連鑄結(jié)晶器的熱成像研究

李同彬　林荔　林元?！×滞鷳c　柴姍　王杭興

摘 要：熱成像技術(shù)是運(yùn)用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)把溫度傳感器陣列以及溫度變化值轉(zhuǎn)換成直觀的彩色圖像的一種現(xiàn)代顯示技術(shù)，用于鋼鐵連鑄生產(chǎn)過(guò)程的惡劣環(huán)境。該技術(shù)利用埋設(shè)在結(jié)晶器銅板上的熱電偶陣列檢測(cè)溫度，用PLC模塊高速采集經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的溫度值，用現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，再根據(jù)色彩學(xué)原理和CRT＼＼LCD顯示技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，并用過(guò)程控制機(jī)處理數(shù)據(jù)，使連鑄結(jié)晶器內(nèi)鑄坯狀態(tài)以直觀的HMI形式顯示出來(lái)。其中，結(jié)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(shù)。文中推導(dǎo)出的高效數(shù)值計(jì)算公式是提高軟件編程質(zhì)量、使熱成像系統(tǒng)滿足連鑄生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制要求的關(guān)鍵。本文還對(duì)某些不適用于連鑄結(jié)晶器的熱成像方法做了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：結(jié)晶器熱電偶布置；熱電偶熱成像；溫度與色彩轉(zhuǎn)換模型；實(shí)時(shí)數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：O241；O432；TF341.6；TN27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jié)晶器是金屬連鑄生產(chǎn)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(fā)生漏鋼事故，造成重大人身和設(shè)備事故[1]。因此，監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和控制結(jié)晶器溫度為鋼鐵連鑄生產(chǎn)工藝所必需。結(jié)晶器熱成像技術(shù)常用如樣條函數(shù)、曲面磨光等插值計(jì)算方法，盡管數(shù)值計(jì)算方法流行、有效，能生成豐富的熱成像畫面，但是不能真實(shí)地?cái)M合熱傳導(dǎo)本質(zhì)，熱成像溫度誤差偏大，實(shí)時(shí)響應(yīng)不夠快[2]。本文的熱成像技術(shù)和處理結(jié)晶器溫度方法有所不同，是根據(jù)熱傳導(dǎo)規(guī)律在結(jié)晶器外壁上安裝熱電偶陣列[3]， 通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集，并建立結(jié)晶器的時(shí)域和空域溫度變化特征數(shù)據(jù)文件，不僅用來(lái)映射和模擬結(jié)晶器內(nèi)部的鋼鐵坯殼表面凝固狀態(tài)的溫度及變化[4]，而且根據(jù)色彩學(xué)原理和CRT/LCD圖像顯示技術(shù)，把結(jié)晶器溫度及變化用彩色圖像直觀形象的顯示出來(lái)。這種用彩色圖像來(lái)模擬無(wú)法檢測(cè)的結(jié)晶器內(nèi)部鋼鐵坯殼表面凝固狀態(tài)的方法，是一種現(xiàn)代顯示技術(shù)。它不僅能夠更直觀的幫助分析坯殼粘結(jié)漏鋼狀態(tài)和行為，而且能幫助操作者更加直觀的操作，同時(shí)提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)安全。

2 熱電偶陣列及其熱成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本PLC流程在每一節(jié)點(diǎn)和控制層級(jí)均有I/O接口冗余，便于系統(tǒng)擴(kuò)展和共享，更好地滿足了DCS要求。

另外，S7-300 PLC處理數(shù)據(jù)的軟件設(shè)計(jì)中，116個(gè)Thij的采樣頻率有差別，核心技術(shù)是依據(jù)PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線采用 RS485 通信協(xié)議的傳輸速率，計(jì)算處于結(jié)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(shí)域變化特征的數(shù)據(jù)文件，與其他熱電偶采樣數(shù)據(jù)打包經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給通信周期為500 ms的OPC服務(wù)器（另文專述）。這需要完成數(shù)據(jù)緩存程序設(shè)計(jì)，建立OPC服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)等工作。

3 數(shù)字顯示與熱電偶溫度之間的轉(zhuǎn)換

光電結(jié)合的CRT/LCD現(xiàn)代數(shù)字顯示技術(shù)能按不同比例混合色光三原色（紅綠藍(lán)三原色，用RGB表示） 產(chǎn)生所有色彩[7]。同理，對(duì)于非電學(xué)量的線性變化的熱電偶溫度值，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理、轉(zhuǎn)換，也能象電學(xué)量一樣與千差萬(wàn)別的色彩之間建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系， 傳輸給顯示裝置為人類視覺識(shí)別，使人看到色彩就聯(lián)想到溫度及其變化。

色彩與熱電偶溫度變化關(guān)系如果只用線性函數(shù)表示，會(huì)因人眼對(duì)明度的非線性敏感性，使人觀察圖像產(chǎn)生低溫時(shí)溫度變化大、高溫時(shí)變化小的錯(cuò)覺，造成誤判。為了使人感受到溫度和亮度變化的一致性，對(duì)熱傳感器溫度先要進(jìn)行非線性補(bǔ)償，進(jìn)行伽馬值校正。

設(shè)t為伽馬校正后的色彩函數(shù)RGB（r，g，b）輸入溫度值、tin為熱電偶檢測(cè)到的溫度值、e為熱電偶補(bǔ)償系數(shù)、乘冪值（γ）為伽瑪值，則伽馬曲線是一個(gè)乘冪函數(shù)： 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(shí)可構(gòu)成色彩和溫度的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果定義黑色為低溫，藍(lán)色為中間溫度，黃色為高溫， 同時(shí)色相環(huán)和色相立體里的補(bǔ)色和復(fù)復(fù)色區(qū)域[7]。

圖中，其他部分是鋼鐵連鑄結(jié)晶器在工作過(guò)程中構(gòu)成的一個(gè)HMI畫面實(shí)例。從中還能看出，熱成像技術(shù)還對(duì)結(jié)晶器溫度傳感器輸出過(guò)程數(shù)據(jù)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)、模擬測(cè)試、系統(tǒng)診斷、歷史回放、報(bào)警查詢、參數(shù)配置、用戶管理和安全退出等功能的改進(jìn)產(chǎn)生積極影響。

5 結(jié)論與展望

結(jié)晶器熱成像系統(tǒng)將會(huì)隨著溫度傳感器檢測(cè)方法的完善或者紅外線檢測(cè)技術(shù)的成功，隨著系統(tǒng)設(shè)備軟硬件的升級(jí)，從平面顯示向立體顯示的三維熱成像系統(tǒng)過(guò)渡[10][11]。如果近年內(nèi)，三維仿真技術(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的鋼坯溫度場(chǎng)能模擬成功并實(shí)用化，將使人們更進(jìn)一步了解結(jié)晶器內(nèi)鑄坯凝結(jié)的熱力學(xué)行為，甚至?xí)呱нB鑄機(jī)，縮短鋼鐵工藝流程[12]。

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