线圈。线圈温度与信号之间均呈线性关系。根据这点，首先求得传感器的温度与信号数学模型，设计软件，通过单片机执行来消除温度的影响。
           
4  硬件的完善与应用软件开发
           
　　4.1  硬件系统的完善
                   
　　本控制系统主要采用l1级控制系统，设计时侧重考虑正常情况下的信号传输与处理；但在实际生产中发现，涡流检测信号在高温、干扰环境下容易出现衰减和扰动。为此运用中继、双绞、屏蔽等技术进行处理，增加fb100信号中继箱，保证了信号的实时传递。 
           
　　在液位控制仪中转换成标准信号后送到plc和上位机的过程中，考虑到意外情况下不能关闭中包塞棒，增加了一套信号传输通道fb200，一旦一路发生中断，可在不到3s的时间内投运另一路。plc和上位机在完成监控功能的同时输出信号到液压比例阀，在plc输出信号一定的前提下，重点研究了比例调节阀内放大旋钮的配合，掌握了放大和振幅之间的线性关系，可实现中包塞棒液压缸的振幅调节，进而实现结晶器液面的调节，达到液面检测和调节的闭环控制，最终实现整个l1级的闭环控制，如图2所示。

                                               图2  硬件系统的完善
           
　　4.2 应用程序开发
                   
　　在1#连铸机结晶器液位自动控制系统中，plc程序采用西门子step5.3和监控画面软factorylink开发系统控制软件。以结晶器液位的读入、检查和实际转换输出的主要功能块fc101为例，本功能块通过调用结晶器实际液位值、液压缸位置传感器的反馈信号和现场液位限位信号，完成内部pid调节的同时，在上位机上实现液位波动的实时监控与报警。
           
5  结束语
                   
　　涡流检测法结晶器液面自动控制系统于2007年3月在济钢第三炼钢厂1＃连铸机生产中投入使用，与中间包塞棒位置的设定值相比，塞棒位置的实际值在允许振幅内波动，随机振幅偏离度为1.41％，完全满足技术要求。从液面控制效果来看，结晶器液位实际值围绕液位设定值波动，波动幅度为±1ｍｍ。实践证明，液位控制系统的应用与完善，不但确保了l1级液位的精确度，而且为l2级自动浇铸奠定了基础。