引言

紺場檢測系統(tǒng)的測量方法采用了直流電阻的測試原理,即通過測量兩個安裝于不同部位的非磁性不銹鋼電極來監(jiān)控紺場狀態(tài)。第一個電極直接與金屬熔液接觸,另一個網(wǎng)狀電極則安裝在感應(yīng)爐線圈內(nèi)的爐襯中。紺場檢測系統(tǒng)的分析主要基于陶瓷紺場的溫度變化,因?yàn)殡S著溫度升高,陶瓷紺場的電阻將會呈對數(shù)遞減規(guī)律。此外,隨著裂紋逐漸擴(kuò)大及層狀腐蝕縮短熔煉液與電極網(wǎng)之間的電阻距離,系統(tǒng)的敏感度將會提高,電勢差降低,因此測得的電阻值更低。

此檢測系統(tǒng)采用了兩路冗余設(shè)計(jì)方案,既能降低系統(tǒng)故障概率,又可有效進(jìn)行測得結(jié)果比對,設(shè)備控制系統(tǒng)可持續(xù)記錄紺場電阻值并向操作人員報(bào)告紺場的狀態(tài)。人機(jī)界面中預(yù)留了紺場電阻下限報(bào)警設(shè)置,操作人員可以根據(jù)實(shí)際使用紺場類型及經(jīng)驗(yàn)電阻測得數(shù)據(jù)對此進(jìn)行設(shè)定。一旦在熔煉時(shí)發(fā)生紺場電阻低于預(yù)警值的情況,則人機(jī)界面會自動進(jìn)行告警。

1如何更有效率地利用陶瓷堪場

1.1陶瓷堪場在真空感應(yīng)爐中的作用

在使用真空感應(yīng)爐進(jìn)行有色金屬熔煉的工藝過程中,陶瓷紺場在裝料階段用于裝載固體爐料:在隨后熔化、精煉及澆鑄階段又成為將金屬及合金成分熔煉為高溫金屬熔液的熔池器皿。

1.2用于真空感應(yīng)爐中陶瓷堪場的特點(diǎn)

在有色金屬冶煉生產(chǎn)過程中,陶瓷紺場壁內(nèi)外溫差極大,通常在1000℃以上。真空感應(yīng)爐在間歇作業(yè)時(shí),陶瓷紺場壁會重復(fù)經(jīng)受溫度變化的影響。上料時(shí)還會受到冷料塊的沖擊,熔化階段則會持續(xù)受到密度極大的金屬熔液的靜壓力及真空感應(yīng)爐的自我攪拌作用導(dǎo)致金屬熔液對紺場的沖刷。因工作條件很差,陶瓷紺場必須有較小的線膨脹系數(shù)、較高的高溫機(jī)械強(qiáng)度才可以減少裂紋的產(chǎn)生。圖1為剛打結(jié)完畢的氧化鋁紺場,圖2則為僅使用過一次的同一紺場的對比圖片。

鑒于陶瓷紺場的良好化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性、放氣量小等特性與文章論述內(nèi)容相關(guān)性不大,此處不再贅述。

紺場是在真空感應(yīng)爐設(shè)備中易損且需頻繁維護(hù)的部件,可以說陶瓷紺場的壽命直接決定了真空感應(yīng)爐的生產(chǎn)效率,所以在日常的使用中,對陶瓷紺場的維護(hù)尤為重要。

2堪場檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

對于紺場使用壽命的判定,通常都是由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以目視檢查來進(jìn)行的。紺場檢測系統(tǒng)的出現(xiàn)可以使得紺場設(shè)備通過客觀的可測量數(shù)據(jù)來量化紺場的使用狀況,并以此進(jìn)行評估。

2.1測量原理

陶瓷紺場的電阻值會隨溫度上升而發(fā)生極大的變化。如圖3所示,隨著溫度的上升,不同材料的紺場材料電阻率呈對數(shù)下降趨勢,因此紺場壁因侵蝕造成的溫度升高會導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的電阻降低及電壓降。

此外,因裂紋造成的局部溫度上升也可被可靠記錄,通過持續(xù)在每一爐熔煉生產(chǎn)后進(jìn)行記錄并分析紺場的電阻值,即可獲取有效的紺場狀態(tài)。

紺場檢測系統(tǒng)的分析主要基于陶瓷紺場的溫度變化。此外,隨著裂紋逐漸擴(kuò)大及層狀侵蝕縮短熔煉金屬液與另一探測電極之間的電阻距離,系統(tǒng)的敏感度也會提高,電勢差相應(yīng)降低,而測得的電阻值也會更低。

2.2堪場檢測系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

文章中提到的紺場檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于直流電阻測量原理,所需的測量電流由電壓源提供,該電源安裝于真空感應(yīng)爐外部的控制柜內(nèi)。

堪場檢測系統(tǒng)的原理圖如圖4所示,測量過程在兩個采用不同構(gòu)造的電極之間執(zhí)行。為了避免強(qiáng)交變電磁場對測量的影響,電極均需使用非磁性不銹鋼材質(zhì)。接地的電極5直接與熔融狀態(tài)的金屬液進(jìn)行接觸,另外一個電極4則安裝于永久爐襯2與堪場1之間。作為電壓源與測量裝置的檢測系統(tǒng)6則用于記錄金屬熔液與電極4之間距離的電阻值。

2.3數(shù)據(jù)的記錄

如果要使堪場檢測系統(tǒng)可靠工作,則該系統(tǒng)必須具備可安全記錄低電阻并提供準(zhǔn)確解決方案的功能。據(jù)此,本文論述的堪場檢測系統(tǒng)使用了冗余電阻檢測方案,操作人員可在人機(jī)界面對測試系統(tǒng)中兩套使用不同測試電流范圍的測試儀表進(jìn)行切換,而設(shè)備的控制系統(tǒng)則會對從測試儀表處輸入的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并持續(xù)在人機(jī)界面進(jìn)行顯示,以告知操作人員當(dāng)前堪場的可能狀態(tài)。

2.4測量設(shè)備的選擇

鑒于真空感應(yīng)爐強(qiáng)交變磁場的惡劣測量工作環(huán)境及被測量電阻的一端電極需與金屬熔液直接相連接,如何選取合適的測量儀表顯得尤為重要。

2.4.1測量設(shè)備的耐壓等級

因?yàn)橥ǔＧ闆r下真空感應(yīng)爐有效線圈內(nèi)的電壓在直流573V至更高電壓,此電壓值取決于設(shè)備配套的中頻感應(yīng)電源輸出電壓。如果發(fā)生堪場破裂,爐襯失效,此時(shí)可能會導(dǎo)致熔池內(nèi)金屬熔液帶電。所以,此時(shí)需要考慮測量儀表的輸入側(cè)可承受電壓等級,如有必要則根據(jù)標(biāo)稱電壓加裝相應(yīng)的耦合裝置。

2.4.2中頻感應(yīng)電源對測量設(shè)備的影響

真空感應(yīng)爐中使用中頻感應(yīng)電源對線圈內(nèi)的金屬進(jìn)行感應(yīng)加熱,故所選用的測量儀表應(yīng)能夠應(yīng)用于帶電連接到配有整流器或變送器的非接地系統(tǒng),且可靠精確地進(jìn)行絕緣電阻的測量。此測量儀表需能自動消抑電壓波動對電阻測量的影響,而且也需要能夠?qū)崟r(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)泄漏電容:其測量技術(shù)必須能夠滿足不同的要求,以保證最佳的響應(yīng)時(shí)間及相對不確定性。

2.4.3選取測量儀表的其他考慮因素

工作時(shí),選用的測量儀表應(yīng)不間斷地監(jiān)視被測試系統(tǒng)的絕緣阻值,并將該絕緣阻值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號,便于PLC輸入模塊進(jìn)行采集:并且在測得絕緣阻值低于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí),通過相應(yīng)的報(bào)警繼電器開關(guān)中繼相應(yīng)報(bào)警信息:待做完相應(yīng)解決措施,絕緣阻值恢復(fù)正常,相應(yīng)報(bào)警應(yīng)可被復(fù)位。輸出模擬量信號頻率應(yīng)可調(diào)節(jié)設(shè)置,以匹配后續(xù)PLC輸入模塊的采樣頻率。

為了保證不丟失絕緣電阻的測得值,測量儀表需在下一個正確的測量值被獲取前保存最后被測得的數(shù)值,且可自動檢測測得信號質(zhì)量及更新信號時(shí)間并進(jìn)行提示。

為確保整個檢測系統(tǒng)的安全可靠,作為核心的測量儀表需定期自檢或者進(jìn)行自我功能測試,且在系統(tǒng)錯誤或連接故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行告警。

2.5測量信號的選取及A/D轉(zhuǎn)換

2.5.1測量信號的選取

如果傳輸信號的電纜較長,則連接電纜的阻值會相應(yīng)較大,如使用電壓信號進(jìn)行傳輸,根據(jù)分壓原理,電纜電阻會導(dǎo)致電壓信號衰減,從而產(chǎn)生誤差。加之真空感應(yīng)爐設(shè)備現(xiàn)場存在強(qiáng)交變電磁場,會產(chǎn)生較高的干擾電壓,對電壓傳輸信號尤為不利。而電流信號傳輸?shù)目垢蓴_和穩(wěn)定性好,就不存在此類問題。因此,此設(shè)計(jì)方案中選用電流信號作為測量信號。

2.5.2差分信號的優(yōu)勢

模擬信號只有通過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能使用軟件進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算處理,所以在采集到檢測設(shè)備的0～20mA信號后,需要選用合適的模擬量輸入模塊來處理此模擬量信號。

基于差分信號相較于普通單端信號走線具有抗干擾能力強(qiáng)、能有效抑制電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),選取模擬量輸入模塊時(shí)自然要選取此類型輸入。

2.5.3A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)調(diào)整的公式

綜合研判后,最終選取了使用差分輸入、分辨率為12Bit、轉(zhuǎn)換時(shí)間為2ms的某型支持pR0FIBUS-Dp協(xié)議的模擬量輸入模塊?？梢允褂脤Ｓ密浖υ撃M量輸入模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整,計(jì)算過程中應(yīng)用到的各變量注釋如表1所示,對應(yīng)處理數(shù)據(jù)的計(jì)算公式如下:

如通過內(nèi)部調(diào)整增益1進(jìn)行調(diào)整,則計(jì)算過程需加入:

如通過內(nèi)部調(diào)整增益2進(jìn)行調(diào)整,則計(jì)算公式需加入:

數(shù)據(jù)輸出格式如表2所示。

3PLC程序與人機(jī)界面的開發(fā)

3.1PLC選型與相關(guān)程序開發(fā)

3.1.1pLC的選型

原真空感應(yīng)爐設(shè)備上選用的是西門子S7-400系列pLC,其具有處理速度快、通信性能強(qiáng)大、可靠耐用、診斷功能強(qiáng)、集成人機(jī)接口服務(wù)、I/0擴(kuò)展功能強(qiáng)等特點(diǎn),故紺場檢測系統(tǒng)的控制器即為真空感應(yīng)爐本身的pLC控制器。

3.1.2電阻值數(shù)據(jù)的處理

紺場檢測系統(tǒng)的電阻值經(jīng)測量儀表轉(zhuǎn)換為0～20mA信號,此信號經(jīng)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再通過PR0FIBUS-Dp現(xiàn)場總線傳輸?shù)絇LCCpU中的輸入過程映像存儲器。此時(shí)需要開發(fā)對應(yīng)的功能塊,將獲得的數(shù)字信號處理為直觀的實(shí)數(shù)電阻值。

按照測量儀表給定的電阻轉(zhuǎn)換計(jì)算公式如下:

式中:20mA為電流最大值;120為選定的電阻中間值;I為實(shí)際測得電流值;RF為以千歐為單位的絕緣電阻。

圖5為測量儀表電流輸出曲線圖。

3.1.3電阻值計(jì)算功能塊

根據(jù)此公式開發(fā)相應(yīng)的功能塊如圖6所示,其中功能塊左側(cè)的輸入數(shù)據(jù)均為浮點(diǎn)數(shù)即實(shí)數(shù)類型,經(jīng)過運(yùn)算后直接輸出以千歐為單位的實(shí)數(shù)型電阻值數(shù)據(jù)。

因?yàn)榻C場檢測系統(tǒng)使用了冗余設(shè)計(jì),所以會從兩個絕緣電阻測量儀表中獲得毫安信號。如果只是在原有程序中添加相應(yīng)計(jì)算的pLC程序,因?yàn)闊┈嵍焕诔绦虻暮罄m(xù)閱讀,不夠簡潔規(guī)范;開發(fā)出對應(yīng)功能塊的好處不言而喻,不但可以進(jìn)行二次調(diào)用,而且程序直觀易懂,易于調(diào)試人員進(jìn)行調(diào)試及后續(xù)維護(hù)工作的開展。為了保證輸出電阻值的準(zhǔn)確,在電阻值計(jì)算過程中使用了不同的參考中間值。

3.1.4為減小誤差在pLC程序中采取的措施

通常,為減小誤差可以采取以下方法:使用高精度檢測儀表、多次測量后使用平均值法并進(jìn)行誤差補(bǔ)償,其中誤差補(bǔ)償之前已提到過可以通過測量準(zhǔn)確電阻值在模擬量輸入模塊中使用其專用軟件進(jìn)行補(bǔ)償,當(dāng)然亦可在PLC程序中進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)某绦蜷_發(fā)。但使用平均值法減小偶然誤差就只能在PLC程序中進(jìn)行。故在使用前述電阻值計(jì)算功能塊之前,會使用另外一個求平均值功能塊,以1s的采樣周期對電流模擬量轉(zhuǎn)換的實(shí)數(shù)值進(jìn)行保持,并對最新的10個數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算,然后才將此平均值作為電阻計(jì)算功能塊中電流模擬量值輸入。

3.2人機(jī)界面的開發(fā)

3.2.1人機(jī)界面簡介

人機(jī)界面是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸或互相接觸的界面,可實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接收形式之間的轉(zhuǎn)換。使用人機(jī)界面操作更加直觀,增加了操作人員對重點(diǎn)部件狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作的便利。在工藝過程日趨復(fù)雜、對機(jī)器和設(shè)備功能的要求不斷提高的環(huán)境中,獲得最大的透明性對操作員來說至關(guān)重要。

此系統(tǒng)中使用的人機(jī)界面為西門子博途winCC開發(fā),winCC具有處理方式直接、透明、靈活等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2人機(jī)界面中紺場檢測系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)正常工作時(shí),紺場檢測系統(tǒng)中測試1一直處于工作狀態(tài),此時(shí)以1.2k0作為電阻中間值進(jìn)行計(jì)算。為便于切換測試系統(tǒng),在人機(jī)界面中加入了切換開關(guān),點(diǎn)擊"測試2電阻"按鍵后,系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換繼電器切換到測試2線路,此時(shí)PLC程序使用120k0作為電阻中間值進(jìn)行計(jì)算。圖7為人機(jī)界面中相應(yīng)的紺場電阻值顯示及測試切換按鈕的畫面。

此外,在設(shè)備狀態(tài)設(shè)置界面,還創(chuàng)建了對應(yīng)紺場阻值告警輸入界面,圖8為實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的相應(yīng)報(bào)警值設(shè)定畫面。當(dāng)實(shí)際測得電阻值低于此處設(shè)定的電阻值下限時(shí),人機(jī)界面會進(jìn)行報(bào)警提示且報(bào)警裝置會以聲光形式告警。

4結(jié)論與建議

綜上所述,該紺場檢測系統(tǒng)的可靠性在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證,因?yàn)槔每陀^測得數(shù)據(jù)來獲取紺場狀態(tài)信息再結(jié)合操作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷,提高了紺場的使用效率,有效降低了生產(chǎn)成本,且系統(tǒng)的告警設(shè)置可以提高設(shè)備的安全性。

針對現(xiàn)場使用情況及后續(xù)探討,該系統(tǒng)可以在以下方面進(jìn)行改進(jìn):

(1）位于紺場與永久爐襯之間的檢測電極可以按不同區(qū)域鋪設(shè)(如上中下,或沿紺場外周分若干部分）相同數(shù)量的電極,并在后續(xù)測量線路中使用繼電器進(jìn)行切換。這種變更的好處是便于操作人員更直觀地了解到出現(xiàn)裂紋的區(qū)域。

(2）選用更新型號可以將實(shí)際測得電阻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的絕緣電阻測量設(shè)備,該數(shù)字信號使用通信總線直接傳送到PLC中。這樣的設(shè)計(jì)可以取消模擬量輸入模塊,并因此減小信號在多次轉(zhuǎn)換中帶來的系統(tǒng)誤差。

(3）在人機(jī)界面添加對應(yīng)的紺場監(jiān)控畫面,并可根據(jù)電阻值的變化趨勢在紺場畫面中生成漸變色顯示。此設(shè)計(jì)可以讓操作人員更直觀地了解到有裂紋的區(qū)域。