高炉冷却水温度测量系统设计本科论文Word文档下载推荐.docx

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Keywords:

Blastfurnace、Multi-switch、Amplifyingandfiltering、ADC、Strokescode

第一章绪论

随着科学的发展对高炉寿命要求越来越高，人们对炉腹及其以上区域的内衬要求有了更深的认识。

本设计以单片机为核心器件，系统通过软、硬件的设计，完成对高炉16路冷却水温度进行自动巡回检测，需要时用键盘切换电子钟和显示温差，被测温差不在规定范围内，系统报警。

系统硬件电路设计分为：

扩展模块、测量模块、数据转换模块、键盘与显示模块、电源和报警模块，系统软件设计分为：

程序流程图（主程序流程图，子程序流程图）、程序。

用于工业生产中炉温测量的微机（单片机）控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

1.1系统简介

高炉长寿是降低成本、提高生产率的关键。

高炉的炉体、炉缸和炉底破损，影响了高炉使用寿命和冶炼强化程度。

尤其是炉役后期，炉墙变薄、漏水、漏气现象增多，应采用必要的检测手段，及时预报高炉各部位的冷却水温差并及时采取相应措施，对稳定高炉生产，保证高炉安全生产，延长高炉使用寿命具有实际意义。

高炉冷却水进出水温度的变化，能够间接反映出高炉炉内的物料和冶炼状况，也是计算高炉炉壁热负荷能力的重要参数。

通过在线实时监测水温差的变化，可监测到高炉冷却壁的使用状态，及时对冷却壁进行维护，可提高高炉的使用寿命、减少高炉炉缸事故的发生，因此，高炉冷却水温度的测量是高炉炼铁的重要操作之一。

高炉冷却水一般情况下进水温度最低为30℃，出水温度最高为51℃，一般夏天工作在40℃左右，冬天在35℃左右。

高炉的不同部位的温差范围也不同。

比如高炉炉腰部位的监测的水温差范围是6℃—14℃，一般测温系统均能满足要求。

而高炉炉缸的水温差监测的范围不能超过0.6℃，这样对温度传感器的要求很高。

这样一来一座高炉需要上百个温度监测点，每个监测点需要用两支传感器组成水温差检测系统。

本次设计的高炉冷却水进出水水温差，是一种低成本的基于单片机的温度检测电路，该电路比较简单，易于实现，使用范围也广泛。

本设计可分为:

测量模块，数据转换模块，扩展模块，键盘与显示模块，电源模块，报警模块等等。

测量模块由Pt100和三线制电路组成，16路温度巡回检测是本设计系统的起点。

温度传感器选择了温适合于高炉冷却水的检测STTR或STTH系列，薄膜铂热电阻元件，铠装铂热电阻件。

STT-R系列温度传感器采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧防水防震性能极佳，广泛应用于水温、气温、冷冻冷藏、医疗卫生、航空航天、环境等温度的测量；

STT-H系列铂电阻温度传感器采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，适用于水温、气温、冷冻冷藏等温度的测量；

感温元件骨架的材质也是决定铂热电阻使用温区的主要因素，常见的感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成，近年来市场上出现了大量的厚膜和薄膜铂热电阻感温元件，厚膜铂热电阻元件是用铂浆料印刷在玻璃或陶瓷底板上，薄膜铂热电阻元件是用铂浆料溅射在玻璃或陶瓷底板上，再经光刻加工而成，这种感温元件仅适用于-70~500℃温区，但这种感温元件用料省，可机械化大批量生产，效率高，价格便宜，就结构而言，铂热电阻还可以分为工业铂热电阻和铠装铂热电阻。

工业铂热电阻也叫装配铂热电阻，即是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属管或陶瓷管内，再安装上接线盒而成；

铠装铂热电阻是将铂热电阻元件，过渡引线，绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体，具有坚实，抗震，可绕，线径小，使用安装方便等优点。

工业用热电阻需要安装在生产现场，热电阻的连线对测量结果有较大的影响，重要有三种接法：

二线制接法、三线制接法、四线制接法，三线制接法目前工业过程中最常用的接线方式，本系统采用的正是这种接法。

三线制接法：

在热电阻根部的一端引出一根线，而在另一端引出两根线，分别与电桥中的相关组件相连。

当电桥平衡时有：

R1（R3+r）=R2（Rt+r）（即图中的R7为R1,R6为R2,R0为R3,r为r）,若R1=R2,则有R1R3=R2Rt,可见电桥平衡与导线电阻无关，这种接法可利用电桥平衡原理较好地消除导线电阻的影响。

数据转换模块由CD57A16路转换开关，滤波、放大、调满、调零和AD574A组成。

CD4067B是16路通道双向多路模拟开关，它具有两种电源输入端：

VDD和VSS，可以在-0.5～18V之间进行选择，所有输入信号范围是VCC<

=VI<

=VDD。

IN/OUT0～IN/OUT15为16个输入/输出端端口；

OUT为公用输出/输入端；

D、C、B、A为选择输入端；

INH为禁止输入控制端，INH=’1’，即INH=VDD时，所有通道均断开，禁止模拟量输入，当INH=’0’,通道接通，允许模拟量输入。

INH通过74HC138的Y2引脚来控制通道接通，允许模拟量输入；

A0、A1、A2、A3接A、B、C、D,通过地址来切换哪一个通道接通，如A0A1A2A3=0000,第一个通道接通（IN/OUT0）；

因为温度传感器出来的信号是毫伏级的，所以VDD接+5V的电压，VSS接地就可以满足该设计的要求。

为了减少投资，也为了简化硬件电路，放大、滤波、调满、调零这一套电路就设计为十六路共享。

根据该电路的放大倍数=（Rf+R0/R0）*（R/R1）,Rf<

100R,取Rf=90R=190K,R0=5R=10K,R=2K,调满后，R1约为10%R,放大倍数约为200倍，经调满、调零后，电压信号就变成了0～5V，这样就可以与AD574A连接了。

AD574A内部含三态锁存器，直接与单片机数据总线连接，本设计采用12位向左对齐输入格式，所以将低四位DB3～DB0接到DB11～DB8上。

读出数据时，第一次读DB11～DB4（高8位），第二次读DB3～DB0（低4位），此时，DB7～DB4为0000H。

将AD574A的标志位STATUS直接接到89C54的他上，使用了直接寻位指令查询。

AD574A共有5根控制逻辑线，用来完成寻址、启动和读出功能。

12/8接地恒为低电平，数据分两次读出；

CE由WR和RD两个信号通过一个与非门控制，所以不论读还是写状态下，CE均为1；

R/C、CS、A0/SC由A1、A0、Y1来控制：

A1=0时，启动A/D转换，A1=1时，读取A/D转换结果；

A0由P0.0控制，在转换过程中，A0=0按12位转换，读数据时，P0.0=0读取高8位数据,P0.0=1,则读取底4位数据。

89C54单片机的数据存储器不够使用，I/O口也不够使用，扩展了一片6264外部数据存储器，8255作为I/O。

89C54片内程序存储器容量为16K,地址编码为0000H～3FFFH，内部数据存储器为256字节，还需要外扩一个数据存储器6264。

不需要从外部程序存储器读数据31号管脚EA/VP接+5V的电压，ALE低8位地址锁存存信号接74HC138的LE，下降沿锁存从P0口输出的低8位地址信息A0～A7，以便随后作为数据总线使用，ALE只在执行MOVX指令时才被激活，在通常情况下，ALE输出信号恒定为1/6震荡频率，并可用作外部时钟或定时信号，每次访问外部数据存储器时一个ALE脉冲将被忽略，ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0位禁止ALE输出。

在由晶振够成的电容三点式震荡电路中，由于石英晶体震荡器中的静态电容C0、外接震荡电容C1和C2均大于芯片弹性等效串联电容CS，因此震荡频率由晶体震荡器并联协振频率fp决定。

增强型MCS—51芯片采用高电平，该电路增加了手动复位按钮，按下复位按钮时，电容C1通过R1放电，当电容C1放电结束后，RES引脚电位由R1、R2分压决定。

由于R1远远小于R2，因此RES引脚为高电平，CPU进入复位状态。

松开复位按钮后，电容C1充电，RES引脚电位下降，使CPU脱离电位状态。

R2的作用在于限制复位按钮按下瞬间电容C1的放大电流，避免产生火花，以保护按钮的触点。

74HC138作为各芯片的高位地址译码的片选信号，这样各芯片的地址就不会重复。

8255的地址由A0、A1、Y3共同来控制，读、写信号线与89C54的读、写信号线相连，数据线与89C54的数据相连。

此外还有键盘与显示模块，报警模块，电源模块等等。

显示用8255的B口作为笔段码锁存器，A口作为位扫描码锁存器。

由于8255A口负载能力有限，不能直接驱动LED，为此采用中功率PNP管（如8550）增大笔段驱动电流。

键盘可以实现调时，设定出水温度，实时显示哪路水温度差，取消报警。

蜂鸣器用一个达林顿结构，功能和火灾报警类似。

因为用到了+15V、-15V、+5V、+6V、-6V五个电压等级，为了满足本设计的要求，设计了三个电源模块。

1.2结构图

本设计从Pt100温度传感器块开始，经三线制线路消除导线电阻的影响，经16路转换开关切换检测电路，再经放大滤波、调满调零进入A/D转换为数字信号送入单片机处理，需要时用键盘切换电子钟和显示温差，被测温差不在规定范围内，系统报警。

图1—1结构图

第二章高炉工艺

高炉冷却壁冷却水的温差测量问题在我国冶金行业一直是个难以解决的问题。

随着高炉控制技术的发展和工艺要求的提高，高炉冷却水温差测量和控制就显得更为重要。

在高炉生产过程中，由于炉内反映产生大量的热量，任何炉衬材料都难以承受这样的高温作用，必须对其炉体进行合理的冷却，同时对冷却介质进行有效的控制，以便达到有效的冷却，使之既不危及耐火材料的寿命，又不会因为冷却组件的泄露而影响高炉的操作。

在炉缸区域，内衬材质和结构对炉体寿命有及大影响，所以炉缸部位的内衬材质越来越高档，陶瓷杯、各种高品质炭砖、石墨质砖已普遍在现代高炉炉缸中应用。

高炉长寿是降低成本、提高生产率的关键，提高高炉寿命主要靠的冷却组件和有效的冷却系统，应采用必要的检测手段，及时预报高炉各部位的冷却水温差并及时采取相应措施，对稳定高炉生产，保证高炉安全生产，延长高炉使用寿命具有实际意义。

2.1高炉的概况

在实际生产中，冷却水温差过大反映了炉壁温度过高，严重影响高炉的寿命，但温差过小则能源损失太大，增加冶炼成本。

准确稳定的测量温差是控制的基础，对于高炉热负荷的计算，冷却水温差是个重要的参考数据。

从现代炼铁工艺要求看，准确稳定的冷却水温差测量对于指导高炉的维护至关重要。

因此对高炉冷却介质进行必要的监测和控制尤为重要。

本文主要阐述对高炉水冷却部分进行监测的一套系统构成及工作原理。

2.2系统设计背景

通过在线实时监测水温差的变化，可监测到高炉冷却壁的使用状态，及时对冷却壁进行维护，可提高高炉的使用寿命、减少高炉炉缸事故的发生。

通过对温度曲线、热流强度趋势的分析，为高炉冶炼顺行提供指导，最终提高炼铁高炉利用系数，降低能耗，提高产量。

因此，高炉冷却水温度的测量是高炉炼铁的重要操作之一。

高炉是冶金行业中必不可少的设备，在冶金中起着非常重要的作用；

高炉冷却水在高炉设备中的作用的作用也非常大，因此高炉水温测量系统十分有重要。

高炉是炼铁的主体生产设备,有着一个复杂、庞大的系统,高炉在生产过程中,其炉内温度最高可达1500℃以上。

而炉皮、立柱等钢结构件在正常工作状况下的最大允许温度一般为400℃,超过此温度时,其强度值就会下降。

为了使炉墙温度保持在允许的范围内,冷却是必不可少的。

在高炉设备中,冷却工作的正常与否决定着高炉整体与各个部件的强度和寿命。

从现代炼铁工艺要求看，准确稳定的冷却水温差测量对于指导高炉炉型的维护至关重要。

在工业生产中，有很多行业有大量的加热设备，如用于热处理的加热炉、用于熔化金属的坩锅炉，以及各种不同用途的加热炉，反映炉，这样温度就成为了工业对象中一种重要的被测控对象。

在炉腹及其以上区域，再好的内衬对延长炉体寿命的作用也是有限的，提高寿命主要靠的冷却组件和有效的冷却系统，因此，现代高炉对在炉腹及其以上区域的内衬材质不做过高的要求，且内衬厚度趋势是越来越薄。

高炉冷却设备常用的冷却水有工业水及工业净化水、蒸汽、空气、纯水、软水等。

使用工业水及工业净化水不能保证高炉长期正常工作，蒸汽冷却及空气冷却目前已基本不在采用。

为了能保证高炉长期正常工作，一般使用软水和纯水。

长期实践证明，在我国大部分地区，普通工业水或工业净化水难以满足高炉长寿要求。

高炉进一步长寿，冷却水质必须有一个大的飞跃。

软水（或纯水）作为冷却水，因为软水（或纯水）由于去掉了水中

，

离子及悬浮物，杜绝了水垢的形成，大大改善了冷却水效果，是冷却系统最理想的介质。

如：

包钢的目前国内高炉采用的冷却方式有三种：

1.工业水开路循环冷却系统2.汽化冷却系统　3.软水密闭循环冷却系统。

6#号高炉是用软水冷却的，其它的用纯水冷却的。

实践证明，用于工业生产中炉温测量的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150℃等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。

使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。

高炉技术进步的特点，表现为高炉炼铁已发展成为较成熟的技术。

从近几年高炉技术进步的发展方向看，突出的特点是大型化、高效化和自动化。

因此采用较为先进的高炉冷却技术具有较大的吸引力，成为争相探讨和研究课题。

1.采用软水密闭循环冷却系统最佳。

因为：

（l）软水密闭循环系统的冷却可靠性好。

冷却的可靠性，是衡量冷却系统优劣最重要的标准。

不结垢，可以长寿；

（2）水量消耗少。

软水密闭循环冷流系统中，没有水蒸发损失，流失也极小。

水泵的轴封处的流失是系统的主要流失点，流失量是系统总容积的1‰补水量，故水量消耗是极少的；

（3）动力消耗低。

闭路系统与开路系统不同，其水泵的工作压力取决于膨胀罐内压力，而水泵扬程是由系统的管路阻力损失决定的，冷却水的静压头能够得到完全的利用；

（4）管路腐蚀小。

因为它是闭路，空气进不去。

因此，软水密闭循环冷却系统是一种比较经济的冷却方法。

2.汽化冷却分为两种循环方式：

自然循环和强制循环。

（l）汽化冷却的优点：

①冷却介质为软水，可防止结垢；

②自然循环需要动力，在停电情况下仍能继续运。

（2）汽化冷却的缺点：

①冷却设备在承受大而多变的热负荷冲击下容易产生循环脉动，甚至可能出现膜状沸腾，致使冷却设备过热而烧坏；

②汽化冷却时，冷却壁本体的温度比水冷时高，缩短了冷却壁的寿命。

水冷却的冷却壁本体的最高温度已接近珠光体相变的温度。

铸铁在760℃时，珠光体发生相变，使铸铁机械性能急剧变坏，因此使冷却壁寿命缩短。

3.工业水冷却的优点是传热系数大，热容量大，便于输送，成本便宜。

工业水冷却的致命弱点是水质差，容易结垢而降低冷却强度，导致烧坏冷却设备，水的循环量大，能耗大。

4.喷水冷却，结构轻便简单易行。

我国大中型高炉多作为备用冷却手段，小高炉用的较多。

目前国外一些极薄炉墙或大中型高炉下部，有采用炉壳内砌碳砖，以喷水作为唯一冷却手段，效果也不错。

本文主要阐述对高炉水冷却部分进行监测和控制的一套系统构成及工作原理。

综上所属，用于工业生产中炉温测量的微机（单片机）控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

作为本科自动化的学生，用单片机

对高炉冷却水温度（16路）进行自动巡回检测，平时显示时间-作为电子钟，需要时用键盘输入相关功能，自动轮流显示各路温差，被测温差不在规定范围，有报警功能。

2.3系统工作原理

在温度测量系统中，需要将温度的变化转换为对应的信号变化，由于热电阻的结构简单制造容易，测量范围广，测量中有较高的精度，所以选用Pt100热电阻做热电阻传感器，测温范围0℃～400℃正好能完成毕业设计的要求。

该系统被测参数主要是温度，被测参数温度制、温度值由热电阻传感器测定后得到的mV信号经过温度变送器放大滤波后变为0～5V的电压信号，再经过A/D转换器后，将模拟信号变为数字信号进入单片机，经软件进行数据处理后，输出并显示温差值，可以判断是否需要报警，设有键盘实现一些基本的功能切换。

1.4系统设计目标及技术要求

本设计主要研究以单片机为核心器件，对高炉冷却水（16路）进行自动巡回检测，需要时用键盘输入相关功能，自动轮流显示各路温差或显示指定某路