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【摘要】高炉喷煤是世界炼铁正在迅速发展的一项重大技术，在高炉冶炼过程中，扩大高炉燃料来源，从风口向高炉喷吹煤粉，以价格低的煤粉替代价格昂贵的冶金焦，改善高炉的操作条件，增加高炉的调剂手段；最终达到节焦增产的目的。而在线监测系统的设计则是一种新型高炉喷煤检测装置和软件应用程序，采用微波法在线监测喷煤总管及各分支管道的煤粉浓度。本文主要谈谈高炉喷煤在线监测系统的设计。
【关键词】高炉喷煤线监测系统设计
Abstract: of pulverized coal injection is a major world ironmaking rapidly developing technology in the blast furnace process, expanding the blast furnace fuel sources from the outlet, low price of coal to the blast furnace pulverized coal injection replaces expensive metallurgycoke, to improve the blast furnace operating conditions, increase the swap means of the blast furnace; final section coke yield. The online monitoring system design is a new type of pulverized coal injection detection devices and software applications, online monitoring of pulverized coal injection of the microwave method mains and branch lines of pulverized coal concentration. In this paper, talk about the design of the online monitoring system of pulverized coal injection.
Key words: of pulverized coal injection line monitoring system design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
一、系统的硬件设计
1．1微波法的原理及实现
微波是指频率范围为0．30—3000GHz的电磁波。广泛用于集群通讯、移动通讯、无线接入、卫星通讯、雷达和微波化学等方面。由发射天线发出的微波，遇到被测物时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线，接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路测量和指示，就实现了微波检测过程。基于微波多普勒原理，被检测的介质数量(即煤粉浓度)与反射波幅度成正比例关系。煤粉来时、经过、远离微波源的反射波频率变化可反映管道内的流体的速度变化。传感器传送低功率微波并接收物体反射回的能量。微波反射频率与发射频率产生频差，从而在输出端产生一个低频交流电压。由于频差与固体颗粒物速度成正比所以微波传感器能够检测到运动介质的数量和流速(即煤粉浓度和流速)。新式微波监测方法，灵敏度高，快速响应无延时。
高炉内的煤粉流动属于气固两相流动，管道内离散相的尺寸、空间分布流动是随机的。本设计中采用的微波探头是截锥喇叭状。在发射器的顶端安装耿氏振荡器，振荡器發射出频率恒定的微波，在碰到对面的输粉管内壁时，就垂直反射而回，反射的回波在输粉管内与流动的粉粒碰撞也将产生反射。同时波的多普勒效应将出现频率偏移，反射波也相应地具有不同幅值。因而煤粉浓度不仅可通过穿透微波信号的衰减而测得，也可通过直接反射的微波信号幅值而测得。在接收端装有肖特基二极管，将吸收的电磁波转换成相应的电压值。在微波探头的前方装有陶瓷密封圈，可以避免探头与煤粉直接接触，防止探头的污染、磨损，又不影响微波的发射接收。
1．2数据采集电路
为了实现信号的远距离传输，传感器要具有较强的抗干扰能力，其内部设置了高速数据采集板。数据采集电路的功能是检测变送，将传感器的微弱电压信号加以放大，达到数据采集系统所要求的输入幅度。在这部分设计两级放大，第一级先将微波探头的微弱信号初步放大。在第一级运算放大器的反馈电路上，以拨码开关的形式设置可调电阻，便于调试时选择合适的放大倍数。经过第一级放大的信号是较弱的交流电压信号不能直接利用，需要变送。第二级放大电路采用LM358芯片。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
1．3控制站硬件设计
控制站是系统中直接与现场进行I／0数据采样、信息交互、控制运算、逻辑控制的核心单元，完成整个工业过程的实时控制功能。通过软件设置和硬件的不同配置可构成不同功能的控制结构，如过程控制站、逻辑控制站、数据采集站。控制站主要由机柜、机笼、供电单元、端子板和各类卡件(包括主控制卡、数据转发卡和各种信号输入／输出卡)组成，其核心是主控制卡。主控制卡通过系统内高速数据网络一SBUS扩充各种功能，实现现场信号的输入输出，同时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制、以及包括优化控制等各种控制算法。
控制站卡件充分利用了CPU的性能，可独立运行，自行诊断故障，完成在线无扰动切换；当SCnet II网络通信中断时，卡件接受主控制卡的数据命令，维持正常工作，当卡件与主控制器通讯中断时，保持原输出状态。控制站卡件位于控制站卡件机笼内，各类卡件按一定的规则组合在一起，共同完成信号采集、信号处理、信号输出、控制、计算、通信等功能。
系统信号配线可以采用端子板转接形式。端子板安装在起固定、保护作用的端子盒中。系统的输入、输出信号经过端子板转接分别供系统卡件处理或用于驱动功率继电器、小功率现场设备、伺服放大器、可控硅等。端子板上有滤波电路、抗浪涌冲击电路、过流保护电路等功能电路，提供对信号的前期处理及保护功能。
二、系统软件的设计
系统的软件设计包括下位单片机的工作程序设计和上位机(PC)的可观化界界面设计。下位单片机的程序主要实现对多路数据信号的采集并将采集到的数据通过串口传给上位机，设计包括：系统的初始化，对多路模拟开关的选择、AD转接，检测信号的采样保持、串行通讯以及上位机的通讯。本系统是实时在线监测，将数据通过串口传到数据库，数据库具有历史记录功能，可利用曲线绘出当月喷煤量变化趋势。系统可实现标定功能，通过置入已知喷煤量进行标定，待喷煤完后，结束标定并自动生成标定系数。可视化界面可利用棒状图实时显示总管及各分支管煤粉流量的百分比浓度，瞬时值，显示响应时间可调，可设置断粉报警，当煤粉浓度持续低于该设定值时，该管棒状图显示红色以示堵管、断粉。同时还可以计算、显示、存储总管累计喷吹量。
系统中，从信号通道到卡件，从I／0卡件到主控制卡，从软件到硬件、从控制站到操作站都具有自诊断功能。诊断信息一方面通过卡件面板上的LED显示出来：另一方面被及时地传送至操作站进行报警、显示和记录，以帮助用户尽快地发现系统或过程的问题并解决问题。对SCnet II控制网络中的网络节点以及与节点相连的网线进行通讯状态诊断，主要包括检测网络中的节点个数、节点类型、IP地址、冗余状态，诊断网络节点和线路的故障状态，操作站网卡和控制站主控卡通讯口好坏，网线通断等。
通过动态检测网络上的控制系统节点(包括控制站、运行实时监控软件的操作站或工程师站)，获得网络上的节点个数信息以及各个节点的类型、地址、配置信息。同时在线收集各个网络节点的自诊断信息，进行实时网络故障诊断，可诊断出的故障情况包括通信故障、控制站HUB线路故障、HUB操作站线路故障、网卡故障、节点串网故障等。所有的故障均以网络拓扑图的图形和故障描述列表的文本两种方式表述。此外还提供网络拓扑图打印、网络故障历史记录和节点列表导入／导出功能。
当每一项检测出的信息无故障时，相应的故障标志为绿色；检测出的信息有故障时，相应的故障标志为红色；无法检测的信息即不确定故障，相应的故障标志为灰色。
结语
总之，随着高炉炼铁原燃料资源和节能环保形势的日趋严峻，提高高炉喷煤技术水平变得尤为重要。高炉喷煤的基本要求是煤粉喷吹稳定，喷吹量准确。检测的意义在于：总体掌握喷吹煤粉水平和各风向口喷吹煤粉的情况，煤粉的多少会影响到高炉的炉温走向；为控制总喷煤量和各风口喷煤量以及管道堵塞情况提供数据参考，同时对整个工业过程实时监控，完成信息、控制命令等传输，使信息传输安全、高速。
参考文献
[1]于常力，罗安．分布式控制系统(DCS)设计与应用实例，电子：1：业出版社，2005一l
[2]张桂香．机电类专业毕业设计指南．机械工业出版社，2005一l
[3]夏德海，何功晟．钢铁企业过程检测和控制自动化设计手册．冶金工业出版社，2000—7
[4]易泓可．电气控制系统设计基础与范例．机械工业出版杜，2005-1
[5]金以慧，郭仲伟．过程控制与管理．上海：华东理工大学出版社．2000
【关键词】高炉喷煤线监测系统设计
Abstract: of pulverized coal injection is a major world ironmaking rapidly developing technology in the blast furnace process, expanding the blast furnace fuel sources from the outlet, low price of coal to the blast furnace pulverized coal injection replaces expensive metallurgycoke, to improve the blast furnace operating conditions, increase the swap means of the blast furnace; final section coke yield. The online monitoring system design is a new type of pulverized coal injection detection devices and software applications, online monitoring of pulverized coal injection of the microwave method mains and branch lines of pulverized coal concentration. In this paper, talk about the design of the online monitoring system of pulverized coal injection.
Key words: of pulverized coal injection line monitoring system design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
一、系统的硬件设计
1．1微波法的原理及实现
微波是指频率范围为0．30—3000GHz的电磁波。广泛用于集群通讯、移动通讯、无线接入、卫星通讯、雷达和微波化学等方面。由发射天线发出的微波，遇到被测物时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线，接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路测量和指示，就实现了微波检测过程。基于微波多普勒原理，被检测的介质数量(即煤粉浓度)与反射波幅度成正比例关系。煤粉来时、经过、远离微波源的反射波频率变化可反映管道内的流体的速度变化。传感器传送低功率微波并接收物体反射回的能量。微波反射频率与发射频率产生频差，从而在输出端产生一个低频交流电压。由于频差与固体颗粒物速度成正比所以微波传感器能够检测到运动介质的数量和流速(即煤粉浓度和流速)。新式微波监测方法，灵敏度高，快速响应无延时。
高炉内的煤粉流动属于气固两相流动，管道内离散相的尺寸、空间分布流动是随机的。本设计中采用的微波探头是截锥喇叭状。在发射器的顶端安装耿氏振荡器，振荡器發射出频率恒定的微波，在碰到对面的输粉管内壁时，就垂直反射而回，反射的回波在输粉管内与流动的粉粒碰撞也将产生反射。同时波的多普勒效应将出现频率偏移，反射波也相应地具有不同幅值。因而煤粉浓度不仅可通过穿透微波信号的衰减而测得，也可通过直接反射的微波信号幅值而测得。在接收端装有肖特基二极管，将吸收的电磁波转换成相应的电压值。在微波探头的前方装有陶瓷密封圈，可以避免探头与煤粉直接接触，防止探头的污染、磨损，又不影响微波的发射接收。
1．2数据采集电路
为了实现信号的远距离传输，传感器要具有较强的抗干扰能力，其内部设置了高速数据采集板。数据采集电路的功能是检测变送，将传感器的微弱电压信号加以放大，达到数据采集系统所要求的输入幅度。在这部分设计两级放大，第一级先将微波探头的微弱信号初步放大。在第一级运算放大器的反馈电路上，以拨码开关的形式设置可调电阻，便于调试时选择合适的放大倍数。经过第一级放大的信号是较弱的交流电压信号不能直接利用，需要变送。第二级放大电路采用LM358芯片。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
1．3控制站硬件设计
控制站是系统中直接与现场进行I／0数据采样、信息交互、控制运算、逻辑控制的核心单元，完成整个工业过程的实时控制功能。通过软件设置和硬件的不同配置可构成不同功能的控制结构，如过程控制站、逻辑控制站、数据采集站。控制站主要由机柜、机笼、供电单元、端子板和各类卡件(包括主控制卡、数据转发卡和各种信号输入／输出卡)组成，其核心是主控制卡。主控制卡通过系统内高速数据网络一SBUS扩充各种功能，实现现场信号的输入输出，同时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制、以及包括优化控制等各种控制算法。
控制站卡件充分利用了CPU的性能，可独立运行，自行诊断故障，完成在线无扰动切换；当SCnet II网络通信中断时，卡件接受主控制卡的数据命令，维持正常工作，当卡件与主控制器通讯中断时，保持原输出状态。控制站卡件位于控制站卡件机笼内，各类卡件按一定的规则组合在一起，共同完成信号采集、信号处理、信号输出、控制、计算、通信等功能。
系统信号配线可以采用端子板转接形式。端子板安装在起固定、保护作用的端子盒中。系统的输入、输出信号经过端子板转接分别供系统卡件处理或用于驱动功率继电器、小功率现场设备、伺服放大器、可控硅等。端子板上有滤波电路、抗浪涌冲击电路、过流保护电路等功能电路，提供对信号的前期处理及保护功能。
二、系统软件的设计
系统的软件设计包括下位单片机的工作程序设计和上位机(PC)的可观化界界面设计。下位单片机的程序主要实现对多路数据信号的采集并将采集到的数据通过串口传给上位机，设计包括：系统的初始化，对多路模拟开关的选择、AD转接，检测信号的采样保持、串行通讯以及上位机的通讯。本系统是实时在线监测，将数据通过串口传到数据库，数据库具有历史记录功能，可利用曲线绘出当月喷煤量变化趋势。系统可实现标定功能，通过置入已知喷煤量进行标定，待喷煤完后，结束标定并自动生成标定系数。可视化界面可利用棒状图实时显示总管及各分支管煤粉流量的百分比浓度，瞬时值，显示响应时间可调，可设置断粉报警，当煤粉浓度持续低于该设定值时，该管棒状图显示红色以示堵管、断粉。同时还可以计算、显示、存储总管累计喷吹量。
系统中，从信号通道到卡件，从I／0卡件到主控制卡，从软件到硬件、从控制站到操作站都具有自诊断功能。诊断信息一方面通过卡件面板上的LED显示出来：另一方面被及时地传送至操作站进行报警、显示和记录，以帮助用户尽快地发现系统或过程的问题并解决问题。对SCnet II控制网络中的网络节点以及与节点相连的网线进行通讯状态诊断，主要包括检测网络中的节点个数、节点类型、IP地址、冗余状态，诊断网络节点和线路的故障状态，操作站网卡和控制站主控卡通讯口好坏，网线通断等。
通过动态检测网络上的控制系统节点(包括控制站、运行实时监控软件的操作站或工程师站)，获得网络上的节点个数信息以及各个节点的类型、地址、配置信息。同时在线收集各个网络节点的自诊断信息，进行实时网络故障诊断，可诊断出的故障情况包括通信故障、控制站HUB线路故障、HUB操作站线路故障、网卡故障、节点串网故障等。所有的故障均以网络拓扑图的图形和故障描述列表的文本两种方式表述。此外还提供网络拓扑图打印、网络故障历史记录和节点列表导入／导出功能。
当每一项检测出的信息无故障时，相应的故障标志为绿色；检测出的信息有故障时，相应的故障标志为红色；无法检测的信息即不确定故障，相应的故障标志为灰色。
结语
总之，随着高炉炼铁原燃料资源和节能环保形势的日趋严峻，提高高炉喷煤技术水平变得尤为重要。高炉喷煤的基本要求是煤粉喷吹稳定，喷吹量准确。检测的意义在于：总体掌握喷吹煤粉水平和各风向口喷吹煤粉的情况，煤粉的多少会影响到高炉的炉温走向；为控制总喷煤量和各风口喷煤量以及管道堵塞情况提供数据参考，同时对整个工业过程实时监控，完成信息、控制命令等传输，使信息传输安全、高速。
参考文献
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