堪场检测系统在80 L真空感应炉中的开发及应用研究

引言

绀场检测系统的测量方法采用了直流电阻的测试原理,即通过测量两个安装于不同部位的非磁性不锈钢电极来监控绀场状态。第一个电极直接与金属熔液接触,另一个网状电极则安装在感应炉线圈内的炉衬中。绀场检测系统的分析主要基于陶瓷绀场的温度变化,因为随着温度升高,陶瓷绀场的电阻将会呈对数递减规律。此外,随着裂纹逐渐扩大及层状腐蚀缩短熔炼液与电极网之间的电阻距离,系统的敏感度将会提高,电势差降低,因此测得的电阻值更低。

此检测系统采用了两路冗余设计方案,既能降低系统故障概率,又可有效进行测得结果比对,设备控制系统可持续记录绀场电阻值并向操作人员报告绀场的状态。人机界面中预留了绀场电阻下限报警设置,操作人员可以根据实际使用绀场类型及经验电阻测得数据对此进行设定。一旦在熔炼时发生绀场电阻低于预警值的情况,则人机界面会自动进行告警。

1如何更有效率地利用陶瓷堪场

1.1陶瓷堪场在真空感应炉中的作用

在使用真空感应炉进行有色金属熔炼的工艺过程中,陶瓷绀场在装料阶段用于装载固体炉料:在随后熔化、精炼及浇铸阶段又成为将金属及合金成分熔炼为高温金属熔液的熔池器皿。

1.2用于真空感应炉中陶瓷堪场的特点

在有色金属冶炼生产过程中,陶瓷绀场壁内外温差极大,通常在1000℃以上。真空感应炉在间歇作业时,陶瓷绀场壁会重复经受温度变化的影响。上料时还会受到冷料块的冲击,熔化阶段则会持续受到密度极大的金属熔液的静压力及真空感应炉的自我搅拌作用导致金属熔液对绀场的冲刷。因工作条件很差,陶瓷绀场必须有较小的线膨胀系数、较高的高温机械强度才可以减少裂纹的产生。图1为刚打结完毕的氧化铝绀场,图2则为仅使用过一次的同一绀场的对比图片。

鉴于陶瓷绀场的良好化学稳定性、绝缘性、放气量小等特性与文章论述内容相关性不大,此处不再赘述。

绀场是在真空感应炉设备中易损且需频繁维护的部件,可以说陶瓷绀场的寿命直接决定了真空感应炉的生产效率,所以在日常的使用中,对陶瓷绀场的维护尤为重要。

2堪场检测系统的设计方案

对于绀场使用寿命的判定,通常都是由操作人员根据经验以目视检查来进行的。绀场检测系统的出现可以使得绀场设备通过客观的可测量数据来量化绀场的使用状况,并以此进行评估。

2.1测量原理

陶瓷绀场的电阻值会随温度上升而发生极大的变化。如图3所示,随着温度的上升,不同材料的绀场材料电阻率呈对数下降趋势,因此绀场壁因侵蚀造成的温度升高会导致出现明显的电阻降低及电压降。

此外,因裂纹造成的局部温度上升也可被可靠记录,通过持续在每一炉熔炼生产后进行记录并分析绀场的电阻值,即可获取有效的绀场状态。

绀场检测系统的分析主要基于陶瓷绀场的温度变化。此外,随着裂纹逐渐扩大及层状侵蚀缩短熔炼金属液与另一探测电极之间的电阻距离,系统的敏感度也会提高,电势差相应降低,而测得的电阻值也会更低。

2.2堪场检测系统原理设计

文章中提到的绀场检测系统设计基于直流电阻测量原理,所需的测量电流由电压源提供,该电源安装于真空感应炉外部的控制柜内。

堪场检测系统的原理图如图4所示,测量过程在两个采用不同构造的电极之间执行。为了避免强交变电磁场对测量的影响,电极均需使用非磁性不锈钢材质。接地的电极5直接与熔融状态的金属液进行接触,另外一个电极4则安装于永久炉衬2与堪场1之间。作为电压源与测量装置的检测系统6则用于记录金属熔液与电极4之间距离的电阻值。

2.3数据的记录

如果要使堪场检测系统可靠工作,则该系统必须具备可安全记录低电阻并提供准确解决方案的功能。据此,本文论述的堪场检测系统使用了冗余电阻检测方案,操作人员可在人机界面对测试系统中两套使用不同测试电流范围的测试仪表进行切换,而设备的控制系统则会对从测试仪表处输入的模拟信号进行转换,并持续在人机界面进行显示,以告知操作人员当前堪场的可能状态。

2.4测量设备的选择

鉴于真空感应炉强交变磁场的恶劣测量工作环境及被测量电阻的一端电极需与金属熔液直接相连接,如何选取合适的测量仪表显得尤为重要。

2.4.1测量设备的耐压等级

因为通常情况下真空感应炉有效线圈内的电压在直流573V至更高电压,此电压值取决于设备配套的中频感应电源输出电压。如果发生堪场破裂,炉衬失效,此时可能会导致熔池内金属熔液带电。所以,此时需要考虑测量仪表的输入侧可承受电压等级,如有必要则根据标称电压加装相应的耦合装置。

2.4.2中频感应电源对测量设备的影响

真空感应炉中使用中频感应电源对线圈内的金属进行感应加热,故所选用的测量仪表应能够应用于带电连接到配有整流器或变送器的非接地系统,且可靠精确地进行绝缘电阻的测量。此测量仪表需能自动消抑电压波动对电阻测量的影响,而且也需要能够实时自适应系统泄漏电容:其测量技术必须能够满足不同的要求,以保证最佳的响应时间及相对不确定性。

2.4.3选取测量仪表的其他考虑因素

工作时,选用的测量仪表应不间断地监视被测试系统的绝缘阻值,并将该绝缘阻值转换为相应的模拟信号,便于PLC输入模块进行采集:并且在测得绝缘阻值低于预设报警值时,通过相应的报警继电器开关中继相应报警信息:待做完相应解决措施,绝缘阻值恢复正常,相应报警应可被复位。输出模拟量信号频率应可调节设置,以匹配后续PLC输入模块的采样频率。

为了保证不丢失绝缘电阻的测得值,测量仪表需在下一个正确的测量值被获取前保存最后被测得的数值,且可自动检测测得信号质量及更新信号时间并进行提示。

为确保整个检测系统的安全可靠,作为核心的测量仪表需定期自检或者进行自我功能测试,且在系统错误或连接故障发生时进行告警。

2.5测量信号的选取及A/D转换

2.5.1测量信号的选取

如果传输信号的电缆较长,则连接电缆的阻值会相应较大,如使用电压信号进行传输,根据分压原理,电缆电阻会导致电压信号衰减,从而产生误差。加之真空感应炉设备现场存在强交变电磁场,会产生较高的干扰电压,对电压传输信号尤为不利。而电流信号传输的抗干扰和稳定性好,就不存在此类问题。因此,此设计方案中选用电流信号作为测量信号。

2.5.2差分信号的优势

模拟信号只有通过模数转换为数字信号才能使用软件进行后续的计算处理,所以在采集到检测设备的0～20mA信号后,需要选用合适的模拟量输入模块来处理此模拟量信号。

基于差分信号相较于普通单端信号走线具有抗干扰能力强、能有效抑制电磁干扰等优点,选取模拟量输入模块时自然要选取此类型输入。

2.5.3A/D转换后数据调整的公式

综合研判后,最终选取了使用差分输入、分辨率为12Bit、转换时间为2ms的某型支持pR0FIBUS-Dp协议的模拟量输入模块。可以使用专用软件对该模拟量输入模块进行数据调整,计算过程中应用到的各变量注释如表1所示,对应处理数据的计算公式如下:

如通过内部调整增益1进行调整,则计算过程需加入:

如通过内部调整增益2进行调整,则计算公式需加入:

数据输出格式如表2所示。

3PLC程序与人机界面的开发

3.1PLC选型与相关程序开发

3.1.1pLC的选型

原真空感应炉设备上选用的是西门子S7-400系列pLC,其具有处理速度快、通信性能强大、可靠耐用、诊断功能强、集成人机接口服务、I/0扩展功能强等特点,故绀场检测系统的控制器即为真空感应炉本身的pLC控制器。

3.1.2电阻值数据的处理

绀场检测系统的电阻值经测量仪表转换为0～20mA信号,此信号经模拟量输入模块转换为数字信号,再通过PR0FIBUS-Dp现场总线传输到PLCCpU中的输入过程映像存储器。此时需要开发对应的功能块,将获得的数字信号处理为直观的实数电阻值。

按照测量仪表给定的电阻转换计算公式如下:

式中:20mA为电流最大值;120为选定的电阻中间值;I为实际测得电流值;RF为以千欧为单位的绝缘电阻。

图5为测量仪表电流输出曲线图。

3.1.3电阻值计算功能块

根据此公式开发相应的功能块如图6所示,其中功能块左侧的输入数据均为浮点数即实数类型,经过运算后直接输出以千欧为单位的实数型电阻值数据。

因为绀场检测系统使用了冗余设计,所以会从两个绝缘电阻测量仪表中获得毫安信号。如果只是在原有程序中添加相应计算的pLC程序,因为烦琐而不利于程序的后续阅读,不够简洁规范;开发出对应功能块的好处不言而喻,不但可以进行二次调用,而且程序直观易懂,易于调试人员进行调试及后续维护工作的开展。为了保证输出电阻值的准确,在电阻值计算过程中使用了不同的参考中间值。

3.1.4为减小误差在pLC程序中采取的措施

通常,为减小误差可以采取以下方法:使用高精度检测仪表、多次测量后使用平均值法并进行误差补偿,其中误差补偿之前已提到过可以通过测量准确电阻值在模拟量输入模块中使用其专用软件进行补偿,当然亦可在PLC程序中进行误差补偿的程序开发。但使用平均值法减小偶然误差就只能在PLC程序中进行。故在使用前述电阻值计算功能块之前,会使用另外一个求平均值功能块,以1s的采样周期对电流模拟量转换的实数值进行保持,并对最新的10个数据进行平均值计算,然后才将此平均值作为电阻计算功能块中电流模拟量值输入。

3.2人机界面的开发

3.2.1人机界面简介

人机界面是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相接触的界面,可实现信息的内部形式与人类可以接收形式之间的转换。使用人机界面操作更加直观,增加了操作人员对重点部件状态实时监控和操作的便利。在工艺过程日趋复杂、对机器和设备功能的要求不断提高的环境中,获得最大的透明性对操作员来说至关重要。

此系统中使用的人机界面为西门子博途winCC开发,winCC具有处理方式直接、透明、灵活等优点。

3.2.2人机界面中绀场检测系统相关设计

系统正常工作时,绀场检测系统中测试1一直处于工作状态,此时以1.2k0作为电阻中间值进行计算。为便于切换测试系统,在人机界面中加入了切换开关,点击"测试2电阻"按键后,系统通过转换继电器切换到测试2线路,此时PLC程序使用120k0作为电阻中间值进行计算。图7为人机界面中相应的绀场电阻值显示及测试切换按钮的画面。

此外,在设备状态设置界面,还创建了对应绀场阻值告警输入界面,图8为实际应用开发的相应报警值设定画面。当实际测得电阻值低于此处设定的电阻值下限时,人机界面会进行报警提示且报警装置会以声光形式告警。

4结论与建议

综上所述,该绀场检测系统的可靠性在实际生产应用中得到了验证,因为利用客观测得数据来获取绀场状态信息再结合操作人员的经验判断,提高了绀场的使用效率,有效降低了生产成本,且系统的告警设置可以提高设备的安全性。

针对现场使用情况及后续探讨,该系统可以在以下方面进行改进:

(1）位于绀场与永久炉衬之间的检测电极可以按不同区域铺设(如上中下,或沿绀场外周分若干部分）相同数量的电极,并在后续测量线路中使用继电器进行切换。这种变更的好处是便于操作人员更直观地了解到出现裂纹的区域。

(2）选用更新型号可以将实际测得电阻信号转换为数字信号的绝缘电阻测量设备,该数字信号使用通信总线直接传送到PLC中。这样的设计可以取消模拟量输入模块,并因此减小信号在多次转换中带来的系统误差。

(3）在人机界面添加对应的绀场监控画面,并可根据电阻值的变化趋势在绀场画面中生成渐变色显示。此设计可以让操作人员更直观地了解到有裂纹的区域。