工業現場熱金屬檢測器信號干擾及應對探討

朱春光

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

在現代化軋鋼生產線，熱金屬檢測器已經得到了廣泛而穩定的應用，成為自動化系統重要的信號采集設備。通常熱檢信號作為提供軋件跟蹤、啟動工藝環節周期、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射出的紅外光，經光學部分進行聚焦，成像到光敏元件上，把光能轉換成電信號，經由電子線路處理，輸出一組對應的開關信號給控制機構，實現自動控制的目的。但是由于工業現場的環境復雜性，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定性，實現自動控制系統相關環節的穩定運行，是本文所要討論的問題。

1.工業現場紅外光干擾源分析

以國內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、堆鋼等一系列生產事故。根據現場多年的實踐分析，現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定、不完全（軋件冷卻溫度不勻導致局部黑線，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寒冷氣象下現場冷卻水形成濃密霧氣，對光信號產生遮斷。

由于熱檢所能采樣的紅外光具有一定的強度區間限制（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，經現場實際驗證，我們采取了以下幾項針對措施：

1）在其后的產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。對于已經定型的產線配置，對熱金屬檢測器視域內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，視域內應杜絕其它工序熱金屬的紅外線輻射干擾，確保視域內取樣的唯一性。若產線硬件配置打破了這種取樣封閉環境，應采取硬件遮斷隔離不同的紅外光源。筆者曾經見到一個軋鋼廠的設備布局，為了節約基建成本、最大化利用公輔系統效能而將兩條軋鋼生產線水平并行配置，結果在工藝試車階段其中一條棒材生產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線的軋件，該軋線自動控制系統的軋件跟蹤功能直接進入紊亂狀態。直到在兩條產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）熱檢視域內的動火作業、電焊作業應盡量避免，確需從事該類作業時應遮蔽鏡頭，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霧氣，同時根據工藝和產品性能調節濁環冷卻水終端溫度，控制廠房溫差減少霧氣生成。在北方地區，寒潮氣象明顯，冬季持續時間長，廠房內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。產線的濁環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（前提是自動化系統對熱檢輸入信號的回路使用上升沿觸發）。根據其指令功能：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運行，當計時結束且未出現錯誤，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設定時間需要根據熱檢到剪機剪切點的距離、軋件經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，現場實際調試中根據低速區和高速區的不同，TV值從50ms到10ms不等。

通過以上應對手段的綜合應用，在該生產線及以其為模板的后續生產線上，HMD型熱檢形成的檢測系統已經可以有效控制信號品質，實現工業級自動化大規模應用。

3.結束語

綜上所述，對于類似于熱檢的光學檢測元器件而言，現代工業現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，最終實現自動化系統一環的穩定運行。

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：冶金工業出版社，2000.07.