專利名稱：基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明涉及冶金、化工及水泥建材等領(lǐng)域使用工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)，對(duì)固體料面，特 別是對(duì)高爐料面進(jìn)行測(cè)量和成像，并實(shí)現(xiàn)料面分布形狀最優(yōu)閉環(huán)連鎖控制的場(chǎng)合。
技術(shù)背景-
高爐的測(cè)定和解剖研究表明，料面分布形狀與高爐冶煉行程有著緊密的關(guān)系，合 理的布料和料面分布形狀對(duì)有效的控制高爐煤氣分布，使得爐缸活躍、高爐順行、降 低焦比、節(jié)約能源、穩(wěn)定高產(chǎn)、減少爐壁侵蝕和延長(zhǎng)高爐壽命等方面有著重要的作用。 因此，高爐料面分布形狀控制是高爐煉鐵生產(chǎn)自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲得高 爐料面形狀信息對(duì)于高爐煉鐵生產(chǎn)效益的提高具有重要價(jià)值。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲得高溫、 高壓、全封閉的高爐內(nèi)部不斷變化的料面形狀，并根據(jù)預(yù)設(shè)的料面形狀實(shí)時(shí)進(jìn)行布料 連鎖閉環(huán)控制，在冶金行業(yè)中是一個(gè)世界性的技術(shù)難題。
目前最普遍使用的料面檢測(cè)手段主要有四種。
(1) 機(jī)械探尺測(cè)量法。通過(guò)機(jī)械料尺在不同位置直接對(duì)料位高度進(jìn)行接觸式測(cè) 定，通常采用三個(gè)料尺實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同位置的料位高度檢測(cè)，但不能反映料面的形狀， 所需測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。
(2) 間接測(cè)量料面法。通過(guò)測(cè)溫十字架監(jiān)測(cè)煤氣分布，間接地推測(cè)出料面形狀。 這種方法精度低，延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
(3) 紅外熱成像測(cè)量料面法。它能獲得料面的熱分布，但不能獲得料面形狀。 由于高爐內(nèi)粉塵對(duì)紅外介質(zhì)窗口影響嚴(yán)重，紅外成像儀難以在高爐上工作。
(4) 雷達(dá)料面測(cè)量法。即采用微波的原理對(duì)高爐爐內(nèi)料面形狀進(jìn)行非接觸式測(cè) 量。目前主要有一個(gè)雷達(dá)單發(fā)單收放方式，或者兩個(gè)雷達(dá)一發(fā)一收式，對(duì)于雷達(dá)成像 的方法， 一般釆用機(jī)械式移動(dòng)天線進(jìn)行料面成像。
其涉及到的國(guó)內(nèi)外相關(guān)專利如下
第一類專利主要采用單點(diǎn)雷達(dá)測(cè)量固體料面某一點(diǎn)的高度
日本發(fā)明專利"高爐裝入物降下速度測(cè)量裝置"，(日本神戶制鐵所，昭和62年)
提出雷達(dá)天線高爐爐頂沿徑向傾斜固定插入爐內(nèi)，天線不做掃描。該裝置可以測(cè)量雷
達(dá)天線下方料面的料位高度和下降速度，相當(dāng)于一只在加料間歇期可調(diào)整測(cè)量位置的
非接觸式的料尺，不能測(cè)量整個(gè)料面的形狀和沉降動(dòng)態(tài)。美國(guó)專利US4322627 (APPARATUS FOR MONITORING THE SURFACE OF THE CHARGE OF A SHAFT FURNACE)的豎爐料面的單臺(tái)激光雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備。
美國(guó)專利US4429309 (TRACKING FILTER SYSTEM FOR USE WITH A FM/CW RADAR) 描述了用單臺(tái)雷達(dá)調(diào)頻連續(xù)波測(cè)固體料位的距離值。
美國(guó)專利US5611838(PROCESS FOR PRODUCING AN IRON MELT)，采用單臺(tái)雷達(dá)或 超聲或攝像法檢測(cè)鐵水的單一點(diǎn)的高度值。
中國(guó)專利CN2649600，"煉鐵高爐爐膛料位檢測(cè)儀"，可以在雷達(dá)探測(cè)儀發(fā)射出的 雷達(dá)波射向煉鐵高爐爐膛料面后，反射回來(lái)，為雷達(dá)探測(cè)儀的接收器接收并輸出顯示， 測(cè)量出煉鐵高爐爐膛中的料位。但該發(fā)明中存在的問(wèn)題是雷達(dá)采用的是6.3GHz的 低頻雷達(dá)(VEGAPULS56K)， 20°角的發(fā)射角，喇叭口天線，DN150，該雷達(dá)的回波強(qiáng)度 在測(cè)量固體料位的情況下，尤其是在有高溫粉塵狀態(tài)下，由于頻率相對(duì)26GHz回波信 號(hào)較低，回波較弱，容易失波。
第二類專利主要是通過(guò)機(jī)械移動(dòng)雷達(dá)來(lái)探測(cè)料面形狀
美國(guó)發(fā)明專利US5053776 (DEVICE AND METHOD FOR T服TELEMETRIC MEASUREMENT
MAP OF LOADING SURFACE OF A SHAFT FURNACE),(其他多國(guó)專利如LU87577, GB2236445, JP3144391等)，日本專利JP3144391A，日本專利JP2002243845A，日本公司在美國(guó)申 請(qǐng)的專利 US004744040( "DISTANCE MEASUREMENT METHOD MAKING USE OF ELECTROMAGNETIC WAVE AND SYSTEM THEREFOR")，美國(guó)專利US005075863等等，都 是采用了雷達(dá)的非接觸測(cè)量方法，即一臺(tái)雷達(dá)單發(fā)單收，或者兩臺(tái)雷達(dá)， 一發(fā)一收， 部分專利可以用機(jī)械移動(dòng)的方法來(lái)測(cè)量物體形狀或者高爐料面的形狀。
美國(guó)專利US004219814 (SCANNING RADAR)的高爐掃描雷達(dá)，通過(guò)溜槽的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái) 反射雷達(dá)波到達(dá)料面，達(dá)到動(dòng)態(tài)測(cè)量固體料位高度的目的。美國(guó)專利 US4290067A1 (RADIANT ENERGY PROFILOMETER)，德國(guó)在美國(guó)申請(qǐng)的專利，US004858892 。X"DEVICE FOR DETERMINING THE CHARGE PROFILE°iN A SHAFT FURNACE"),都設(shè)計(jì)
了一種機(jī)械掃描雷達(dá)，來(lái)掃描料面的形狀。
中國(guó)專利01126452.7提出高爐爐頂全料面毫米波三維成像儀，它采用高爐爐外 安裝方式和機(jī)械外置式掃描方式工作，并用毫米波雷達(dá)測(cè)量料面距離。雷達(dá)安裝在爐 外，以介質(zhì)窗口將成像儀與爐內(nèi)高溫粉塵隔離，雷達(dá)在爐外機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量爐內(nèi)全料
6面形狀，得到三維全料面的圖像。但該方法由于雷達(dá)在爐外，當(dāng)雷達(dá)波穿透介質(zhì)窗口 時(shí)，如果窗口內(nèi)外有粘結(jié)物，水汽等，就會(huì)失波；同時(shí)在爐外的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，存在 時(shí)間滯后和機(jī)械維護(hù)的問(wèn)題。
一種用于測(cè)量高爐爐內(nèi)料面高度的雷達(dá)探尺(CN200979439)，設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào) 角度的波紋導(dǎo)波管，可以人工調(diào)節(jié)雷達(dá)入射的角度，波紋管在高爐高溫高壓高粉塵情 況下，存在密封和壽命問(wèn)題。
高爐料面形狀動(dòng)態(tài)立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法(CN101020933),是一種基于三維 成像技術(shù)的立體雷達(dá)成像裝置。該系統(tǒng)采用26GHz雷達(dá)波，雷達(dá)發(fā)射角8。角，喇叭 天線DN100,對(duì)不規(guī)則粗糙表面的固體物料進(jìn)行入射與反射的測(cè)量，但該系統(tǒng)雷達(dá)測(cè) 量單元在3-IO個(gè)之間，典型的是6個(gè)雷達(dá)，安裝的輔助單元多，在高爐爐頂上打孔 數(shù)量多，成像點(diǎn)只有3-IO個(gè)點(diǎn)，成像分辨率較低。
上述專利涉及到了高爐雷達(dá)本身的一種測(cè)量方法，即雷達(dá)單點(diǎn)測(cè)量的方法。也涉 及到用機(jī)械移動(dòng)來(lái)進(jìn)行料面的掃描，或者用多雷達(dá)布置的方法來(lái)測(cè)料料面。上述所有 專利都是固定安裝的單雷達(dá)，或者機(jī)械掃描雷達(dá)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)成像系統(tǒng)，其特征在于它可以應(yīng)用在黑 暗、高溫、多塵的惡劣情況下，準(zhǔn)確描述出固體料面各點(diǎn)的高度信息。并通過(guò)與PLC 或DCS系統(tǒng)的連鎖，獲得不同時(shí)刻加料的種類與加料的時(shí)間，從而獲得多個(gè)料面層的 形狀，進(jìn)而獲得固體料面的3D成像。
本發(fā)明提出的一種工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)成像系統(tǒng)，其特征在于它包括工業(yè)相控陣?yán)?達(dá)本體、雷達(dá)電磁防護(hù)罩，以及連鎖布料控制系統(tǒng)三部分。其中工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的任 務(wù)是獲取I4面信息。電磁防護(hù)罩負(fù)責(zé)在高溫高壓粉塵環(huán)境下對(duì)工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)本體的 保護(hù)，防止外界惡劣環(huán)境對(duì)工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的直接傷害。連鎖布料控制系統(tǒng)則根據(jù)雷 達(dá)傳來(lái)的料面高度數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷，執(zhí)行加料任務(wù)，使最終的料面形狀始終控制 '在設(shè)定的形狀上。
工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)-
本發(fā)明提出的工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)，其特征在于，包括超寬帶相控陣天線單元，數(shù)字 移相器以及收發(fā)單元，功率分配器，包括功率分配饋電網(wǎng)絡(luò)以及功率合成網(wǎng)絡(luò)，波束 控制計(jì)算機(jī)，移相器控制電路等主要部件，其組成如圖l所示。工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的超寬帶天線單元超寬帶天線單元陣列設(shè)計(jì)為面陣列，提供X 方向的窄波束，它具有高分辨率的特征，而對(duì)于Y方向，則采用中等分辨率的波束， 通過(guò)多個(gè)波束的合成控制進(jìn)行全方位的電掃描。利用Vivaldi微帶天線實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo) 天線結(jié)構(gòu)，使頻率范圍工作在x波段，涵蓋26GHz頻帶寬度。
超寬帶天線單元陣列的一維陣列超寬帶掃頻天線的設(shè)計(jì)，其特征在于采用相控陣 天線單元旋轉(zhuǎn)矢量法，分組旋轉(zhuǎn)矢量法或者近場(chǎng)掃描法，分別測(cè)試出每個(gè)相控陣天線 單元的初始幅度和相位，然后通過(guò)對(duì)移相器及功分網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)相控陣?yán)?達(dá)系統(tǒng)的校正，從而優(yōu)化單元天線以及陣列布局，解決寬帶工作體制下天線單元口徑 小造成的口徑輻射效率低，以及因單元間距過(guò)近引起的強(qiáng)烈的近場(chǎng)耦合問(wèn)題。
數(shù)字移相器和收發(fā)單元需要按照工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)寬帶設(shè)計(jì)原則，滿足整個(gè)帶寬
內(nèi)的移相準(zhǔn)確度，以及收發(fā)部件的頻率不平度和相位不平度指標(biāo)。單元設(shè)計(jì)遵循從頂 到底，給每個(gè)單元部件劃分具體指標(biāo)。通過(guò)在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，給出各單元相位幅 度輸出值，由單個(gè)天線饋電單元微波電路網(wǎng)絡(luò)，推廣到單列線陣饋電網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證單列 線陣的掃描參數(shù)和系統(tǒng)靈敏度。在單個(gè)單元測(cè)試數(shù)據(jù)滿足要求之后，最終進(jìn)行面陣的 系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)。
功率分配饋電網(wǎng)絡(luò)以及功率合成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用低功率T/R組件，它包括總線控
制可變數(shù)字衰減器和數(shù)字移相器，高功率放大器PA，微波低噪放LNA，微波雙工器組 成，如圖2。將前端脈沖開(kāi)關(guān)換為環(huán)行器，或者將所有環(huán)行器改為收發(fā)隔離的無(wú)源 ratrace混合環(huán)，雖然損失3db功率，但成本較低，電路體積較小，適合工業(yè)相控陣 雷達(dá)對(duì)成本和體積的要求，在獲得最終標(biāo)定測(cè)試數(shù)據(jù)以后，進(jìn)行相位算法補(bǔ)償?？紤] 各支臂的相位差，利用寬帶分配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建功率合成和分配網(wǎng)絡(luò)。寬帶條件下T/R組件 設(shè)計(jì)及饋電網(wǎng)絡(luò)的相位平衡度，滿足工業(yè)雷達(dá)設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)高速鎖相方式提供高 穩(wěn)定度的發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)料面的快速掃頻測(cè)量。
波束控制計(jì)算機(jī)由波束控制信號(hào)通過(guò)預(yù)設(shè)的數(shù)值發(fā)出波束控制指令，給波控機(jī) 一進(jìn)行波束掃描控制，各移相器、衰減器單元的實(shí)時(shí)控1U算法通過(guò)移相器控制電路實(shí)現(xiàn)， 波控機(jī)采用高速FPGA將預(yù)存的波束控制數(shù)據(jù)寫(xiě)入各數(shù)據(jù)緩存器中，控制當(dāng)前數(shù)字移 相器移相角度，達(dá)到改變波束指向的目的。它具有成本低、通信速度快的特點(diǎn)，能夠 與上位機(jī)的數(shù)據(jù)高速互聯(lián)。
波控t幾的設(shè)計(jì)，主要考慮高增益和窄主瓣因素，并考慮空間掃描角度覆蓋范圍，根據(jù)空間波束合成和稀疏布陣算法，對(duì)移相器的分辨率根據(jù)具體情況提出不同掃描角 度的指標(biāo)，以達(dá)到利用最少的單元達(dá)到較好的波束合成效果。
本發(fā)明提出的相控陣?yán)走_(dá)，根據(jù)工業(yè)上的需求，在不涉及到遠(yuǎn)距離需要大功率探 測(cè)的條件下，使用連續(xù)調(diào)頻模式的雷達(dá)工作體制，進(jìn)行近距離的測(cè)距，分辨率高，抗 干擾能力強(qiáng)。
本發(fā)明提出的相控陣?yán)走_(dá)，其特征在于其設(shè)計(jì)采用低成本無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)，適 合近距離測(cè)量應(yīng)用，是一種低功率、連續(xù)調(diào)頻、窄波束合成為特點(diǎn)的相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)， 能夠?qū)崿F(xiàn)料面的高精度成像。
電磁防護(hù)罩
圖3是工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)電磁防護(hù)罩保護(hù)系統(tǒng)，它包括電磁窗，氮?dú)饫鋮s裝置，固 定裝置等。電磁窗的特征在于其外層釆用高溫復(fù)合陶瓷材料做外罩，可以防止外界的 熱沖擊和腐蝕性氣體的影響，并具有良好的抗磨損特性。電磁窗內(nèi)襯復(fù)合雙酚A型 氰酸酯樹(shù)脂，該樹(shù)脂起到牢固和強(qiáng)化陶瓷外罩的作用。氮?dú)饫鋮s裝置隔離在相控陣?yán)?達(dá)本體和電磁窗之間，起冷卻的作用。固定裝置包括安裝支架，固定螺釘，密封件等。
電磁窗的形狀，材料的設(shè)計(jì)，滿足高透波，低介電常數(shù)的要求，防護(hù)罩能夠抵抗 高爐內(nèi)300-500°C (異常最高時(shí)可達(dá)IOO(TC)的高溫，抗5公斤壓力。具有波透性好， 對(duì)天線合成波束的指向誤差影響和駐波影響小的特點(diǎn)。
連鎖布料控制系統(tǒng)
連鎖布料控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理與學(xué)習(xí)中心，布料制度控制中心，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組
成，如圖4。
數(shù)據(jù)處理與學(xué)習(xí)中心的特征在于該中心先假設(shè)料層厚度，模擬布料過(guò)程，計(jì)算 堆尖位置，計(jì)算內(nèi)外堆角，由體積偏差的積分來(lái)更新料面方程，并配合料面下移，不 斷計(jì)算出每一層的料面厚度，并由相控陣?yán)走_(dá)3D成像多點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)修正料層厚度， 更新料面方程，修正值在反復(fù)的迭代和學(xué)習(xí)中，得到優(yōu)化。如圖5所示。 。
布料制度控制中心的特征在于由相控陣?yán)走_(dá)獲得的料面方程，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理中
心，轉(zhuǎn)化成高爐溜槽布料矩陣。連鎖布料控制系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化后的布料矩陣進(jìn)行布料的 操作，同時(shí)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示出此時(shí)料面的形狀。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特征在于布料制度控制中心根據(jù)修正后的布料矩陣，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn) 化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送給溜槽8進(jìn)行布料操作。該系統(tǒng)將相控陣?yán)走_(dá)料面測(cè)量與布料溜槽控制系統(tǒng)結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連鎖閉環(huán)控制過(guò)程。
多個(gè)料面層的特征在于在某一個(gè)時(shí)間段，布料的是某一種固體，在下一個(gè)時(shí)間 段，又布的是另一種固體，不同種類的固體，由布料槽按時(shí)間順序先后布料。雷達(dá)成 像系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上，模擬上述的布料過(guò)程，按時(shí)間的先后順序，用不同的顏色顯示出 不同的層，每一層可能同時(shí)向一個(gè)方向移動(dòng)，例如都向下移動(dòng)，計(jì)算機(jī)按照移動(dòng)的速 度實(shí)時(shí)顯示每一層的3D圖像，以便于用戶實(shí)時(shí)直觀料面的固體分布。計(jì)算機(jī)還可以 按照用戶的要求，對(duì)3D圖進(jìn)行剖面分析，給出不同截面的固體料層分布圖。
該系統(tǒng)可以配合紅外溫度分布檢測(cè)系統(tǒng)，或者十字測(cè)溫，在獲得料面信息的同時(shí)， 在圖像中還顯示固體料面不同位置的溫度信息，并在計(jì)算機(jī)上用不同的顏色仿真出不 同剖面的溫度信息。
本發(fā)明提出工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行料面測(cè)量與成像技術(shù)，即不釆用機(jī)械式移動(dòng)雷 達(dá)，而釆用電子相位移動(dòng)的原理，即通過(guò)雷達(dá)電子波束的定向合成和定向移動(dòng)，來(lái)進(jìn) 行多點(diǎn)料面形狀的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)3D成像。
通過(guò)工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的多點(diǎn)料面測(cè)量，相比3-8臺(tái)雷達(dá)或者2-3臺(tái)的機(jī)械探尺， 其探測(cè)點(diǎn)數(shù)由3-8點(diǎn)提高到幾十到幾百個(gè)點(diǎn)，最多可以有幾萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，多波束點(diǎn)在高爐 內(nèi)的料面檢測(cè)中，可以同時(shí)獲得多波束點(diǎn)的電磁反射回波信號(hào)，進(jìn)而獲得幾十，幾百， 甚至幾萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的料面高度信息，解決了以往測(cè)量數(shù)據(jù)少的瓶頸問(wèn)題，使精準(zhǔn)料面的測(cè) 量成為可能，同時(shí)通過(guò)高精度測(cè)量的在線修正，優(yōu)化了布料模型，使閉環(huán)反饋控制成 為可能。由于所有波束點(diǎn)都是通過(guò)電掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它代替了原來(lái)高爐固定安裝的雷 達(dá)系統(tǒng)，或者機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)，電掃描系統(tǒng)掃描速度快，精度高，方位全，能夠?qū)?時(shí)完成固體料面的狀態(tài)檢測(cè)。
圖1是工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射系統(tǒng)示意圖2是工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)低功率應(yīng)用T/R組件結(jié)構(gòu)； 、 圖3是工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)示意圖，其中l(wèi)為氮?dú)饫鋮s裝置，2為相控陣?yán)走_(dá)本 體，3為電磁保護(hù)罩，4為固定安裝支架；
圖4是工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)連鎖布料控制系統(tǒng)；
圖5是利用工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)修正高爐布料數(shù)學(xué)模型流程圖； 圖6是工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)布料分析與連鎖控制系統(tǒng)流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖6是工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)布料分析與連鎖控制系統(tǒng)在高爐上的實(shí)施實(shí)例。
工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)安裝在高爐的風(fēng)罩孔上，選擇的安裝角度為斜面向下，使雷達(dá)掃 描的覆蓋面盡可能包含到所有待掃描的料面點(diǎn)。以2000m3高爐為例， 一般以高爐的零 料面為起點(diǎn)，正常料面一般距離零料面起點(diǎn)1. 5米左右，其雷達(dá)掃描的夾角在±30° ， 掃描有效直徑在8米左右，相控陣?yán)走_(dá)罩與水平面位置夾角在15°左右，能夠掃描到 圖6高爐內(nèi)1. 5米以下整個(gè)料面的高度信息。
雷達(dá)在向下進(jìn)行料面的電掃描過(guò)程中，由雷達(dá)電磁保護(hù)罩對(duì)雷達(dá)本體進(jìn)行隔離保 護(hù)，防止外界惡劣環(huán)境對(duì)雷達(dá)的影響。釆集到的高爐料面數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中心，然 后由布料連鎖建模學(xué)習(xí)與決策中心產(chǎn)生布料控制命令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制溜槽的轉(zhuǎn)角初 始位置，布料圈數(shù)，布料閥門(mén)開(kāi)度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦/焦料的合理分布。
針對(duì)高爐的具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)了相控陣?yán)走_(dá)天線為5*8單元的矩陣，帶寬大于lGHz， 其3dB主瓣方向圖小于2(T 。實(shí)現(xiàn)單一方向軸上-30° +30°的掃描角，并提供30 個(gè)以上的波束指向，并達(dá)到波束捷變能力在10ms以內(nèi)。
高爐雷達(dá)罩設(shè)計(jì)為固定安裝支架結(jié)構(gòu)，固定在高爐風(fēng)罩上。采用高溫復(fù)合陶瓷材 料做外罩，底部為復(fù)合雙酚A型氰酸酯樹(shù)脂，中間加氮?dú)饫鋮s，起到了保護(hù)雷達(dá)的 效果。雷達(dá)罩的設(shè)計(jì)也可以采用高溫石英玻璃做外罩，加內(nèi)部氮?dú)饫鋮s系統(tǒng)，冷卻量 的確定要最終使傳導(dǎo)到雷達(dá)相控陣本體的溫度控制在60度以內(nèi)，如果存在有短時(shí)超 過(guò)800度的高溫瞬時(shí)沖擊，則在保護(hù)罩的本體內(nèi)部還需要額外增加氮?dú)饫鋮s用量，保 護(hù)相控陣?yán)走_(dá)本體。對(duì)上述工況，需要在雷達(dá)罩附近加溫度傳感器，監(jiān)測(cè)溫度變化， 當(dāng)溫度超過(guò)800度時(shí)，自動(dòng)增加冷卻氣量。
基于相控陣?yán)走_(dá)的高爐布料連鎖控制過(guò)程首先確定根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)的3D成像 信息，獲得高爐料面的距離，然后，由連鎖布料控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理與學(xué)習(xí)中心， 確定布料環(huán)位與相應(yīng)布料圈數(shù)，并根據(jù)爐料的種類和料線高度計(jì)算出各環(huán)a角度，確 。定a和e的方向，以及初始位置等。啟動(dòng)a和e電機(jī)，打開(kāi)料流調(diào)節(jié)閥，開(kāi)始布料。 等料罐稱量發(fā)出空罐信號(hào)，延時(shí)等待，關(guān)閉料流調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉下密封閥，完成一次布 料。
然后高爐布料制度控制中心，根據(jù)高爐溜槽布料矩陣計(jì)算出理論料面高度及相應(yīng) 的料面形狀，并與雷達(dá)實(shí)測(cè)高度進(jìn)行對(duì)比，修正布料矩陣的參數(shù)，計(jì)算出下一次布料溜槽的初始位置，結(jié)束位置，開(kāi)始布料。在連續(xù)的布料過(guò)程中，相控陣?yán)走_(dá)實(shí)時(shí)獲取 高爐料面的3D成像信息，及時(shí)調(diào)整布料矩陣并發(fā)出指令。整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)往復(fù)，更新 料面方程，修正料面厚度，不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，使布料模型本身根據(jù)高爐的具 體情況，不斷得到學(xué)習(xí)與修正，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)連鎖布料。
采用相控陣?yán)走_(dá)成像系統(tǒng)，在高爐內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行電掃描，該方法取代了 高爐固定安裝的機(jī)械雷達(dá)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高精度全方位的高爐內(nèi)料層分布監(jiān)控，同時(shí) 達(dá)到閉環(huán)連鎖布料的效果。
對(duì)于高爐料面監(jiān)測(cè)，干熄焦料面測(cè)量，豎爐固體料面測(cè)量等場(chǎng)合的固體料位形狀 測(cè)量，及其控制都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特征在于，包括工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)、雷達(dá)電磁防護(hù)罩，以及連鎖布料控制系統(tǒng)三部分，其中工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)獲取料面信息，電磁防護(hù)罩保護(hù)工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)本體，連鎖布料控制系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)傳來(lái)的料面高度數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷，執(zhí)行加料任務(wù)，使最終的料面形狀始終控制在設(shè)定的形狀上。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)包括超寬帶相控陣天線單元，數(shù)字移相器以及收發(fā)單元， 功率分配器，功率分配饋電網(wǎng)絡(luò)以及功率合成網(wǎng)絡(luò)，波束控制計(jì)算機(jī)，移相器控制電 路。
3、 如權(quán)利要求2所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的超寬帶天線單元陣列設(shè)計(jì)為面陣列，提供x方向高分 辨率的窄波束、Y方向的中等分辨率的波束，通過(guò)多個(gè)波束的合成控制進(jìn)行全方位的 電掃描；利用vivaldi微帶天線實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)，使頻率范圍工作在x波段， 涵蓋26GHz頻帶寬度。
4、 如權(quán)利要求2或3所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的超寬帶天線單元陣列的一維陣列超寬帶掃頻天線 的設(shè)計(jì)，其特征在于采用相控陣天線單元旋轉(zhuǎn)矢量法，分組旋轉(zhuǎn)矢量法或者近場(chǎng)掃描 法，分別測(cè)試出每個(gè)相控陣天線單元的初始幅度和相位，然后通過(guò)對(duì)移相器及功分網(wǎng) 絡(luò)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的校正。
5、 如權(quán)利要求2所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述數(shù)字移相器和收發(fā)單元按照工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)寬帶設(shè)計(jì)原則，單元設(shè)計(jì)遵 循從頂?shù)降?，給每個(gè)單元部件劃分具體指標(biāo)，通過(guò)在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，給出各單元 相位幅度輸出值，由單個(gè)天線饋電單元微波電路網(wǎng)絡(luò)，推廣到單列線陣饋電網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn) 證，列線陣的掃描參數(shù)和系統(tǒng)靈敏度，在單個(gè)單元測(cè)i，數(shù)據(jù)滿足要求之后，最終進(jìn)行 面陣的系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)。
6、 如權(quán)利要求2所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述功率分配饋電網(wǎng)絡(luò)以及功率合成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用低功率T/R組件，包括總線控 制可變數(shù)字衰減器和數(shù)字移相器，高功率放大器PA，微波低噪放LNA，微波雙工器組 成，將前端脈沖開(kāi)關(guān)換為環(huán)行器，或者將所有環(huán)行器改為收發(fā)隔離的無(wú)源ratrace混合環(huán)，在獲得最終標(biāo)定測(cè)試數(shù)據(jù)以后，進(jìn)行相位算法補(bǔ)償。6、 .如權(quán)利要求6所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述功率分配饋電網(wǎng)絡(luò)利用寬帶分配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建功率合成和分配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)高 速鎖相方式提供高穩(wěn)定度的發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)料面的快速掃頻測(cè)量。
7、 如權(quán)利要求2所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述波束控制計(jì)算機(jī)由波束控制信號(hào)通過(guò)預(yù)設(shè)的數(shù)值發(fā)出波束控制指令，給 波控機(jī)進(jìn)行波束掃描控制，各移相器、衰減器單元的實(shí)時(shí)控制算法通過(guò)移相器控制電 路實(shí)現(xiàn)，波控機(jī)采用高速FPGA將預(yù)存的波束控制數(shù)據(jù)寫(xiě)入各數(shù)據(jù)緩存器中，控制當(dāng)前數(shù)字移相器移相角度。
8、 如權(quán)利要求2或7所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述波束控制計(jì)算機(jī)根據(jù)空間波束合成和稀疏布陣算法，對(duì)移相器的分 辨率根據(jù)具體情況提出不同掃描角度的指標(biāo)。
9、、如權(quán)利要求1所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述電磁防護(hù)罩包括電磁窗，氮?dú)饫鋮s裝置，固定裝置，其中電磁窗的外層 采用高溫復(fù)合陶瓷材料做外罩，電磁窗內(nèi)襯采用復(fù)合雙酚A型氰酸酯樹(shù)脂，氮?dú)饫?卻裝置隔離在相控陣?yán)走_(dá)本體和電磁窗之間，起冷卻的作用。
10、 、如權(quán)利要求1所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述連鎖布料控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理與學(xué)習(xí)中心，布料制度控制中心，以及執(zhí) 行機(jī)構(gòu)組成，先假設(shè)料層厚度，模擬布料過(guò)程，計(jì)算堆尖位置，計(jì)算內(nèi)外堆角，由體 積偏差的積分來(lái)更新料面方程，并配合料面下移，不斷計(jì)算出每一層的料面厚度，并 由相控陣?yán)走_(dá)3D成像多點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)修正料層厚度，更新料面方程，修正值在反復(fù) 的迭代和學(xué)習(xí)中，得到優(yōu)化。
11、 如權(quán)利要求10所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其 特征在于，所述布料制度控制中心由相控陣?yán)走_(dá)獲得的料面方程，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理中心， 禪化成布料矩陣，連鎖布料控制系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化后的布料矩陣進(jìn)行布料的操作，同時(shí)計(jì) 算機(jī)實(shí)時(shí)顯示出此時(shí)料面的形狀。
12、 如權(quán)利要求10所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其 特征在于，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)是布料制度控制中心根據(jù)修正后的布料矩陣，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn) 化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送給溜槽進(jìn)行布料操作，將相控陣?yán)走_(dá)料面測(cè)量與布料溜槽控制系統(tǒng)結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連鎖閉環(huán)控制過(guò)程。
13、如權(quán)利要求10所述的基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，其 特征在于，所述模擬布料過(guò)程是雷達(dá)成像系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上，按時(shí)間的先后順序，用不 同的顏色顯示出不同的層，計(jì)算機(jī)按照移動(dòng)的速度實(shí)時(shí)顯示每一層的3D圖像，或?qū)?3D圖進(jìn)行剖面分析，給出不同截面的固體料層分布圖。
全文摘要
一種基于工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的高爐料面測(cè)量與控制系統(tǒng)，涉及冶金、化工及水泥建材等領(lǐng)域使用工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)。本發(fā)明包括工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)本體、雷達(dá)電磁防護(hù)罩，以及連鎖布料控制系統(tǒng)三部分。其中工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)的任務(wù)是獲取料面信息，電磁防護(hù)罩負(fù)責(zé)在高溫高壓粉塵環(huán)境下對(duì)工業(yè)相控陣?yán)走_(dá)本體的保護(hù)，連鎖布料控制系統(tǒng)則根據(jù)雷達(dá)傳來(lái)的料面高度數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷，執(zhí)行加料任務(wù)，使最終的料面形狀始終控制在設(shè)定的形狀上。采用本發(fā)明，可以應(yīng)用在黑暗、高溫、多塵的惡劣情況下，準(zhǔn)確描述出固體料面各點(diǎn)的高度信息，并通過(guò)與PLC或DCS系統(tǒng)的連鎖，獲得不同時(shí)刻加料的種類與加料的時(shí)間，從而獲得多個(gè)料面層的形狀，進(jìn)而獲得固體料面的3D成像。
文檔編號(hào)C21B7/24GK101492750SQ20081024670
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者侯慶文, 國(guó)宏偉, 尹怡欣, 李曉理, 陳先中 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)