连铸结晶器的热成像研究

李同彬　林荔　林元模　林旺庆　柴姗　王杭兴

摘 要：热成像技术是运用工业控制计算机和现场网络把温度传感器阵列以及温度变化值转换成直观的彩色图像的一种现代显示技术，用于钢铁连铸生产过程的恶劣环境。该技术利用埋设在结晶器铜板上的热电偶阵列检测温度，用PLC模块高速采集经过A/D转换的温度值，用现场总线和工业以太网传输数据，再根据色彩学原理和CRT＼＼LCD显示技术建立数学模型，并用过程控制机处理数据，使连铸结晶器内铸坯状态以直观的HMI形式显示出来。其中，结晶器铜板热电偶阵列的热成像胞腔划分、边界延拓、温度的伽马曲线校正、双线性插值、二维高斯平滑处理等是形成HMI画面的主要热成像技术。文中推导出的高效数值计算公式是提高软件编程质量、使热成像系统满足连铸生产实时控制要求的关键。本文还对某些不适用于连铸结晶器的热成像方法做了简要分析。

关键词：结晶器热电偶布置；热电偶热成像；温度与色彩转换模型；实时数值计算

中图分类号：O241；O432；TF341.6；TN27 文献标识码：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

连铸结晶器是金属连铸生产工艺中的核心装备，它如果被高温钢水冲刷、粘连、腐蚀甚至熔化，就发生漏钢事故，造成重大人身和设备事故[1]。因此，监测、预报和控制结晶器温度为钢铁连铸生产工艺所必需。结晶器热成像技术常用如样条函数、曲面磨光等插值计算方法，尽管数值计算方法流行、有效，能生成丰富的热成像画面，但是不能真实地拟合热传导本质，热成像温度误差偏大，实时响应不够快[2]。本文的热成像技术和处理结晶器温度方法有所不同，是根据热传导规律在结晶器外壁上安装热电偶阵列[3]， 通过计算机网络实时采集，并建立结晶器的时域和空域温度变化特征数据文件，不仅用来映射和模拟结晶器内部的钢铁坯壳表面凝固状态的温度及变化[4]，而且根据色彩学原理和CRT/LCD图像显示技术，把结晶器温度及变化用彩色图像直观形象的显示出来。这种用彩色图像来模拟无法检测的结晶器内部钢铁坯壳表面凝固状态的方法，是一种现代显示技术。它不仅能够更直观的帮助分析坯壳粘结漏钢状态和行为，而且能帮助操作者更加直观的操作，同时提高生产效率与生产安全。

2 热电偶阵列及其热成像系统设计

本PLC流程在每一节点和控制层级均有I/O接口冗余，便于系统扩展和共享，更好地满足了DCS要求。

另外，S7-300 PLC处理数据的软件设计中，116个Thij的采样频率有差别，核心技术是依据PROFIBUS-DP 现场总线采用 RS485 通信协议的传输速率，计算处于结晶器液位线附近的阵列热电偶Th1j和Th2j的可高速采样频率，采样并形成有时域变化特征的数据文件，与其他热电偶采样数据打包经工业以太网传输给通信周期为500 ms的OPC服务器（另文专述）。这需要完成数据缓存程序设计，建立OPC服务器和数据存储程序设计等工作。

3 数字显示与热电偶温度之间的转换

光电结合的CRT/LCD现代数字显示技术能按不同比例混合色光三原色（红绿蓝三原色，用RGB表示） 产生所有色彩[7]。同理，对于非电学量的线性变化的热电偶温度值，经过计算机处理、转换，也能象电学量一样与千差万别的色彩之间建立一一对应的关系， 传输给显示装置为人类视觉识别，使人看到色彩就联想到温度及其变化。

色彩与热电偶温度变化关系如果只用线性函数表示，会因人眼对明度的非线性敏感性，使人观察图像产生低温时温度变化大、高温时变化小的错觉，造成误判。为了使人感受到温度和亮度变化的一致性，对热传感器温度先要进行非线性补偿，进行伽马值校正。

设t为伽马校正后的色彩函数RGB（r，g，b）输入温度值、tin为热电偶检测到的温度值、e为热电偶补偿系数、乘幂值（γ）为伽玛值，则伽马曲线是一个乘幂函数： t=（tin+e）γ其中，Gamma值是图象输出值与输入值的斜率，这里取0.45左右时可构成色彩和温度的线性对应关系。如果定义黑色为低温，蓝色为中间温度，黄色为高温， 同时色相环和色相立体里的补色和复复色区域[7]。

图中，其他部分是钢铁连铸结晶器在工作过程中构成的一个HMI画面实例。从中还能看出，热成像技术还对结晶器温度传感器输出过程数据的趋势预测、模拟测试、系统诊断、历史回放、报警查询、参数配置、用户管理和安全退出等功能的改进产生积极影响。

5 结论与展望

结晶器热成像系统将会随着温度传感器检测方法的完善或者红外线检测技术的成功，随着系统设备软硬件的升级，从平面显示向立体显示的三维热成像系统过渡[10][11]。如果近年内，三维仿真技术对结晶器内的钢坯温度场能模拟成功并实用化，将使人们更进一步了解结晶器内铸坯凝结的热力学行为，甚至会催生超薄带连铸机，缩短钢铁工艺流程[12]。

参考文献

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