高炉冷却壁水温差及热流强度高精度监测系统

凌 晨,范 晨

（飞马智科信息技术股份有限公司，安徽马鞍山，243000）

引言

高炉炼铁工艺作为钢铁企业利润的成本中心，其生产的稳定顺行一直是钢铁企业的头等大事。然而受耐材质量、原燃料条件、砌筑质量、冶炼强度、操作水平、监测手段等各种因素的影响，高炉的寿命差别很大。几乎所有的钢铁企业都在通过技改工程或信息化技术改造等方式提升高炉生产的稳定指数。同样，某钢也在技改上做着努力，为了稳定炉况在其高炉实施了冷却壁水温差及热流强度高精度监测系统。

1 系统目标

高炉冷却壁水温差及热流强度监测系统的精度是实现高炉稳定顺行的重要保障之一。本系统将实现以下技术目标：

(1)自动采集存储冷却壁进出水温度，测量精度为0.02℃，量程为0～80℃，传感器防护等级≥IP67；

(2)自动采集存储冷却壁进水流量，测量精度为0.5%，传感器防护等级≥IP67；

(3)冷却壁水温差、热流强度的自动计算、存储、显示和历史查询；

(4)冷却壁水温差、热流强度的自动预警、预警查询及预警标准设定；

2 系统框架

2.1 网络架构

网络结构由水温差传感器、接收器、配电集线箱、协议转换器、工控机、电源线、信号线等组成，网络架构如图1所示。

图1 网络架构图

2.2 系统架构

系统由以下四模块组成：冷却壁水温及流量实时采集存储模块；冷却壁水温差、热流强度实时计算存储模块；冷却壁水温差、热流强度实时监视和历史曲线查询模块；冷却壁水温、水温差、热流强度预警及预警标准设定模块。

3 方案设计及测试标定

3.1 测温节点设计

测温节点硬件部分主要由MC9S08AW60最小系统、电源模块、电桥电路、温度信号处理电路和通信电路组成。电源模块为各个模块服务。为提高测量精度，采用外置24位AD转换器AD7799。此外为提高系统运行的稳定性能还设计了各种保护电路。

图2 测温节点硬件设计框图

AW60最小系统以HCS08为内核，60KB的Flash和2048KB的RAM，10位模数转换器、2个串行通信接口模块、串行外设接口模块、PWM、KBI等片内资源。电源电路采用集成的低压差线性稳压芯片LM2940，并联两个电容对输出电压进行滤波，使输出电压纹波小于0.3%。仪表通讯接口电路由SN65LBC184收发器和总线钳位电路构成，SN65LBC184为瞬态电压抑制差动RS485收发器，内置高性能瞬态电压保护器元件。这个特性提高了器件对瞬态耦合噪声的免疫力，并且电路结构简单。24位A/D转换器AD7799带有完整的模拟输入前端，由于其内部有可编程的放大电路，测量传感器输出的微弱信号可以直接加在该AD的输入端，然后在AD内部放大后再作为采样值输入。电桥电路设计见图，r1、r2、r3为三线制Pt1000三根引线的等效电阻，4R1为第一调零电阻，4R2为第二调零电阻，4Ref为参考电阻，Rt为Pt1000铂电阻阻值，4Ri1和4Ri2为限流电阻，流过Pt1000的电流为0.17mA，并且是输入电压Ain+，Ain-都高于0.6V，保证AD7799正常放大和正常进行AD转换。

图3 电桥电路设计图

3.2 温度数据采集终端设计

温度数据采集终端采用飞思卡尔S12X系列16位芯片MC9S12XS128D单片机为MCU，通过RS485接口电路采集所有通道的温度数据，并通过与上位机相连的485芯片将采集到的数据发送到位于中控室的远程服务器，并对所有通道的通信状况及供电状态进行声光报警。采集到的温度数据可以在LCD12864显示器上进行实时显示，LED数码管可以显示采集终端的设备地址。

3.3 测试与标定

搭建测温硬件测试平台，配置FLUKE7008恒温槽，温度范围-5～110℃、FLUKE1551标准温度计、测温传感器、上位机。调节选取10个恒温槽温度设定值记录液晶指示实验数据与fluke指示数据，实验数据及误差分析显示单片机输出的温度值与分度表误差不超过0.017，在本系统所允许的误差（0.02℃）范围内，适用于高炉水温差高精度监测。

4 实施效果

针对高炉不同部位的监测需求设计了施工方案，包括测温节点、终端的软硬件设计、监测点布置安装、施工等内容。监测点布置见表1，展示页面见图4所示。

表1 监测点布置

图4 监测结果展示图

5 结束语

根据本文所述方法，采用pt1000作为温度传感器，使用双电桥测温电路，16位ADC进行A/D转换，可以确保高精度测温。具有低功耗、长距离、高速率、自诊断的特点，安装施工和维护也极为便捷。高精度水温差及热流强度的监测为高炉长寿、操作人员安全提供了保障。