朱春光/寶鋼集團(tuán)八鋼公司煉鐵分公司

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工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)熱金屬檢測(cè)器信號(hào)干擾及應(yīng)對(duì)探討

朱春光/寶鋼集團(tuán)八鋼公司煉鐵分公司

【摘 要】現(xiàn)如今，光學(xué)熱金屬檢測(cè)器作為一種PLC自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集設(shè)備，正廣泛應(yīng)用于冶金、鑄造、金屬加工等行業(yè).由于其對(duì)紅外光信號(hào)的敏感性，會(huì)受到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)水霧、粉塵、其它光源的影響，產(chǎn)生采樣信號(hào)干擾，進(jìn)而造成自動(dòng)化工藝環(huán)節(jié)的周期崩潰。本文通過(guò)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)紅外光干擾因素分析，系統(tǒng)的探討了克制信號(hào)污染，維持采樣穩(wěn)定的實(shí)踐手段。希望能拋磚引玉，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的其它類(lèi)型檢測(cè)元器件的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用起到借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】熱金屬檢測(cè)器；自動(dòng)化；干擾

前言

在現(xiàn)代化軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)，熱金屬檢測(cè)器已經(jīng)得到了廣泛而穩(wěn)定的應(yīng)用，成為自動(dòng)化系統(tǒng)重要的信號(hào)采集設(shè)備。通常熱檢信號(hào)作為提供軋件跟蹤、啟動(dòng)工藝環(huán)節(jié)周期、軋件計(jì)長(zhǎng)等自動(dòng)化子程序的基礎(chǔ)輸入量之一加以使用。以常州潞城傳感器有限公司的HMD型為例，其通過(guò)接收由高溫物體發(fā)射出的紅外光，經(jīng)光學(xué)部分進(jìn)行聚焦，成像到光敏元件上，把光能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)由電子線(xiàn)路處理，輸出一組對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)給控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。但是由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜性，對(duì)于敏感的紅外線(xiàn)取樣信號(hào)存在各種各樣的干擾源，比如高溫、潮濕、水霧、粉塵等。如何有效控制應(yīng)對(duì)這些干擾，維護(hù)熱檢取樣信號(hào)的精度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運(yùn)行，是本文所要討論的問(wèn)題。

1.工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)紅外光干擾源分析

以國(guó)內(nèi)某小型材軋鋼廠的飛剪控制為例，其作用為橫向剪切運(yùn)行中的高溫軋件，為實(shí)現(xiàn)此功能需要剪切機(jī)與軋件速度匹配（剪機(jī)為間歇式運(yùn)行，具有提速→勻速→制動(dòng)→待命周期），同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)要能夠精確跟蹤定位軋件位置來(lái)啟動(dòng)飛剪自動(dòng)剪切周期，而實(shí)現(xiàn)以上自動(dòng)化程序運(yùn)行的采樣信號(hào)即來(lái)自于飛剪入口前配置的熱檢。一旦該信號(hào)受到干擾就可以直接導(dǎo)致誤剪、計(jì)長(zhǎng)錯(cuò)誤、堆鋼等一系列生產(chǎn)事故。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多年的實(shí)踐分析，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)熱檢取樣信號(hào)的干擾源主要有以下幾種：

①日光入射、現(xiàn)場(chǎng)白熾光源照明（熱檢對(duì)冷光源無(wú)響應(yīng)）；

②地面積水、墻面玻璃等光潔平面對(duì)前述光源的強(qiáng)烈折射；

③水霧噴濺的光學(xué)閃爍效應(yīng)；

④穿水軋件水包的不穩(wěn)定、不完全（軋件冷卻溫度不勻?qū)е戮植亢诰€(xiàn)，低于300℃門(mén)檻值）；

⑤水汽夾雜粉塵吸附在熱檢鏡頭上凝露或者形成污垢；

⑥寒冷氣象下現(xiàn)場(chǎng)冷卻水形成濃密霧氣，對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生遮斷。

由于熱檢所能采樣的紅外光具有一定的強(qiáng)度區(qū)間限制（由光敏元器件和電路設(shè)計(jì)性能決定），具體折算到HMD型所能檢測(cè)到的軋件溫度為300℃～1400℃，前述的①、②、⑤、⑥項(xiàng)因素都可以觸發(fā)或阻斷光敏元器件工作；同時(shí)由于熱檢的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間具備門(mén)檻值（2～20ms，對(duì)應(yīng)不同輸出方式），在檢測(cè)穿水冷卻的軋件時(shí)由于鋼溫本身較低，③和④干擾因素導(dǎo)致的不良后果也比較明顯。

2.控制、消除以上干擾的方法

針對(duì)以上常見(jiàn)和主要的干擾形式，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，我們采取了以下幾項(xiàng)針對(duì)措施：

1）在其后的產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中要求熱檢的鏡頭配置朝向，應(yīng)處于室外日光無(wú)法直射的方向。對(duì)于已經(jīng)定型的產(chǎn)線(xiàn)配置，對(duì)熱金屬檢測(cè)器視域內(nèi)的采光面采取噴漆遮斷、幕簾遮斷的方式進(jìn)行光線(xiàn)遮斷或削弱處理，確有通風(fēng)需要的窗戶(hù)改裝為通風(fēng)扇加配百葉簾；

2）熱檢鏡頭的取樣方向，視域內(nèi)應(yīng)杜絕其它工序熱金屬的紅外線(xiàn)輻射干擾，確保視域內(nèi)取樣的唯一性。若產(chǎn)線(xiàn)硬件配置打破了這種取樣封閉環(huán)境，應(yīng)采取硬件遮斷隔離不同的紅外光源。筆者曾經(jīng)見(jiàn)到一個(gè)軋鋼廠的設(shè)備布局，為了節(jié)約基建成本、最大化利用公輔系統(tǒng)效能而將兩條軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)水平并行配置，結(jié)果在工藝試車(chē)階段其中一條棒材生產(chǎn)線(xiàn)的熱檢不但能檢測(cè)自己流水線(xiàn)的軋件，還能檢測(cè)到對(duì)面高速線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)的軋件，該軋線(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的軋件跟蹤功能直接進(jìn)入紊亂狀態(tài)。直到在兩條產(chǎn)線(xiàn)間設(shè)置了彩鋼隔斷，才解決了這一問(wèn)題；

3）熱檢集中配置的設(shè)備區(qū)域，工作照明和廠房照明盡可能使用LED光源（同時(shí)可以起到節(jié)能降耗的作用），已使用的白熾燈源禁止直射熱檢鏡頭的視域；

4）熱檢視域內(nèi)的動(dòng)火作業(yè)、電焊作業(yè)應(yīng)盡量避免，確需從事該類(lèi)作業(yè)時(shí)應(yīng)遮蔽鏡頭，同時(shí)避讓設(shè)備運(yùn)行時(shí)段。因?yàn)榻饘偾懈?、熔接和電焊，其紅外光強(qiáng)度不但可以啟動(dòng)熱檢信號(hào)，更經(jīng)常超越熱檢的檢測(cè)溫度上限，對(duì)熱金屬檢測(cè)器的光敏元件造成永久性的物理?yè)p害；

5）HMD型熱檢本身具備俯仰角±45°的安裝范圍，可以充分利用其設(shè)計(jì)特性，采取頭部下傾一定角度的安裝方式，在保證視物的同時(shí)減少對(duì)前上方直射光線(xiàn)干擾的敏感；

6）熱檢防護(hù)罩尾部加裝軸流風(fēng)扇，日常吹散頭部范圍的水汽、粉塵和穿水線(xiàn)的飛沫，兼具設(shè)備降溫功能。實(shí)踐證明尾部強(qiáng)吹風(fēng)扇的吹散效果和能耗均優(yōu)于使用壓縮空氣定點(diǎn)吹掃；

7）利用工藝周期停機(jī)時(shí)間及時(shí)擦拭鏡頭防護(hù)玻璃，清楚凝露和污垢。對(duì)于采取了頭部下沉式安裝的熱檢，由于更容易結(jié)垢，擦拭清潔的周期還要適當(dāng)縮短；

8）嚴(yán)寒氣象下定點(diǎn)配置大風(fēng)量崗位移動(dòng)風(fēng)機(jī)吹散室內(nèi)霧氣，同時(shí)根據(jù)工藝和產(chǎn)品性能調(diào)節(jié)濁環(huán)冷卻水終端溫度，控制廠房溫差減少霧氣生成。在北方地區(qū)，寒潮氣象明顯，冬季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，廠房?jī)?nèi)的濃密霧氣不僅僅影響熱檢，也會(huì)影響所有的光學(xué)觀測(cè)設(shè)備。產(chǎn)線(xiàn)的濁環(huán)冷卻水溫度控制應(yīng)該加以觀察、記錄和整理，形成專(zhuān)門(mén)的操作程序；

9）工藝觀察并調(diào)整穿水線(xiàn)包型，減少?lài)姙R水花的閃爍效應(yīng)，同時(shí)使軋件均勻冷卻避免局部冷卻過(guò)度形成黑線(xiàn)，超過(guò)熱檢靈敏度預(yù)設(shè)下限導(dǎo)致檢測(cè)不能；

10）熱檢視域方向杜絕明顯的積水坑；

11）在自動(dòng)化程序中熱檢信號(hào)輸入這一回路增加濾波功能，消除ms級(jí)信號(hào)跳躍形成的干擾。以應(yīng)用廣泛的SIMATIC S7-300S7-400梯形邏輯（LAD）編程為例，實(shí)現(xiàn)這一功能的常用手段是使用S-ODT接通延時(shí)S5定時(shí)器（前提是自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)熱檢輸入信號(hào)的回路使用上升沿觸發(fā)）。根據(jù)其指令功能：只要其s輸入端上信號(hào)為“1”，則定時(shí)器就按輸入端TV上設(shè)定的時(shí)間間隔持續(xù)運(yùn)行，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束且未出現(xiàn)錯(cuò)誤，s輸入端信號(hào)仍為“1”時(shí)，輸出端Q才會(huì)由”0”變“1”。這樣就可以在工藝精度允許的范圍內(nèi)對(duì)熱檢輸出信號(hào)加以甄別、篩選，剔除閃躍的假信號(hào)（例如將圖片中的I0.0作為熱檢的輸出信號(hào)）。仍以飛剪應(yīng)用為例，具體TV設(shè)定時(shí)間需要根據(jù)熱檢到剪機(jī)剪切點(diǎn)的距離、軋件經(jīng)過(guò)熱檢后的運(yùn)行速度、工藝剪切長(zhǎng)度允許誤差值這3個(gè)要素進(jìn)行綜合考量，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試中根據(jù)低速區(qū)和高速區(qū)的不同，TV值從50ms到10ms不等。

通過(guò)以上應(yīng)對(duì)手段的綜合應(yīng)用，在該生產(chǎn)線(xiàn)及以其為模板的后續(xù)生產(chǎn)線(xiàn)上，HMD型熱檢形成的檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)可以有效控制信號(hào)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)自動(dòng)化大規(guī)模應(yīng)用。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于類(lèi)似于熱檢的光學(xué)檢測(cè)元器件而言，現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在著多種多樣的干擾源，但是通過(guò)一一分析其成因和作用機(jī)理，制定針對(duì)性措施，就可以一一克服，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)一環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]新疆八一鋼鐵（集團(tuán)）公司《小型連軋機(jī)的工藝與電氣控制》編寫(xiě)組.小型連軋機(jī)的工藝與電氣控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2000.07.