工业现场热金属检测器信号干扰及应对探讨

朱春光

【摘 要】现如今，光学热金属检测器作为一种PLC自动化系统的现场信号采集设备，正广泛应用于冶金、铸造、金属加工等行业.由于其对红外光信号的敏感性，会受到工业现场水雾、粉尘、其它光源的影响，产生采样信号干扰，进而造成自动化工艺环节的周期崩溃。本文通过对工业现场红外光干扰因素分析，系统的探讨了克制信号污染，维持采样稳定的实践手段。希望能抛砖引玉，对自动化系统的其它类型检测元器件的现场应用起到借鉴作用。

【关键词】热金属检测器；自动化；干扰

前言

在现代化轧钢生产线，热金属检测器已经得到了广泛而稳定的应用，成为自动化系统重要的信号采集设备。通常热检信号作为提供轧件跟踪、启动工艺环节周期、轧件计长等自动化子程序的基础输入量之一加以使用。以常州潞城传感器有限公司的HMD型为例，其通过接收由高温物体发射出的红外光，经光学部分进行聚焦，成像到光敏元件上，把光能转换成电信号，经由电子线路处理，输出一组对应的开关信号给控制机构，实现自动控制的目的。但是由于工业现场的环境复杂性，对于敏感的红外线取样信号存在各种各样的干扰源，比如高温、潮湿、水雾、粉尘等。如何有效控制应对这些干扰，维护热检取样信号的精度和稳定性，实现自动控制系统相关环节的稳定运行，是本文所要讨论的问题。

1.工业现场红外光干扰源分析

以国内某小型材轧钢厂的飞剪控制为例，其作用为横向剪切运行中的高温轧件，为实现此功能需要剪切机与轧件速度匹配（剪机为间歇式运行，具有提速→匀速→制动→待命周期），同时自动化系统要能够精确跟踪定位轧件位置来启动飞剪自动剪切周期，而实现以上自动化程序运行的采样信号即来自于飞剪入口前配置的热检。一旦该信号受到干扰就可以直接导致误剪、计长错误、堆钢等一系列生产事故。根据现场多年的实践分析，现场对热检取样信号的干扰源主要有以下几种：

①日光入射、现场白炽光源照明（热检对冷光源无响应）；

②地面积水、墙面玻璃等光洁平面对前述光源的强烈折射；

③水雾喷溅的光学闪烁效应；

④穿水轧件水包的不稳定、不完全（轧件冷却温度不匀导致局部黑线，低于300℃门槛值）；

⑤水汽夹杂粉尘吸附在热检镜头上凝露或者形成污垢；

⑥寒冷气象下现场冷却水形成浓密雾气，对光信号产生遮断。

由于热检所能采样的红外光具有一定的强度区间限制（由光敏元器件和电路设计性能决定），具体折算到HMD型所能检测到的轧件温度为300℃～1400℃，前述的①、②、⑤、⑥项因素都可以触发或阻断光敏元器件工作；同时由于热检的信号响应时间具备门槛值（2～20ms，对应不同输出方式），在检测穿水冷却的轧件时由于钢温本身较低，③和④干扰因素导致的不良后果也比较明显。

2.控制、消除以上干扰的方法

针对以上常见和主要的干扰形式，经现场实际验证，我们采取了以下几项针对措施：

1）在其后的产线设计中要求热检的镜头配置朝向，应处于室外日光无法直射的方向。对于已经定型的产线配置，对热金属检测器视域内的采光面采取喷漆遮断、幕帘遮断的方式进行光线遮断或削弱处理，确有通风需要的窗户改装为通风扇加配百叶帘；

2）热检镜头的取样方向，视域内应杜绝其它工序热金属的红外线辐射干扰，确保视域内取样的唯一性。若产线硬件配置打破了这种取样封闭环境，应采取硬件遮断隔离不同的红外光源。笔者曾经见到一个轧钢厂的设备布局，为了节约基建成本、最大化利用公辅系统效能而将两条轧钢生产线水平并行配置，结果在工艺试车阶段其中一条棒材生产线的热检不但能检测自己流水线的轧件，还能检测到对面高速线材生产线的轧件，该轧线自动控制系统的轧件跟踪功能直接进入紊乱状态。直到在两条产线间设置了彩钢隔断，才解决了这一问题；

3）热检集中配置的设备区域，工作照明和厂房照明尽可能使用LED光源（同时可以起到节能降耗的作用），已使用的白炽灯源禁止直射热检镜头的视域；

4）热检视域内的动火作业、电焊作业应尽量避免，确需从事该类作业时应遮蔽镜头，同时避让设备运行时段。因为金属切割、熔接和电焊，其红外光强度不但可以启动热检信号，更经常超越热检的检测温度上限，对热金属检测器的光敏元件造成永久性的物理损害；

5）HMD型热检本身具备俯仰角±45°的安装范围，可以充分利用其设计特性，采取头部下倾一定角度的安装方式，在保证视物的同时减少对前上方直射光线干扰的敏感；

6）热检防护罩尾部加装轴流风扇，日常吹散头部范围的水汽、粉尘和穿水线的飞沫，兼具设备降温功能。实践证明尾部强吹风扇的吹散效果和能耗均优于使用压缩空气定点吹扫；

7）利用工艺周期停机时间及时擦拭镜头防护玻璃，清楚凝露和污垢。对于采取了头部下沉式安装的热检，由于更容易结垢，擦拭清洁的周期还要适当缩短；

8）严寒气象下定点配置大风量岗位移动风机吹散室内雾气，同时根据工艺和产品性能调节浊环冷却水终端温度，控制厂房温差减少雾气生成。在北方地区，寒潮气象明显，冬季持续时间长，厂房内的浓密雾气不仅仅影响热检，也会影响所有的光学观测设备。产线的浊环冷却水温度控制应该加以观察、记录和整理，形成专门的操作程序；

9）工艺观察并调整穿水线包型，减少喷溅水花的闪烁效应，同时使轧件均匀冷却避免局部冷却过度形成黑线，超过热检灵敏度预设下限导致检测不能；

10）热检视域方向杜绝明显的积水坑；

11）在自动化程序中热检信号输入这一回路增加滤波功能，消除ms级信号跳跃形成的干扰。以应用广泛的SIMATIC S7-300＼S7-400梯形逻辑（LAD）编程为例，实现这一功能的常用手段是使用S-ODT接通延时S5定时器（前提是自动化系统对热检输入信号的回路使用上升沿触发）。根据其指令功能：只要其s输入端上信号为“1”，则定时器就按输入端TV上设定的时间间隔持续运行，当计时结束且未出现错误，s输入端信号仍为“1”时，输出端Q才会由”0”变“1”。这样就可以在工艺精度允许的范围内对热检输出信号加以甄别、筛选，剔除闪跃的假信号（例如将图片中的I0.0作为热检的输出信号）。仍以飞剪应用为例，具体TV设定时间需要根据热检到剪机剪切点的距离、轧件经过热检后的运行速度、工艺剪切长度允许误差值这3个要素进行综合考量，现场实际调试中根据低速区和高速区的不同，TV值从50ms到10ms不等。

通过以上应对手段的综合应用，在该生产线及以其为模板的后续生产线上，HMD型热检形成的检测系统已经可以有效控制信号品质，实现工业级自动化大规模应用。

3.结束语

综上所述，对于类似于热检的光学检测元器件而言，现代工业现场存在着多种多样的干扰源，但是通过一一分析其成因和作用机理，制定针对性措施，就可以一一克服，最终实现自动化系统一环的稳定运行。

参考文献：

[1]新疆八一钢铁（集团）公司《小型连轧机的工艺与电气控制》编写组.小型连轧机的工艺与电气控制[M].北京：冶金工业出版社，2000.07.