工業(yè)現(xiàn)場熱金屬檢測器信號干擾及應對探討

朱春光

【摘 要】現(xiàn)如今，光學熱金屬檢測器作為一種PLC自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場信號采集設備，正廣泛應用于冶金、鑄造、金屬加工等行業(yè).由于其對紅外光信號的敏感性，會受到工業(yè)現(xiàn)場水霧、粉塵、其它光源的影響，產(chǎn)生采樣信號干擾，進而造成自動化工藝環(huán)節(jié)的周期崩潰。本文通過對工業(yè)現(xiàn)場紅外光干擾因素分析，系統(tǒng)的探討了克制信號污染，維持采樣穩(wěn)定的實踐手段。希望能拋磚引玉，對自動化系統(tǒng)的其它類型檢測元器件的現(xiàn)場應用起到借鑒作用。

【關鍵詞】熱金屬檢測器；自動化；干擾

前言

在現(xiàn)代化軋鋼生產(chǎn)線，熱金屬檢測器已經(jīng)得到了廣泛而穩(wěn)定的應用，成為自動化系統(tǒng)重要的信號采集設備。通常熱檢信號作為提供軋件跟蹤、啟動工藝環(huán)節(jié)周期、軋件計長等自動化子程序的基礎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，其通過接收由高溫物體發(fā)射出的紅外光，經(jīng)光學部分進行聚焦，成像到光敏元件上，把光能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)由電子線路處理，輸出一組對應的開關信號給控制機構(gòu)，實現(xiàn)自動控制的目的。但是由于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境復雜性，對于敏感的紅外線取樣信號存在各種各樣的干擾源，比如高溫、潮濕、水霧、粉塵等。如何有效控制應對這些干擾，維護熱檢取樣信號的精度和穩(wěn)定性，實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)相關環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運行，是本文所要討論的問題。

1.工業(yè)現(xiàn)場紅外光干擾源分析

以國內(nèi)某小型材軋鋼廠的飛剪控制為例，其作用為橫向剪切運行中的高溫軋件，為實現(xiàn)此功能需要剪切機與軋件速度匹配（剪機為間歇式運行，具有提速→勻速→制動→待命周期），同時自動化系統(tǒng)要能夠精確跟蹤定位軋件位置來啟動飛剪自動剪切周期，而實現(xiàn)以上自動化程序運行的采樣信號即來自于飛剪入口前配置的熱檢。一旦該信號受到干擾就可以直接導致誤剪、計長錯誤、堆鋼等一系列生產(chǎn)事故。根據(jù)現(xiàn)場多年的實踐分析，現(xiàn)場對熱檢取樣信號的干擾源主要有以下幾種：

①日光入射、現(xiàn)場白熾光源照明（熱檢對冷光源無響應）；

②地面積水、墻面玻璃等光潔平面對前述光源的強烈折射；

③水霧噴濺的光學閃爍效應；

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€，低于300℃門檻值）；

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)場冷卻水形成濃密霧氣，對光信號產(chǎn)生遮斷。

由于熱檢所能采樣的紅外光具有一定的強度區(qū)間限制（由光敏元器件和電路設計性能決定），具體折算到HMD型所能檢測到的軋件溫度為300℃～1400℃，前述的①、②、⑤、⑥項因素都可以觸發(fā)或阻斷光敏元器件工作；同時由于熱檢的信號響應時間具備門檻值（2～20ms，對應不同輸出方式），在檢測穿水冷卻的軋件時由于鋼溫本身較低，③和④干擾因素導致的不良后果也比較明顯。

2.控制、消除以上干擾的方法

針對以上常見和主要的干擾形式，經(jīng)現(xiàn)場實際驗證，我們采取了以下幾項針對措施：

1）在其后的產(chǎn)線設計中要求熱檢的鏡頭配置朝向，應處于室外日光無法直射的方向。對于已經(jīng)定型的產(chǎn)線配置，對熱金屬檢測器視域內(nèi)的采光面采取噴漆遮斷、幕簾遮斷的方式進行光線遮斷或削弱處理，確有通風需要的窗戶改裝為通風扇加配百葉簾；

2）熱檢鏡頭的取樣方向，視域內(nèi)應杜絕其它工序熱金屬的紅外線輻射干擾，確保視域內(nèi)取樣的唯一性。若產(chǎn)線硬件配置打破了這種取樣封閉環(huán)境，應采取硬件遮斷隔離不同的紅外光源。筆者曾經(jīng)見到一個軋鋼廠的設備布局，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)線水平并行配置，結(jié)果在工藝試車階段其中一條棒材生產(chǎn)線的熱檢不但能檢測自己流水線的軋件，還能檢測到對面高速線材生產(chǎn)線的軋件，該軋線自動控制系統(tǒng)的軋件跟蹤功能直接進入紊亂狀態(tài)。直到在兩條產(chǎn)線間設置了彩鋼隔斷，才解決了這一問題；

3）熱檢集中配置的設備區(qū)域，工作照明和廠房照明盡可能使用LED光源（同時可以起到節(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)的動火作業(yè)、電焊作業(yè)應盡量避免，確需從事該類作業(yè)時應遮蔽鏡頭，同時避讓設備運行時段。因為金屬切割、熔接和電焊，其紅外光強度不但可以啟動熱檢信號，更經(jīng)常超越熱檢的檢測溫度上限，對熱金屬檢測器的光敏元件造成永久性的物理損害；

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

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

7）利用工藝周期停機時間及時擦拭鏡頭防護玻璃，清楚凝露和污垢。對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縮短；

8）嚴寒氣象下定點配置大風量崗位移動風機吹散室內(nèi)霧氣，同時根據(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)時間長，廠房內(nèi)的濃密霧氣不僅僅影響熱檢，也會影響所有的光學觀測設備。產(chǎn)線的濁環(huán)冷卻水溫度控制應該加以觀察、記錄和整理，形成專門的操作程序；

9）工藝觀察并調(diào)整穿水線包型，減少噴濺水花的閃爍效應，同時使軋件均勻冷卻避免局部冷卻過度形成黑線，超過熱檢靈敏度預設下限導致檢測不能；

10）熱檢視域方向杜絕明顯的積水坑；

11）在自動化程序中熱檢信號輸入這一回路增加濾波功能，消除ms級信號跳躍形成的干擾。以應用廣泛的SIMATIC S7-300＼S7-400梯形邏輯（LAD）編程為例，實現(xiàn)這一功能的常用手段是使用S-ODT接通延時S5定時器（前提是自動化系統(tǒng)對熱檢輸入信號的回路使用上升沿觸發(fā)）。根據(jù)其指令功能：只要其s輸入端上信號為“1”，則定時器就按輸入端TV上設定的時間間隔持續(xù)運行，當計時結(jié)束且未出現(xiàn)錯誤，s輸入端信號仍為“1”時，輸出端Q才會由”0”變“1”。這樣就可以在工藝精度允許的范圍內(nèi)對熱檢輸出信號加以甄別、篩選，剔除閃躍的假信號（例如將圖片中的I0.0作為熱檢的輸出信號）。仍以飛剪應用為例，具體TV設定時間需要根據(jù)熱檢到剪機剪切點的距離、軋件經(jīng)過熱檢后的運行速度、工藝剪切長度允許誤差值這3個要素進行綜合考量，現(xiàn)場實際調(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。

通過以上應對手段的綜合應用，在該生產(chǎn)線及以其為模板的后續(xù)生產(chǎn)線上，HMD型熱檢形成的檢測系統(tǒng)已經(jīng)可以有效控制信號品質(zhì)，實現(xiàn)工業(yè)級自動化大規(guī)模應用。

3.結(jié)束語

綜上所述，對于類似于熱檢的光學檢測元器件而言，現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場存在著多種多樣的干擾源，但是通過一一分析其成因和作用機理，制定針對性措施，就可以一一克服，最終實現(xiàn)自動化系統(tǒng)一環(huán)的穩(wěn)定運行。

參考文獻：

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