連鑄結晶器的熱成像研究

李同彬　林荔　林元模　林旺慶　柴姍　王杭興

摘 要：熱成像技術是運用工業控制計算機和現場網絡把溫度傳感器陣列以及溫度變化值轉換成直觀的彩色圖像的一種現代顯示技術，用于鋼鐵連鑄生產過程的惡劣環境。該技術利用埋設在結晶器銅板上的熱電偶陣列檢測溫度，用PLC模塊高速采集經過A/D轉換的溫度值，用現場總線和工業以太網傳輸數據，再根據色彩學原理和CRT＼＼LCD顯示技術建立數學模型，并用過程控制機處理數據，使連鑄結晶器內鑄坯狀態以直觀的HMI形式顯示出來。其中，結晶器銅板熱電偶陣列的熱成像胞腔劃分、邊界延拓、溫度的伽馬曲線校正、雙線性插值、二維高斯平滑處理等是形成HMI畫面的主要熱成像技術。文中推導出的高效數值計算公式是提高軟件編程質量、使熱成像系統滿足連鑄生產實時控制要求的關鍵。本文還對某些不適用于連鑄結晶器的熱成像方法做了簡要分析。

關鍵詞：結晶器熱電偶布置；熱電偶熱成像；溫度與色彩轉換模型；實時數值計算

中圖分類號：O241；O432；TF341.6；TN27 文獻標識碼：A

Abstract：The thermal imaging based on industrial control computer and field network is a kind of modern display technology used to convert the temperature change into intuitive color images of the temperature sensor array placed in severe environment during steel continuous casting production process. This technology uses thermocouple array embedded in mold copper plate to detect the temperature change，and high speed PLC module for data collecting of A/D transformation for temperature. Also it uses field bus and industrial Ethernet for data transmission ， establishes the mathematical model based on principle of chromatics and CRT/LCD display technology， and processes data using the process control machine to display the state of casting blank in continuous casting mold in intuitive HMI form. The cell division of thermal imaging of thermocouple array in boundary continuation， gamma curve correction of temperature，bilinear interpolation，and twodimensional Gaussian smoothing are important thermal imaging technologies for HMI display. In this paper the formula derivation for high efficient numerical computation is a key to improve the quality of software programming and to satisfy the requirement of realtime monitoring for continuous casting production. Moreover some thermal imaging methods are discussed，which are not suitable for the application filed presented in this paper.

Key words：mold thermocouple decorate；thermocouple thermal imaging；the temperature and color transformation model；realtime numerical calculation

1 前 言

連鑄結晶器是金屬連鑄生產工藝中的核心裝備，它如果被高溫鋼水沖刷、粘連、腐蝕甚至熔化，就發生漏鋼事故，造成重大人身和設備事故[1]。因此，監測、預報和控制結晶器溫度為鋼鐵連鑄生產工藝所必需。結晶器熱成像技術常用如樣條函數、曲面磨光等插值計算方法，盡管數值計算方法流行、有效，能生成豐富的熱成像畫面，但是不能真實地擬合熱傳導本質，熱成像溫度誤差偏大，實時響應不夠快[2]。本文的熱成像技術和處理結晶器溫度方法有所不同，是根據熱傳導規律在結晶器外壁上安裝熱電偶陣列[3]， 通過計算機網絡實時采集，并建立結晶器的時域和空域溫度變化特征數據文件，不僅用來映射和模擬結晶器內部的鋼鐵坯殼表面凝固狀態的溫度及變化[4]，而且根據色彩學原理和CRT/LCD圖像顯示技術，把結晶器溫度及變化用彩色圖像直觀形象的顯示出來。這種用彩色圖像來模擬無法檢測的結晶器內部鋼鐵坯殼表面凝固狀態的方法，是一種現代顯示技術。它不僅能夠更直觀的幫助分析坯殼粘結漏鋼狀態和行為，而且能幫助操作者更加直觀的操作，同時提高生產效率與生產安全。

2 熱電偶陣列及其熱成像系統設計

本PLC流程在每一節點和控制層級均有I/O接口冗余，便于系統擴展和共享，更好地滿足了DCS要求。

另外，S7-300 PLC處理數據的軟件設計中，116個Thij的采樣頻率有差別，核心技術是依據PROFIBUS-DP 現場總線采用 RS485 通信協議的傳輸速率，計算處于結晶器液位線附近的陣列熱電偶Th1j和Th2j的可高速采樣頻率，采樣并形成有時域變化特征的數據文件，與其他熱電偶采樣數據打包經工業以太網傳輸給通信周期為500 ms的OPC服務器（另文專述）。這需要完成數據緩存程序設計，建立OPC服務器和數據存儲程序設計等工作。

3 數字顯示與熱電偶溫度之間的轉換

光電結合的CRT/LCD現代數字顯示技術能按不同比例混合色光三原色（紅綠藍三原色，用RGB表示） 產生所有色彩[7]。同理，對于非電學量的線性變化的熱電偶溫度值，經過計算機處理、轉換，也能象電學量一樣與千差萬別的色彩之間建立一一對應的關系， 傳輸給顯示裝置為人類視覺識別，使人看到色彩就聯想到溫度及其變化。

色彩與熱電偶溫度變化關系如果只用線性函數表示，會因人眼對明度的非線性敏感性，使人觀察圖像產生低溫時溫度變化大、高溫時變化小的錯覺，造成誤判。為了使人感受到溫度和亮度變化的一致性，對熱傳感器溫度先要進行非線性補償，進行伽馬值校正。

設t為伽馬校正后的色彩函數RGB（r，g，b）輸入溫度值、tin為熱電偶檢測到的溫度值、e為熱電偶補償系數、乘冪值（γ）為伽瑪值，則伽馬曲線是一個乘冪函數： t=（tin+e）γ其中，Gamma值是圖象輸出值與輸入值的斜率，這里取0.45左右時可構成色彩和溫度的線性對應關系。如果定義黑色為低溫，藍色為中間溫度，黃色為高溫， 同時色相環和色相立體里的補色和復復色區域[7]。

圖中，其他部分是鋼鐵連鑄結晶器在工作過程中構成的一個HMI畫面實例。從中還能看出，熱成像技術還對結晶器溫度傳感器輸出過程數據的趨勢預測、模擬測試、系統診斷、歷史回放、報警查詢、參數配置、用戶管理和安全退出等功能的改進產生積極影響。

5 結論與展望

結晶器熱成像系統將會隨著溫度傳感器檢測方法的完善或者紅外線檢測技術的成功，隨著系統設備軟硬件的升級，從平面顯示向立體顯示的三維熱成像系統過渡[10][11]。如果近年內，三維仿真技術對結晶器內的鋼坯溫度場能模擬成功并實用化，將使人們更進一步了解結晶器內鑄坯凝結的熱力學行為，甚至會催生超薄帶連鑄機，縮短鋼鐵工藝流程[12]。

參考文獻

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