CN101492750B - 基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，涉及冶金、化工及水泥建材等领域使用工业相控阵雷达。本发明包括工业相控阵雷达本体、雷达电磁防护罩，以及连锁布料控制系统三部分。其中工业相控阵雷达的任务是获取料面信息，电磁防护罩负责在高温高压粉尘环境下对工业相控阵雷达本体的保护，连锁布料控制系统则根据雷达传来的料面高度数据，进行分析判断，执行加料任务，使最终的料面形状始终控制在设定的形状上。采用本发明，可以应用在黑暗、高温、多尘的恶劣情况下，准确描述出固体料面各点的高度信息，并通过与PLC或DCS系统的连锁，获得不同时刻加料的种类与加料的时间，从而获得多个料面层的形状，进而获得固体料面的3D成像。
Description
技术领域：
本发明涉及冶金、化工及水泥建材等领域使用工业相控阵雷达，对固体料面，特别是对高炉料面进行测量和成像，并实现料面分布形状最优闭环连锁控制的场合。
背景技术：
高炉的测定和解剖研究表明，料面分布形状与高炉冶炼行程有着紧密的关系，合理的布料和料面分布形状对有效的控制高炉煤气分布，使得炉缸活跃、高炉顺行、降低焦比、节约能源、稳定高产、减少炉壁侵蚀和延长高炉寿命等方面有着重要的作用。因此，高炉料面分布形状控制是高炉炼铁生产自动化的重要环节，实时准确地获得高炉料面形状信息对于高炉炼铁生产效益的提高具有重要价值。实时、准确地获得高温、高压、全封闭的高炉内部不断变化的料面形状，并根据预设的料面形状实时进行布料连锁闭环控制，在冶金行业中是一个世界性的技术难题。
目前最普遍使用的料面检测手段主要有四种。
(1)机械探尺测量法。通过机械料尺在不同位置直接对料位高度进行接触式测定，通常采用三个料尺实现三个不同位置的料位高度检测，但不能反映料面的形状，所需测量时间较长。
(2)间接测量料面法。通过测温十字架监测煤气分布，间接地推测出料面形状。这种方法精度低，延迟时间过长。
(3)红外热成像测量料面法。它能获得料面的热分布，但不能获得料面形状。由于高炉内粉尘对红外介质窗口影响严重，红外成像仪难以在高炉上工作。
(4)雷达料面测量法。即采用微波的原理对高炉炉内料面形状进行非接触式测量。目前主要有一个雷达单发单收放方式，或者两个雷达一发一收式，对于雷达成像的方法，一般采用机械式移动天线进行料面成像。
其涉及到的国内外相关专利如下：
第一类专利主要采用单点雷达测量固体料面某一点的高度：
日本发明专利“高炉装入物降下速度测量装置”，(日本神户制铁所，昭和62年)提出雷达天线高炉炉顶沿径向倾斜固定插入炉内，天线不做扫描。该装置可以测量雷达天线下方料面的料位高度和下降速度，相当于一只在加料间歇期可调整测量位置的非接触式的料尺，不能测量整个料面的形状和沉降动态。
美国专利US4322627(APPARATUS FOR MONITORING THE SURFACE OF THE CHARGE OFA SHAFT FURNACE)的竖炉料面的单台激光雷达检测设备。
美国专利US4429309(TRACKING FILTER SYSTEM FOR USE WITH A FM/CW RADAR)描述了用单台雷达调频连续波测固体料位的距离值。
美国专利US5611838(PROCESS FOR PRODUCING AN IRON MELT)，采用单台雷达或超声或摄像法检测铁水的单一点的高度值。
中国专利CN2649600，“炼铁高炉炉膛料位检测仪”，可以在雷达探测仪发射出的雷达波射向炼铁高炉炉膛料面后，反射回来，为雷达探测仪的接收器接收并输出显示，测量出炼铁高炉炉膛中的料位。但该发明中存在的问题是：雷达采用的是6.3GHz的低频雷达(VEGAPULS56K)，20°角的发射角，喇叭口天线，DN150，该雷达的回波强度在测量固体料位的情况下，尤其是在有高温粉尘状态下，由于频率相对26GHz回波信号较低，回波较弱，容易失波。
第二类专利主要是通过机械移动雷达来探测料面形状：
美国发明专利US5053776(DEVICE AND METHOD FOR THE TELEMETRIC MEASUREMENTOF A DISTANCE AND APPLICATION TO A RADAR PROBE FOR DETERMINING THE TOPOGRAPHICMAP OF LOADING SURFACE OF A SHAFT FURNACE)，(其他多国专利如LU87577，GB2236445，JP3144391等)，日本专利JP3144391A，日本专利JP2002243845A，日本公司在美国申请的专利US004744040(“DISTANCE MEASUREMENT METHOD MAKING USE OFELECTROMAGNETIC WAVE AND SYSTEM THEREFOR”)，美国专利US005075863等等，都是采用了雷达的非接触测量方法，即一台雷达单发单收，或者两台雷达，一发一收，部分专利可以用机械移动的方法来测量物体形状或者高炉料面的形状。
美国专利US004219814(SCANNING RADAR)的高炉扫描雷达，通过溜槽的转动来反射雷达波到达料面，达到动态测量固体料位高度的目的。美国专利US4290067A1(RADIANT ENERGY PROFILOMETER)，德国在美国申请的专利，US004858892(“DEVICE FOR DETERMINING THE CHARGE PROFILE IN A SHAFT FURNACE”)，都设计了一种机械扫描雷达，来扫描料面的形状。
中国专利01126452.7提出高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪，它采用高炉炉外安装方式和机械外置式扫描方式工作，并用毫米波雷达测量料面距离。雷达安装在炉外，以介质窗口将成像仪与炉内高温粉尘隔离，雷达在炉外机械转动，测量炉内全料面形状，得到三维全料面的图像。但该方法由于雷达在炉外，当雷达波穿透介质窗口时，如果窗口内外有粘结物，水汽等，就会失波；同时在炉外的机械转动扫描，存在时间滞后和机械维护的问题。
一种用于测量高炉炉内料面高度的雷达探尺(CN200979439)，设计了一个可调角度的波纹导波管，可以人工调节雷达入射的角度，波纹管在高炉高温高压高粉尘情况下，存在密封和寿命问题。
高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法(CN101020933)，是一种基于三维成像技术的立体雷达成像装置。该系统采用26GHz雷达波，雷达发射角8°角，喇叭天线DN100，对不规则粗糙表面的固体物料进行入射与反射的测量，但该系统雷达测量单元在3-10个之间，典型的是6个雷达，安装的辅助单元多，在高炉炉顶上打孔数量多，成像点只有3-10个点，成像分辨率较低。
上述专利涉及到了高炉雷达本身的一种测量方法，即雷达单点测量的方法。也涉及到用机械移动来进行料面的扫描，或者用多雷达布置的方法来测料料面。上述所有专利都是固定安装的单雷达，或者机械扫描雷达。
发明内容：
本发明的目的是提出一种工业相控阵雷达成像系统，其特征在于它可以应用在黑暗、高温、多尘的恶劣情况下，准确描述出固体料面各点的高度信息。并通过与PLC或DCS系统的连锁，获得不同时刻加料的种类与加料的时间，从而获得多个料面层的形状，进而获得固体料面的3D成像。
本发明提出的一种工业相控阵雷达成像系统，其特征在于：它包括工业相控阵雷达本体、雷达电磁防护罩，以及连锁布料控制系统三部分。其中工业相控阵雷达的任务是获取料面信息。电磁防护罩负责在高温高压粉尘环境下对工业相控阵雷达本体的保护，防止外界恶劣环境对工业相控阵雷达的直接伤害。连锁布料控制系统则根据雷达传来的料面高度数据，进行分析判断，执行加料任务，使最终的料面形状始终控制在设定的形状上。
工业相控阵雷达：
本发明提出的工业相控阵雷达，其特征在于，包括超宽带相控阵天线单元，数字移相器以及收发单元，功率分配器，包括功率分配馈电网络以及功率合成网络，波束控制计算机，移相器控制电路等主要部件，其组成如图1所示。
工业相控阵雷达的超宽带天线单元：超宽带天线单元阵列设计为面阵列，提供x方向的窄波束，它具有高分辨率的特征，而对于Y方向，则采用中等分辨率的波束，通过多个波束的合成控制进行全方位的电扫描。利用vivaldi微带天线实现共面波导天线结构，使频率范围工作在x波段，涵盖26GHz频带宽度。
超宽带天线单元阵列的一维阵列超宽带扫频天线的设计，其特征在于采用相控阵天线单元旋转矢量法，分组旋转矢量法或者近场扫描法，分别测试出每个相控阵天线单元的初始幅度和相位，然后通过对移相器及功分网络的调整，实现对整个相控阵雷达系统的校正，从而优化单元天线以及阵列布局，解决宽带工作体制下天线单元口径小造成的口径辐射效率低，以及因单元间距过近引起的强烈的近场耦合问题。
数字移相器和收发单元：需要按照工业相控阵雷达宽带设计原则，满足整个带宽内的移相准确度，以及收发部件的频率不平度和相位不平度指标。单元设计遵循从顶到底，给每个单元部件划分具体指标。通过在测量现场实地测量，给出各单元相位幅度输出值，由单个天线馈电单元微波电路网络，推广到单列线阵馈电网络，验证单列线阵的扫描参数和系统灵敏度。在单个单元测试数据满足要求之后，最终进行面阵的系统整体联调。
功率分配馈电网络以及功率合成网络：应用低功率T/R组件，它包括：总线控制可变数字衰减器和数字移相器，高功率放大器PA，微波低噪放LNA，微波双工器组成，如图2。将前端脉冲开关换为环行器，或者将所有环行器改为收发隔离的无源ratrace混合环，虽然损失3db功率，但成本较低，电路体积较小，适合工业相控阵雷达对成本和体积的要求，在获得最终标定测试数据以后，进行相位算法补偿。考虑各支臂的相位差，利用宽带分配网络构建功率合成和分配网络。宽带条件下T/R组件设计及馈电网络的相位平衡度，满足工业雷达设计的要求，通过高速锁相方式提供高稳定度的发射信号，实现料面的快速扫频测量。
波束控制计算机：由波束控制信号通过预设的数值发出波束控制指令，给波控机进行波束扫描控制，各移相器、衰减器单元的实时控制算法通过移相器控制电路实现，波控机采用高速FPGA将预存的波束控制数据写入各数据缓存器中，控制当前数字移相器移相角度，达到改变波束指向的目的。它具有成本低、通信速度快的特点，能够与上位机的数据高速互联。
波控机的设计，主要考虑高增益和窄主瓣因素，并考虑空间扫描角度覆盖范围，根据空间波束合成和稀疏布阵算法，对移相器的分辨率根据具体情况提出不同扫描角度的指标，以达到利用最少的单元达到较好的波束合成效果。
本发明提出的相控阵雷达，根据工业上的需求，在不涉及到远距离需要大功率探测的条件下，使用连续调频模式的雷达工作体制，进行近距离的测距，分辨率高，抗干扰能力强。
本发明提出的相控阵雷达，其特征在于：其设计采用低成本无源相控阵雷达，适合近距离测量应用，是一种低功率、连续调频、窄波束合成为特点的相控阵雷达结构，能够实现料面的高精度成像。
电磁防护罩：
图3是工业相控阵雷达电磁防护罩保护系统，它包括电磁窗，氮气冷却装置，固定装置等。电磁窗的特征在于其外层采用高温复合陶瓷材料做外罩，可以防止外界的热冲击和腐蚀性气体的影响，并具有良好的抗磨损特性。电磁窗内衬复合双酚A型氰酸酯树脂，该树脂起到牢固和强化陶瓷外罩的作用。氮气冷却装置隔离在相控阵雷达本体和电磁窗之间，起冷却的作用。固定装置包括安装支架，固定螺钉，密封件等。
电磁窗的形状，材料的设计，满足高透波，低介电常数的要求，防护罩能够抵抗高炉内300-500℃(异常最高时可达1000℃)的高温，抗5公斤压力。具有波透性好，对天线合成波束的指向误差影响和驻波影响小的特点。
连锁布料控制系统：
连锁布料控制系统由数据处理与学习中心，布料制度控制中心，以及执行机构组成，如图4。
数据处理与学习中心的特征在于：该中心先假设料层厚度，模拟布料过程，计算堆尖位置，计算内外堆角，由体积偏差的积分来更新料面方程，并配合料面下移，不断计算出每一层的料面厚度，并由相控阵雷达3D成像多点数据来实时修正料层厚度，更新料面方程，修正值在反复的迭代和学习中，得到优化。如图5所示。
布料制度控制中心的特征在于：由相控阵雷达获得的料面方程，经过数据处理中心，转化成高炉溜槽布料矩阵。连锁布料控制系统根据优化后的布料矩阵进行布料的操作，同时计算机实时显示出此时料面的形状。
执行机构的特征在于：布料制度控制中心根据修正后的布料矩阵，将数学模型转化成标准电信号，由执行机构传送给溜槽8进行布料操作。该系统将相控阵雷达料面测量与布料溜槽控制系统结合到一起，实现实时连锁闭环控制过程。
多个料面层的特征在于：在某一个时间段，布料的是某一种固体，在下一个时间段，又布的是另一种固体，不同种类的固体，由布料槽按时间顺序先后布料。雷达成像系统在计算机上，模拟上述的布料过程，按时间的先后顺序，用不同的颜色显示出不同的层，每一层可能同时向一个方向移动，例如都向下移动，计算机按照移动的速度实时显示每一层的3D图像，以便于用户实时直观料面的固体分布。计算机还可以按照用户的要求，对3D图进行剖面分析，给出不同截面的固体料层分布图。
该系统可以配合红外温度分布检测系统，或者十字测温，在获得料面信息的同时，在图像中还显示固体料面不同位置的温度信息，并在计算机上用不同的颜色仿真出不同剖面的温度信息。
本发明提出工业相控阵雷达进行料面测量与成像技术，即不采用机械式移动雷达，而采用电子相位移动的原理，即通过雷达电子波束的定向合成和定向移动，来进行多点料面形状的测量，实现3D成像。
通过工业相控阵雷达的多点料面测量，相比3-8台雷达或者2-3台的机械探尺，其探测点数由3-8点提高到几十到几百个点，最多可以有几万个点，多波束点在高炉内的料面检测中，可以同时获得多波束点的电磁反射回波信号，进而获得几十，几百，甚至几万个点的料面高度信息，解决了以往测量数据少的瓶颈问题，使精准料面的测量成为可能，同时通过高精度测量的在线修正，优化了布料模型，使闭环反馈控制成为可能。由于所有波束点都是通过电扫描来实现的，它代替了原来高炉固定安装的雷达系统，或者机械转动雷达系统，电扫描系统扫描速度快，精度高，方位全，能够实时完成固体料面的状态检测。
附图说明：
图1是工业相控阵雷达发射系统示意图；
图2是工业相控阵雷达低功率应用T/R组件结构；
图3是工业相控阵雷达结构示意图，其中1为氮气冷却装置，2为相控阵雷达本体，3为电磁保护罩，4为固定安装支架；
图4是工业相控阵雷达连锁布料控制系统；
图5是利用工业相控阵雷达测量数据修正高炉布料数学模型流程图；
图6是工业相控阵雷达布料分析与连锁控制系统流程图。
具体实施方式：
图6是工业相控阵雷达布料分析与连锁控制系统在高炉上的实施实例。
工业相控阵雷达安装在高炉的风罩孔上，选择的安装角度为斜面向下，使雷达扫描的覆盖面尽可能包含到所有待扫描的料面点。以2000m3高炉为例，一般以高炉的零料面为起点，正常料面一般距离零料面起点1.5米左右，其雷达扫描的夹角在±30°，扫描有效直径在8米左右，相控阵雷达罩与水平面位置夹角在15°左右，能够扫描到图6高炉内1.5米以下整个料面的高度信息。
雷达在向下进行料面的电扫描过程中，由雷达电磁保护罩对雷达本体进行隔离保护，防止外界恶劣环境对雷达的影响。采集到的高炉料面数据进入数据处理中心，然后由布料连锁建模学习与决策中心产生布料控制命令，由执行机构控制溜槽的转角初始位置，布料圈数，布料阀门开度等参数，实现矿/焦料的合理分布。
针对高炉的具体应用，设计了相控阵雷达天线为5*8单元的矩阵，带宽大于1GHz，其3dB主瓣方向图小于20°。实现单一方向轴上-30°～+30°的扫描角，并提供30个以上的波束指向，并达到波束捷变能力在10ms以内。
高炉雷达罩设计为固定安装支架结构，固定在高炉风罩上。采用高温复合陶瓷材料做外罩，底部为复合双酚A型氰酸酯树脂，中间加氮气冷却，起到了保护雷达的效果。雷达罩的设计也可以采用高温石英玻璃做外罩，加内部氮气冷却系统，冷却量的确定要最终使传导到雷达相控阵本体的温度控制在60度以内，如果存在有短时超过800度的高温瞬时冲击，则在保护罩的本体内部还需要额外增加氮气冷却用量，保护相控阵雷达本体。对上述工况，需要在雷达罩附近加温度传感器，监测温度变化，当温度超过800度时，自动增加冷却气量。
基于相控阵雷达的高炉布料连锁控制过程：首先确定根据相控阵雷达的3D成像信息，获得高炉料面的距离，然后，由连锁布料控制系统中的数据处理与学习中心，确定布料环位与相应布料圈数，并根据炉料的种类和料线高度计算出各环α角度，确定α和β的方向，以及初始位置等。启动α和β电机，打开料流调节阀，开始布料。等料罐称量发出空罐信号，延时等待，关闭料流调节阀，关闭下密封阀，完成一次布料。
然后高炉布料制度控制中心，根据高炉溜槽布料矩阵计算出理论料面高度及相应的料面形状，并与雷达实测高度进行对比，修正布料矩阵的参数，计算出下一次布料溜槽的初始位置，结束位置，开始布料。在连续的布料过程中，相控阵雷达实时获取高炉料面的3D成像信息，及时调整布料矩阵并发出指令。整个系统循环往复，更新料面方程，修正料面厚度，不断进行数据分析和优化，使布料模型本身根据高炉的具体情况，不断得到学习与修正，实现闭环连锁布料。
采用相控阵雷达成像系统，在高炉内部的复杂环境下进行电扫描，该方法取代了高炉固定安装的机械雷达结构，可以实现高精度全方位的高炉内料层分布监控，同时达到闭环连锁布料的效果。
对于高炉料面监测，干熄焦料面测量，竖炉固体料面测量等场合的固体料位形状测量，及其控制都在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，包括工业相控阵雷达、雷达电磁防护罩，以及连锁布料控制系统三部分，其中工业相控阵雷达获取料面信息，电磁防护罩保护工业相控阵雷达本体，连锁布料控制系统根据雷达传来的料面高度数据，进行分析判断，执行加料任务，使最终的料面形状始终控制在设定的形状上；
所述工业相控阵雷达包括超宽带相控阵天线单元，数字移相器以及收发单元，功率分配器，功率分配馈电网络以及功率合成网络，波束控制计算机，移相器控制电路；
所述电磁防护罩包括电磁窗，氮气冷却装置，固定装置，其中电磁窗的外层采用高温复合陶瓷材料做外罩，电磁窗内衬采用复合双酚A型氰酸酯树脂，氮气冷却装置隔离在相控阵雷达本体和电磁窗之间，起冷却的作用；
所述连锁布料控制系统由数据处理与学习中心，布料制度控制中心，以及执行机构组成，先假设料层厚度，模拟布料过程，计算堆尖位置，计算内外堆角，由体积偏差的积分来更新料面方程，并配合料面下移，不断计算出每一层的料面厚度，并由相控阵雷达3D成像多点数据来实时修正料层厚度，更新料面方程，修正值在反复的迭代和学习中，得到优化。
2.如权利要求1所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述工业相控阵雷达的超宽带天线单元阵列设计为面阵列，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，通过多个波束的合成控制进行全方位的电扫描；利用vivaldi微带天线实现共面波导天线结构，使频率范围工作在x波段，涵盖26GHz频带宽度。
3.如权利要求1或2所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述工业相控阵雷达的超宽带天线单元阵列的一维阵列超宽带扫频天线的设计，其特征在于采用相控阵天线单元旋转矢量法，分组旋转矢量法或者近场扫描法，分别测试出每个相控阵天线单元的初始幅度和相位，然后通过对移相器及功分网络的调整，实现对整个相控阵雷达系统的校正。
4.如权利要求1所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述数字移相器和收发单元按照工业相控阵雷达宽带设计原则，单元设计遵循从顶到底，给每个单元部件划分具体指标，通过在测量现场实地测量，给出各单元相位幅度输出值，由单个天线馈电单元微波电路网络，推广到单列线阵馈电网络，验证单列线阵的扫描参数和系统灵敏度，在单个单元测试数据满足要求之后，最终进行面阵的系统整体联调。
5.如权利要求1所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述功率分配馈电网络以及功率合成网络应用低功率T/R组件，包括总线控制可变数字衰减器和数字移相器，高功率放大器PA，微波低噪放LNA，微波双工器组成，将前端脉冲开关换为环行器，或者将所有环行器改为收发隔离的无源ratrace混合环，在获得最终标定测试数据以后，进行相位算法补偿。
6.如权利要求5所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述功率分配馈电网络利用宽带分配网络构建功率合成和分配网络，通过高速锁相方式提供高稳定度的发射信号，实现料面的快速扫频测量。
7.如权利要求1所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述波束控制计算机由波束控制信号通过预设的数值发出波束控制指令，给波控机进行波束扫描控制，各移相器、衰减器单元的实时控制算法通过移相器控制电路实现，波控机采用高速FPGA将预存的波束控制数据写入各数据缓存器中，控制当前数字移相器移相角度。
8.如权利要求1或7所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述波束控制计算机根据空间波束合成和稀疏布阵算法，对移相器的分辨率根据具体情况提出不同扫描角度的指标。
9.如权利要求1所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述布料制度控制中心由相控阵雷达获得的料面方程，经过数据处理中心，转化成布料矩阵，连锁布料控制系统根据优化后的布料矩阵进行布料的操作，同时计算机实时显示出此时料面的形状。
10.如权利要求1所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述执行机构是布料制度控制中心根据修正后的布料矩阵，将数学模型转化成标准电信号，由执行机构传送给溜槽进行布料操作，将相控阵雷达料面测量与布料溜槽控制系统结合到一起，实现实时连锁闭环控制过程。
11.如权利要求1所述的基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统，其特征在于，所述模拟布料过程是雷达成像系统在计算机上，按时间的先后顺序，用不同的颜色显示出不同的层，计算机按照移动的速度实时显示每一层的3D图像，或对3D图进行剖面分析，给出不同截面的固体料层分布图。
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