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一、項目簡介概述
唐山鋼鐵公司煉鐵廠的出鐵流程：鐵水從高爐流出后，先被導入半紡錘形的流嘴；流嘴兩邊各停有一輛魚雷罐車，罐口位于流嘴出口的正下方，正好對準流嘴的中線。工人手動調(diào)整流嘴角度，使得鐵水通過較低的出口流入下方的魚雷罐車；當工人發(fā)現(xiàn)鐵水液面已經(jīng)達到高限時，則重新調(diào)整流嘴角度，使其回復到水平狀態(tài)或者轉(zhuǎn)向另一邊進行加注。因為出鐵口未設(shè)置地磅，以往觀測鐵水的裝載量都是由工人經(jīng)由集煙罩的孔隙觀察罐口液面估計而得。由于現(xiàn)場鐵水飛濺且煙塵滾滾，目測而得的結(jié)果往往不是很準確；而出于安全的考慮，工人經(jīng)常會在魚雷罐尚未裝滿的情況下停止加注�？梢�，由于傳統(tǒng)的工作模式的限制，生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性儼然成為了一個杠桿的兩端，此消彼長，無法進一步有效提高出鐵的工作效率。
為了解決這種安全與效率的矛盾，有關(guān)技術(shù)人員提出了采用已在高爐中得到運用的雷達物位計來代替人工，在每一個魚雷罐車上方加裝一臺西門子SITRANS LR雷達物位計，對于魚雷罐車的鐵水液面進行監(jiān)測，并依據(jù)相關(guān)液面數(shù)據(jù)對整個鐵水的加注過程進行自動控制。在廠各級領(lǐng)導的大力支持下，10月中旬，技術(shù)人員首先在唐鋼煉鐵廠二高爐對西門子雷達物位計進行了驗證性的安裝及試驗，取得了良好的效果，為下一步的出鐵工藝流程自動化改造奠定了基礎(chǔ)。
現(xiàn)場概貌：
1、唐鋼煉鐵廠大門
2、唐鋼煉鐵廠二高爐現(xiàn)場；高爐正在出鐵
3、魚雷罐車進入出鐵現(xiàn)場
4、高爐正在出鐵
5、冷態(tài)、沒有加鐵水的流嘴
6、剩余了一部分鐵水的流嘴，和已經(jīng)灌滿的魚雷罐車
7、正在入罐的鐵水流
二、西門子SITRANS LR雷達物位計基本資料
SITRANS LR雷達物位計是為中大型貯罐的物位測量（液體或固體）而設(shè)計的，是一種應(yīng)用于固體和液體物位測量的范圍廣的FMCW雷達物位儀表。它采用24GHz連續(xù)波調(diào)頻雷達技術(shù)，可在高溫或粉塵環(huán)境下對儲存容器里深達45m的液體和固體料位進行精確測量。SITRANS LR有堅固的外殼、法蘭連接和喇叭形天線，其測量不受氣壓或者溫度狀況的影響。它２４ＧＨＺ的發(fā)射頻率和高信噪比使其即使在測量低介電常數(shù)介質(zhì)時，仍能有很好的信號反射。它還支持現(xiàn)場紅外線編程器及SIMATIC PDM軟件編程。
技術(shù)規(guī)格：
電源
● 供電電源 120～ 230 V AC, 15%, 50/60 Hz, 6W (12VA) 或24 V DC, +25/-20%, 6W
性能
● 頻率 通常25 GHz
● 測量范圍 0.35到50 m (1.15到164 ft)
● 測量誤差 1～10 m (3.3 ~32.8 ft.)距離時，≤5 mm (0.2")10～50 m(32.8~164 ft)距離時，≤15 mm (0.6")
● 盲區(qū)1 法蘭底部邊緣0～350 mm
● 值模擬輸出附加額 ≤0.1%
● 長期穩(wěn)定性 ≤ 1 mm/year
● 重復精度 0～50 m, 阻尼 ≥ 1 s時，≤ 1 mm
接口
● 模擬輸出 (不應(yīng)用于PROFIBUS PA 選項) 信號范圍 4 ～ 20 mA
● 數(shù)字輸出
功能 可作為設(shè)備狀態(tài)或限制值配置(液位，體積)
信號類型 繼電器，NCC 或NOC 的任一一個
最大 50 V DC, 最大 200 mA, 額定最大 5 W. 自整定熔絲, Ri = 9 Ω
● 電氣隔離 電氣輸出和電源供應(yīng)隔離，相互之間隔離
● 顯示 LCD, 兩排，每排16字符，可顯示：液位，體積，波幅，數(shù)字輸出，溫度，置信度，信噪比
機械
法蘭
● 過程連接 法蘭 DIN 2527, ANSI B16.5, 或 JIS B2238 相當螺釘式樣
● 焊接部分材質(zhì) 不銹鋼1 法蘭及CF8M 喇叭，PTFE部件 – 與工藝連接 發(fā)射器 （或玻璃/PTFE, 區(qū) 0 與區(qū) 20 設(shè)備）
● 喇叭類型(固體型) 2" 喇叭 (50 mm) 直徑 3"喇叭(80 mm) 直徑 4"喇叭(100 mm) 直徑
(100 或 200 mm 可選天線擴展可用)
環(huán)境條件
● 安裝位置： 室內(nèi)/室外
● 環(huán)境溫度3 -40～65 °C (-40～149 °F)
● 相對濕度 適于室外 (Type / NEMA 4X, 6/ IP67)
● 安裝等級 II
● 污染等級 4
● Perm. 環(huán)境溫度3 -40～65 °C (-40～149 °F) (非危險性)
LCD: -10 ～55 °C (14～131 °F)
過程
● 過程溫度 -40～200 °C (-40～392 °F)
協(xié)議： HART, Version 5.1
三、安裝位置
安裝位置如下圖1至4所示
圖1 全景安裝模擬示意圖
圖2 安裝位置模擬頂視圖 
圖3 加注鐵水時，雷達工作及安裝位置模擬示意圖
圖4 試驗中的雷達物位計
四、系統(tǒng)功能
按照最初的構(gòu)想，雷達的測量工況應(yīng)該很理想——雷達安裝在魚雷罐車罐口的正上方，而喇叭口的中垂線又恰好避開了下泄的鐵水流；現(xiàn)場可以提供壓縮空氣進行吹掃和冷卻，確保雷達在高溫環(huán)境下的正常工作。而實際的情況是，現(xiàn)場鐵水四處飛濺，壓縮空氣中有水汽，流嘴四周的墻壁和魚雷罐車罐口結(jié)渣非常嚴重，極大地影響著雷達波的反射，更有些魚雷罐車的結(jié)渣從雷達的正下方擋住了雷達波從雷達頭到鐵水液面的去路。
（一）現(xiàn)場相關(guān)照片如下：
流嘴四周墻壁結(jié)渣情況（圓孔即雷達喇叭口安裝位置）：
魚雷罐車罐口結(jié)渣的較理想狀況；有少量結(jié)渣附著，不影響雷達波視角（錐面）；
魚雷罐車罐口結(jié)渣的一般狀況，有大量結(jié)渣附著，但尚未完全遮蓋住雷達波視角（錐面）下的液面；
魚雷罐車罐口結(jié)渣的極端惡劣狀況；有大量結(jié)渣附著，已完全遮蓋住雷達波視角（錐面）下的液面
（二）通過對現(xiàn)場的仔細考察和試驗，我們確認在雷達安裝位置附近環(huán)境溫度只有四十多度，而暴露在熱浪直接炙烤下的雷達喇叭口部分也僅有140度以下，即便不使用壓縮空氣，雷達也將工作在許可的條件下。
（三）針對結(jié)渣妨礙雷達探測的問題，相關(guān)技術(shù)人員進行了調(diào)試，過程如下。
按照理論位置和角度進行安裝；未設(shè)置盲區(qū)。（魚雷罐車罐口一般狀況，有大量結(jié)渣附著，但尚未完全遮蓋住液面。）
第一個波峰是發(fā)射波；第二個波峰是墻壁結(jié)渣的反射波；第三個波峰是來自魚雷罐罐口結(jié)渣的反射波；第四個波峰是真實的鐵水液面回波。其余都是多次回波。
2、試圖消除結(jié)渣對雷達的影響，尤其是距離喇叭口最近的墻壁結(jié)渣，我們嘗試調(diào)整了雷達的傾斜角度，令其微微向墻壁外側(cè)傾斜；未設(shè)置盲區(qū)。
可以看到圖一中的墻壁結(jié)渣回波迅速減弱，降到了可以忽略不計的程度，但來自魚雷罐罐口結(jié)渣的回波卻有所增強，同時液面真實回波減弱
進一步調(diào)整雷達傾斜角度，讓其盡量避開魚雷罐罐口結(jié)渣。
可以看到墻壁結(jié)渣的回波略有增強，但真實液面回波增強
繼續(xù)微調(diào)雷達傾斜角度；因墻壁結(jié)渣回波相對較弱，故在避開魚雷罐罐口結(jié)渣時，相應(yīng)地向墻壁內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動雷達傾角。
墻壁結(jié)渣回波增強了許多，但尚不足以影響到對液面回波的判讀；而第三個波峰，即原魚雷罐罐口結(jié)渣回波，大大減弱，且分裂為兩個小的波峰，很容易判斷出，前一個即罐口回波，后一個為罐口結(jié)渣回波；雖然液面回波有所下降，但其強度為其他雜波的兩倍，且非常穩(wěn)定。故此圖顯示此時之雷達安裝位置及角度為普通惡劣工況下的最佳。
此次魚雷罐車罐口結(jié)渣極為嚴重，完全遮擋了雷達到鐵水液面的可視角度，無法再通過調(diào)整雷達安裝位置和安裝角度來獲取最佳測量效果。故可以采用盲區(qū)設(shè)置來獲取液面信息。
魚雷罐車罐口結(jié)渣完全遮擋了液面，故其回波也遠高于液面的回波。特取0點至罐口結(jié)渣回波和液面回波中間的波谷做為盲區(qū)，則雷達讀數(shù)穩(wěn)定地讀出了真實的液面高度（雷達基準零平面減去雷達到反射物的距離）�，F(xiàn)場工作中，雷達讀數(shù)伴隨著鐵水液面上升穩(wěn)定增大，并在鐵水接近灌滿、停止加注時，讀數(shù)停留在5米左右，與現(xiàn)實情況極為符合。
五、運用西門子雷達物位計對鐵水液面進行監(jiān)測的意義
1、 可確保鐵水加注的安全。通過雷達物位計讀出的液面數(shù)據(jù)用于干預(yù)是否放下流嘴傾斜角度，可有效避免由于人工目視的誤差導致的鐵水溢出事故。
2、 可充分利用魚雷罐車的運載能力。人工目視的最高液面往往距離高限還有很大距離，據(jù)估計，至少差額在8至9噸鐵水上下。運用雷達讀數(shù)，可以提高效能。
3、 可以使得現(xiàn)場工作的工人從高度的緊張狀態(tài)中擺脫出來，降低勞動強度，減少現(xiàn)場惡劣環(huán)境對工人的不利影響。
4、 由于使用雷達監(jiān)測液面后，魚雷罐車的裝載量將接近最大值，則鐵水與外界的接觸面減小，溫度耗散減緩，有利于提高鐵水的質(zhì)量。
5、 配合軟件進行二次開發(fā)，不僅僅可對鐵水液面數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，還可實時了解到魚雷罐的相關(guān)信息，鐵水加載重量，加載時間等等，使得以前在監(jiān)控室中所無法掌握的信息了然在目。
六、運用西門子雷達物位計的使用心得和體會
唐鋼煉鐵廠二高爐出鐵現(xiàn)場具有非常典型的惡劣工況；高溫、飛濺的鐵水、濃密的煙塵及各處對雷達波的遮擋，無不考驗著雷達物位計的工作可靠性。但西門子雷達物位計的高品質(zhì)保證了其工作的正常 —— 在工作中，儀表自檢內(nèi)部溫度僅42度；飛濺的鐵水沒有附著在雷達上，即便是粉塵，使用簡單的吹掃即可清除；而正負各僅4度的雷達波發(fā)射錐面角度保證了雷達波在盡量小的范圍內(nèi)，反射回足夠強度的回波；最為驚喜的，是通過設(shè)置盲區(qū)，雷達竟然能夠探測到被遮擋的料面，且非常穩(wěn)定。
經(jīng)過這一次實際應(yīng)用，對西門子雷達物位計的性能有了切身的體會。西門子SITRANS LR操作簡便易懂，參數(shù)設(shè)置一目了然，可謂功能強大，務(wù)盡所能，物超所值。
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