首鋼京唐CGL1鋅鍋液位測量系統(tǒng)

【摘要】鍍鋅工藝要求鋅鍋的液位控制在一個相對穩(wěn)定的范圍內，這就要求液位測量必須實時反映現(xiàn)場情況。本文論述了鋅液位測量原理，并根據(jù)實際情況，設計了PLC濾波系統(tǒng)，得到比較準確的液位值，為液位自動控制提供了準確的參考值。

【關鍵詞】相位激光測距；濾波；比例控制

前言

鋅鍋液位的穩(wěn)定性對鍍鋅工藝影響非常大，所以要求加鋅系統(tǒng)能夠根據(jù)液位的微小變化自動加鋅。但是，由于鋅鍋實際工作環(huán)境的影響，使得實測值存在很多干擾，不能真實的反映鋅液的實際量，需要濾除這些干擾后，測量值才有參考價值。而外方的系統(tǒng)中沒有對測量的液位值進行處理，就直接發(fā)送到控制系統(tǒng)中。首鋼京唐1號鍍鋅線根據(jù)生產實際，在系統(tǒng)中添加了濾波模塊，解決了測量信號的干擾問題，給自動控制提供一個準確的參考值。

1、相位測量原理

相位激光測距通過測量高頻調制相位差來實現(xiàn)測距。用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返一次所產生的相位延遲，光信號經被測目標反射后由測距系統(tǒng)放大，通過測定反射后的信號與參考信號的相位差Δφ，再根據(jù)調制光的波長換算此相位延遲所代表的距離[1]。設激光在A、B兩點間往返一次所需時間為t，則A、B兩點間距離D可表示為：

D=ct/2（1）

式中， c為光在大氣中傳播的速度。

若調制光角頻率為ω，在待測量距離D上往返一次產生的相位延遲為φ，則對應時間t 可表示為：

t=φ/ω（2）

將公式（2）代入公式（1）中，距離D可表示為：

D=ct/2= cφ/2ω=c（Nπ+Δφ） /（4πf）=c（N+ΔN）/4f （3）

式中：φ表示信號往返測線一次產生的總的相位延遲；ω表示調制信號的角頻率，ω=2πf；N表示測線所包含調制半波長個數(shù)；Δφ表示信號往返測線一次產生相位延遲不足π部分；ΔN表示測線所包含調制波不足半波長的小數(shù)部分。

在給定調制和標準大氣條件下，c/（4πf）是一個常數(shù)，此時距離的測量變成了測線所包含半波長個數(shù)的測量和不足半波長的小數(shù)部分的測量即測N或φ，由于近代精密機械加工技術和無線電測相技術的發(fā)展，已使φ的測量達到很高的精度[2]。

相位式激光測距儀主要包括調制信號發(fā)生器，相位的測量，相位信息的處理等幾大部分。隨著近年來微光學和二元光學、非球面技術的快速發(fā)展，相位激光測距儀的光學系統(tǒng)逐漸微型化、性能有了極大提高。并且由于深亞微米加工技術的不斷成熟、高速發(fā)展的電子器件性能的不斷提高和采用中頻采樣的測相方法，精簡了測相系統(tǒng)， 避免了高頻率采樣所帶來的測量困難，信號處理電路系統(tǒng)的集成化和數(shù)字化的程度更高[3]。相位激光測距整機的復雜度也隨之降低，使得相位激光測距儀趨向小型化，高精度方向發(fā)展。

2、相位測距儀在鋅鍋液位測量中的應用

首鋼京唐CGL1的鋅液位測量系統(tǒng)包括傳感器和PLC信號處理系統(tǒng)兩部分。傳感器型號：SICK DME3000），液位測量精度： +/- 1 mm。

實測液位值反映了測量點的液位變化。在實際應用中，傳感器和鋅液面之間的距離提供給PLC，由PLC計算出鋅液的位置。傳感器上傳的值存在較多的干擾因素，可能原因有：氣刀的高壓氣流吹動鋅液面，帶鋼以一定的速度通過鋅液，沉沒輥的轉動，加鋅對鋅液面的沖擊，鋅液面存在過多浮渣，浮渣加劇了測量點位置的波動，撈渣行為等

通過觀察數(shù)據(jù)曲線，可以看出實測值存在突發(fā)性的大幅度的干擾并伴有明顯的明顯的周期性波動，需要濾除這些干擾信號，才能得到有效的鋅鍋液位參考值。

濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。是根據(jù)觀察某一隨機過程的結果，對另一與之有關的隨機過程進行估計的概率理論與方法。根據(jù)需要設計了兩個串聯(lián)的濾波器，第一個濾除突發(fā)性的干擾波，第二個濾除周期性的波動。

第一、濾除突發(fā)性的干擾波，在實際應用中，鋅液的消耗與加入是比較緩慢的，一塊鋅錠對液面的貢獻大約是十五毫米，撈渣時，液面擾動比較大，有時超過數(shù)十毫米，這就有可能造成控制系統(tǒng)誤動，將整塊鋅錠加下去，而實際上這是不必要的，也是不允許的。設計一個有條件的輸出，在一個循環(huán)周期后如果輸入與輸出差值超過了設定的限度值，輸出不再跟隨輸入變化，這種濾波器可以有效濾除短時間內大幅度的干擾。濾波程序的實現(xiàn)如下：

IF ABS（var_out）<= ABS（diff） THEN

out：=in；

lim：=1；

ELSE

lim：=true；

END_IF；

IF reset=true THEN

out：=in；

END_IF；

第二、濾除高頻波動，由于測量信號存在明顯的高頻性波動，在采樣過程中可能產生頻率的疊加，所以濾除高頻性波動變的很必要了。這里我們用到了一種比例控制器來解決這個問題。比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系，偏差越大輸出越大。實際應用中，比例度的大小應視具體情況而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動，余差太大，控制質量差，也沒有什么控制作用；比例度太大，控制作用太強，容易導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。對于反應靈敏、放大能力強的被控對象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應當使比例度稍小些；而對于反應遲鈍，放大能力又較弱的被控對象，比例度可選大一些，以提高整個系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應減小余差。單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場合。工業(yè)生產中比例控制規(guī)律使用較為普遍。在本濾波器中中，恰恰利用了小比例系數(shù)下，輸入對輸出控制作用變弱，設計了一個帶疊加的比例控制器，可以通過改變K值，來調節(jié)輸出的變化量，在周期性的輸入中，可以把K值設的小一些，（此程序中K=0.001）削弱波動對輸出的影響。

濾波函數(shù)如下：

Yn=Yn-1 + K（Xn- Yn-1）

在程序中的實現(xiàn)

IF hold=1 then

out：=out*（1.0-K）+ in*k；

END_IF；

圖1中記錄了濾波前后的對比圖，圖中上下有波動的為實時測量的值，中間有一條比較平滑的曲線即是濾波后的值。

結論

鋅鍋液位測量系統(tǒng)在鋅鍋液位自動控制中有著非常重要的作用，本系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)經過濾波處理，得到的液位值誤差非常小，可以作為參考值用于液位的自動控制中，有效的解決了測量數(shù)據(jù)誤差大的問題，滿足生產要求。

參考文獻

[1]陳惠興.相位式光波測距儀[M].上海：上?？茖W技術出版社，1981，12-37.

[2]高林奎，宋瑋.激光測距[M].北京：人民鐵道出版社，1977，102-168.

[3]王秀芳，王江，楊向東，王磊，吳志海.相位激光測距技術研究概述[J].激光雜志，2006， 27（2）：4-5

作者簡介

盧杰（1982.10-）：男，漢族，河北石家莊人，碩士研究生學歷，首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司，工程師，主要從事電氣自動化方向的研究工作。