紅外測溫儀在圓鋼測溫控制系統中的應用研究

沈燦鋼

（江陰職業技術學院，無錫 214405）

特種鋼鐵（以下簡稱特鋼）生產對鋼材溫度控制要求非常高。生產過程中缺少溫度監測環節，會直接影響產品問題的追蹤溯源。在傳統特鋼生產過程中，溫度采集和調質線出口料溫監測均需要人工完成，無法形成系統的歷史曲線，而且人工記錄還會出現偏差和缺失等問題。根據材料和工藝特性在檢測點增加測溫控制系統，實時監測產品溫度，不僅能夠提高工藝管控水平和工作效率，還能夠提升產品質量，降低人工成本。

1 紅外測溫儀的原理和選型

1.1 紅外測溫儀測量原理

紅外測溫儀利用物體表面的紅外輻射來檢測被測物體的表面溫度，是一種非接觸式測溫方式，其測溫效果與被測物體的大小、運動速度和周圍環境等有關[1]。首先，被測物體周圍有大量粉塵、煙霧和水蒸氣時，會影響紅外檢測反射率。其次，周圍環境如果存在陽光直射和火源，也會影響測溫效果。最后，檢測目標過小、檢測距離過遠、被測物體運動速度過快等會直接影響測溫的準確度。紅外測溫儀的優點很明顯，其為非接觸測量，相比接觸式測溫儀更耐用，可以解決一些接觸測式溫儀無法觸及的目標，適用于測量低速運動中的物體。

1.2 紅外測溫儀選型

通過調研國內外測溫儀的發展狀況和測溫儀的使用狀況，結合工藝要求和現場情況，選擇DCT1-3514 紅外測溫儀。此測溫儀廣泛應用于冶金行業線棒材生產線，尤其適用于距離遠、目標小、發射率易變化的材料和有強烈衰減的環境。

DCT1-3514 紅外測溫儀使用疊層InGaAs 探測器，主要用于冶金行業的鋼鐵、水流、高速線材、熱軋板材等的溫度測量[2]。它通過接收兩個相鄰波段的紅外輻射，根據兩者的比值來計算被測物體的溫度。這種測溫儀抗干擾能力強，檢測方便，易于使用，檢測效果穩定，適合在冶金車間現場長期使用。

2 圓鋼測溫控制系統設計

2.1 測溫控制系統組成

測溫監控系統由2 臺紅外測溫儀、西門子模塊組和工控機組成。其中，西門子模塊組包括電源模塊、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊和模擬量輸入模塊。測溫儀測量溫度后先顯示在發光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）屏上，然后通過模擬量信號接入模塊將溫度數據傳輸給工控機。工控機具有數據存儲、歷史記錄和溫差報警等功能。測溫監控系統組成，如圖1 所示。

圖1 測溫監控系統組成

2.2 紅外測溫儀安裝位置

紅外測溫儀主要用于測量感應線在線棒材上的表面溫度，因此要將其安裝于淬火和回火裝置的進水環前[3-4]。安裝時要根據現場輥道中心確定測溫儀的安裝位置，盡量將其安裝在熱源上方，避免受到水汽和水霧的影響。此測溫儀為雙色測溫儀，不要求目標充滿視場，因此安裝角度允許小于45°，安裝距離允許超過1 m。紅外測溫儀安裝位置，如圖2 所示。

圖2 紅外測溫儀安裝位置

2.3 PLC 模塊選擇

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）模塊主要包括電源模塊、CPU 模塊和模擬量輸入模塊。其中，電源模塊的型號為PS307 5A，CPU模塊的型號為CPU315-2DP，模擬量輸入模塊的型號為SM331 8AI。

2.4 硬件電路

紅外測溫儀接入模擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊接入CPU 模塊，CPU 模塊以PROFIBUS 的方式接入工控機。PLC 控制系統接線圖，如圖3 所示。

圖3 PLC 系統接線圖

2.5 PLC 程序設計

在西門子STEP7 軟件中對硬件系統進行組態和編程，使用FC105 功能塊處理采集到的溫度數據，并增加溫度比對程序[5-6]。感應線溫度采集程序，如圖4所示。溫差報警程序，如圖5 所示。程序中PIW270為淬火模擬量輸入，PIW268 為回火模擬量輸入，DB1.DBD0 為淬火轉換后實際值，DB1.DBD12 為設定上限，DB1.DBD16 為設定下限，DB1.DBD4 為回火轉換后實際值。

圖4 感應線溫度采集程序

圖5 溫差報警程序

3 測溫系統調試

3.1 測溫儀參數調試

在視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）中添加變量，增加溫度實際值顯示、設定輸入和溫度歷史曲線等[7]。根據多次測試結果和工藝要求，紅外測溫儀選擇雙色、平均值檢測模式，斜率系數為1.000，響應時間為0.5 s。測溫儀參數設置，如表1 所示。

表1 測溫儀調試參數設置表

3.2 調試故障解決方案

設備中存在感應線，感應線中的中頻和高頻電流信號會干擾信號采集。因此，所有的信號連接屏蔽線必須可靠接地，在線路鋪設時應避開動力電纜，也可以增加信號隔離器等設施[8]。系統調試時，紅外測溫儀內部溫度超過65 ℃時顯示錯誤代碼“EEE1”，內部溫度低于35 ℃時顯示錯誤代碼“EEE2”。解決方案為在環境溫度過高時接入冷卻水。為了保證測量的準確性，鏡頭等部件應時刻保持干凈，一方面要避免環境中出現水汽、霧氣和塵煙，另一方面可以加裝空氣吹掃設備和防塵罩。設備防護和冷卻方案，如圖6所示。

圖6 設備防護和冷卻方案

4 結語

目前，紅外測溫儀廣泛運用于制造業、建筑業和食品行業等領域。在工業生產中增加紅外溫控儀和溫控系統，能夠更加精準地在線監測原材料的熱處理情況。通過應用測溫控制系統，解決人工抽檢的不確定性，對提升圓鋼的熱處理質量具有重要意義。通過實際應用，證明此設計能夠有效監測熱處理過程中的材料溫度，為特鋼生產過程的質量控制做出了重要貢獻。