Цифровые технологии в горнодобывающей промышленности и металлургии

Контроль технологии и качества продукции

Мониторинговая система по контролю технологии и качества продукции сейчас активно внедряется в программные пакеты SCADA, которые позволяют оптимизировать производственный процесс и уменьшить процент брака продукции.

НПК «Фотоника» занимается разработкой и производством оптического оборудования, охватывающего практически весь спектральный диапазон — от ультрафиолетового (UV) до дальнего инфракрасного (LWIR). Широкая линейка собственных оптических систем компании нашла применение в самых разных областях. Одним из наиболее перспективных решений, базирующихся на использовании особых ИК-модулей, является температурный мониторинг производства в горно-металлургических комплексах (ГМК).

При контроле технологии и качества конечной продукции особое внимание уделяется следующим задачам:

• Контроль геометрии продукции. Несмотря на то, что надзор за геометрией продукции успешно осуществляют системы машинного зрения, работающие в видимом спектральном диапазоне, их работа существенно осложняется из-за наличия таких неблагоприятных условий, как дым и пар.
• Контроль температуры и равномерного нагрева поверхности. В рамках производства необходимо отслеживать температуру каждого участка поверхности. Так, например, прокатный лист металла может иметь участки с избыточной или недостаточной температурой, что может негативно отразиться на свойствах конечного изделия.
• Внутрипечной мониторинг (рис. 1). Чтобы обеспечивать стабильный производственный цикл, необходимо осуществлять непрерывный контроль состояния скрытых частей оборудования, которые подвергаются воздействию высоких температур и требуют регулярной инспекции для своевременного выявления неисправностей. Обычно для защиты футеровки печи от износа наносят гарнисаж, или защитный слой из шихтовых материалов или шлака. Это позволяет снизить негативное влияние температуры на рабочую поверхность стенок оборудования и увеличить срок его службы.
• Выявление шлака в струе. Определение процентного соотношения всего объема металла к количеству шлака, попадающего из конвертера в сталеразливочный ковш, является обязательной процедурой повышения качества и срока службы металлического сырья.
• Мониторинг барабанных печей. От работоспособности и надежности печи напрямую зависят эффективность и технико-экономические показатели всего предприятия. Постоянный контроль над температурой поверхности предотвращает преждевременную поломку печей и обеспечивает бесперебойную работу производства.

Рис. 1. Пример работы системы внутрипечного мониторинга

Для решения вышеперечисленных задач применяются бесконтактные методы с использованием тепловизионных камер (тепловизоров), обладающих рядом преимуществ по сравнению с традиционными датчиками температуры, входящими в систему контрольно-измерительных приборов. Так, тепловизоры способны определять среднее значение и разницу температур на различных участках объекта без непосредственного соприкосновения с его поверхностью.

НПК «Фотоника» занимается не только производством, но и модернизацией собственных камер для соответствия условиям эксплуатации. Результатом такой работы стала тепловизионная камера в износо­стойком защитном термокожухе со встроенной системой охлаждения оптики и продувкой воздухом. Такое улучшение конструкции позволяет избегать проблем, связанных с негативным влиянием пыли и пара и возникающих во время производственных процессов в металлургии.

Мониторинг технологического оборудования

Наиболее частой проблемой на предприятиях горнодобывающих и металлургических комплексов является перегрев оборудования. В секторе ГМК регулярно возникают сложности, связанные с эксплуатацией оборудования, когда высокие температуры нарушают целостность конструкции футеровок, ковшей и других ключевых компонентов. Именно поэтому так важно постоянно отслеживать температуру каждого участка и вовремя предупреждать поломку дорогостоящего оборудования (рис. 2).

Рис. 2. Проверка образцов ленточного конвейера

Рис. 3. Измерение температуры оборудования

Использование переносных тепловизоров предоставляет возможность бесконтактного измерения температуры в труднодоступных местах как на маленьких, так и на больших расстояниях. Стационарные же установки дают возможность качественно настроить тепловизионный модуль и коэффициенты излучения для непрерывного измерения температуры (рис. 3, 4).

Рис. 4. Измерение температуры в трубе

Ухудшение видимости во время производственного цикла

Наличие продуктов горения, пара и дыма существенно осложняет высокотемпературный мониторинг и препятствует точному определению необходимых параметров. Кроме того, для получения верных данных требуется знать точное значение коэффициента излучения, который экспоненциально уменьшается при росте температуры и является одним из основных источников возникновения погрешности при измерении.

На рис. 5 показана зависимость спектральной плотности излучения от температуры поверхности. По данным графика можно сделать вывод, что при увеличении температуры кривая смещается к видимому диапазону длин волн, в котором необходимо проводить измерения. Однако традиционные тепловизоры работают в диапазоне 8–14 мкм, что в теории позволяет измерять температуру не выше +500 °C. Использование других приборов, способных измерять температуру до +2000 °C, осложняется возникновением большой погрешности измерений из-за нестабильного коэффициента излучения поверхности.

Рис. 5. График зависимости спектральной плотности излучения от температуры

В случае измерения температуры расплавленного металла предпочтительно использовать оборудование, работающее в области 1 микрона, что соответствует ближней части ИК. Такое оборудование позволяет проводить измерения температуры вплоть до +1500 °C и обладает относительно небольшой погрешностью.

Системы улучшения видимости

НПК «Фотоника» предлагает комплексный подход к вопросу высокотемпературного мониторинга, внедряемого в горнодобывающие и металлургические комплексы. Одним из элементов системы (рис. 6), осуществляющей бесконтактное измерение температуры, может выступать чувствительный ИК-модуль, прошедший предварительную калибровку и функционирующий как термограф. ИК-модуль не только обеспечивает визуализацию изображения, но и предоставляет пользователю значения температуры в виде радиометрических данных. Встроенный интерфейс GigE осуществляет отправку необработанного потока данных вычислителю для его дальнейшей обработки.

Рис. 6. Элементы мониторинговой системы

Для измерения высоких температур и попадания в спектральный диапазон 0,8–1 мкм (NIR) сенсор ИК-модуля изготавливается на основе кремния. В качестве таких модулей могут использоваться сверхчувствительные камеры FC400 и FCM174, обладающие увеличенным размером пикселя и большой емкостью потенциальной ямы. Также есть возможность производства модулей на основе InGaAs (арсенид галлия-индия), которые работают в ближней ИК-области (SWIR) и успешно применяются для улучшения видимости в условиях плохой освещенности. Основой такого модуля может стать современная камера FSM640, выполненная в двух различных вариациях — с интерфейсами CameraLink / PAL и GigE&PoE.

Для измерения температур в тепловизионном спектре (3–14 мкм) можно использовать болометры на основе оксида ванадия (VO_x). Достойной альтернативой болометрам являются линейки ИК-модулей FLM384 и FLM640, которые позволяют получать высококачественные тепловизионные изображения и предоставляют возможность обнаружения участков с малыми температурными контрастами.

Примером успешной реализации проекта по внедрению нового оборудования, способного работать в условиях плохой видимости, может служить установка адаптированного ИК-модуля на корпус крупно­габаритной строительной техники. Изображение с модуля позволяет оператору видеть через пелену пара и дыма в режиме реального времени (рис. 7), что существенно увеличивает скорость его работы и позволяет избежать множества аварийных ситуаций.

Рис. 7. Крупногабаритная строительная техника с установленным ИК-модулем

Заключение

Все более стремительное внедрение цифровых технологий в различных отраслях тяжелой промышленности позволяет существенно упростить контроль за качеством продукции и улучшить автоматизацию производственных систем. Несмотря на значительные успехи в мониторинге температур на производстве металлургических и горнодобывающих предприятий, по-прежнему остается актуальной задача использования новых ИК-систем, способных работать в условиях пара и дымовой завесы. Для измерения высоких температур с минимальными погрешностями наши инженеры разработали современные ИК-модули, способные работать в спектральных областях, недоступных традиционным тепловизионным системам, и передавать корректные данные даже в сложных производственных условиях.