馬海濤， 郭鳳濤， 尤 文， 徐 亮

（長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

在氬氧精煉烙鐵合金冶煉過程中噴濺現(xiàn)象時有發(fā)生，目前，冶金工業(yè)中針對這一噴濺現(xiàn)象一直沒有很好的在線檢測設(shè)備，不能實時在線檢測。目前提出的各種針對AOD爐噴濺現(xiàn)象監(jiān)測方案，其在線檢測設(shè)備復(fù)雜、投資高、維修難度大。近幾年開發(fā)的各種聲學(xué)或光學(xué)檢測設(shè)備，不僅設(shè)備簡單、投資小，而且容易維護(hù)、檢測成本低。由于全自動AOD爐要求對整個吹煉過程進(jìn)行計算機閉環(huán)控制，因此，對爐內(nèi)信息的檢測必須要求連續(xù)、準(zhǔn)確、響應(yīng)快。為適應(yīng)這一要求，近幾年開發(fā)的各種聲學(xué)或力學(xué)的檢測設(shè)備均采用連續(xù)檢測技術(shù)，不斷向計算機提供各種爐內(nèi)信息。

煉鋼反應(yīng)是在高溫下進(jìn)行的，直接測量有很多困難。采用間接測量技術(shù)，通過對噴濺外在爐體現(xiàn)象的噴濺特征，或是對爐口火焰強度的測定以及對爐內(nèi)聲、光、電等現(xiàn)象的檢測，可推斷預(yù)報爐內(nèi)狀況。通過較精確的數(shù)學(xué)模型還可進(jìn)一步校正檢測和計算誤差［1］。

在工業(yè)冶煉中，通常都是利用傳感器對冶煉過程進(jìn)行檢測和控制，這種控制不能很好地對其進(jìn)行在線控制，因此，文中提出利用多傳感器、多信息融合技術(shù)對冶煉過程進(jìn)行更好的檢測、更好地預(yù)報在冶煉過程中出現(xiàn)的噴濺［2］。

文中提出一種針對爐體振動、爐內(nèi)噪聲的在線檢測來判定冶煉中噴濺的發(fā)生，通過振動傳感器，麥克風(fēng)對噴濺過程中不同時刻的振動、噪聲現(xiàn)象進(jìn)行檢測分析，來判定噴濺的不同時刻狀態(tài)［3］。

1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)AOD爐的設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，文中設(shè)計的爐體噴濺特征檢測系統(tǒng)由兩個振動傳感器、麥克風(fēng)、信號預(yù)處理系統(tǒng)、特征提取系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示［4］。

圖1 爐體噴濺特征檢測系統(tǒng)

整個系統(tǒng)是基于LabVIEW平臺開發(fā)設(shè)計的。從傳感器接收到的信號入手，判斷出所關(guān)注的某一頻率帶的信號，并對該頻帶內(nèi)的信號作小波分解，根據(jù)分解信號的特點判斷冶煉是否已經(jīng)處于噴濺狀態(tài)。在信號的采集、量化以及傳輸過程中，有可能產(chǎn)生一定的噪聲，因此，首先應(yīng)對原始信號進(jìn)行信號預(yù)處理。信號的預(yù)處理是指對獲取的振動信號本身的缺陷和具體的研究目的而采取的一些信號濾波降噪、增強、復(fù)原等運算［5］。

2 系統(tǒng)硬件平臺

系統(tǒng)硬件平臺工作過程如下：

1）計算機根據(jù)輸入通道送來的被控對像的狀態(tài)參數(shù)，按程序自動進(jìn)行信息處理、分析、計算，并做出相應(yīng)的控制決策，然后通過輸出通道發(fā)出控制命令，控制被控對象進(jìn)行工作。

2）輸入／輸出通道用傳感器（檢測裝置）把非電量的控制參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號，并通過建立在計算機與檢測裝置之間的信息、傳遞與變換通道——輸入／輸出通道，與計算機進(jìn)行聯(lián)系，實現(xiàn)信息、采集與控制。

3）接口溝通計算機與外圍設(shè)備，通過接口電路的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)信息和命令的傳送。

系統(tǒng)硬件平臺主要器件如下：

麥克風(fēng)傳感器，北京797CR1－87；

振動傳感器，ULT20系列N；

差分運算放大器，THS4130；

濾波器，線性電源，研華數(shù)據(jù)采集卡（PCI1716），研華工控機等。

振動傳感器性能指標(biāo)：

1）線性：≤1%；

2）橫向靈敏度：≤5%，典型值≤3%；

3）輸出偏壓：8～12VDC；

4）恒定電流：2～20mA，典型值為4mA；

5）輸出阻抗：＜150Ω；

6）激勵電壓：18～30VDC，典型值為24VDC；

7）溫度范圍：－40～＋120℃；

8）放電時間常數(shù)：≥0.2s；

9）安裝力矩：約1.96N·m（M5螺紋）。

研 華 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 （PCI－1716）帶 有 一 個250KS／s 16位A／D轉(zhuǎn)換器，1K用于A／D的采樣FIFO緩沖器。16路單端模擬量輸入和8路差分模擬量輸入，2個16位D／A輸出通道，16路數(shù)字量輸入／輸出通道和1個10MHz 16位計數(shù)器通道。

2.1 音頻信號采集系統(tǒng)

音頻信號分析與處理的方法主要是應(yīng)用小波變換原理，用 Matlab語言構(gòu)造出激活函數(shù)，將對所選定輸出的計算變成對激活函數(shù)的調(diào)用，根據(jù)自己的需要去調(diào)用工具箱中有關(guān)小波函數(shù)，即基于Matlab平臺應(yīng)用信號處理、小波分析等方法構(gòu)建基礎(chǔ)分析系統(tǒng)。在硬件設(shè)備的實現(xiàn)上，是通過麥克風(fēng)檢測來發(fā)射和接收脈沖信號，然后將信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入計算機，再利用Matlab軟件所提供的小波分析工具箱對信號進(jìn)行分析。聲音采集處理系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示［6－8］。

圖2 聲音信號采集處理系統(tǒng)

2.2 振動信號采集系統(tǒng)

爐體高壓冷卻水入口管路拾振信號與噴濺導(dǎo)致的爐體振動信號差異性分析，基于Matlab平臺應(yīng)用信號處理、小波分析等方法構(gòu)建基礎(chǔ)分析系統(tǒng)。在硬件設(shè)備的實現(xiàn)上，是通過爐體噴濺時的振動檢測來發(fā)射和接收脈沖信號，然后將信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入計算機。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示［7］。

圖3 振動信號采集處理系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件平臺

本研究是基于LabVIEW軟件開發(fā)的一系列操作。經(jīng)過分析比較，在文中選用NI公司提供的LabVIEW（Laboratoty VirtualInstrument Engineering Workbench）作為虛擬儀器的開發(fā)平臺。LabVIEW是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，把復(fù)雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能（圖形），并用線條把各種功能（圖形）連接起來的一種簡單圖形編程方式，LabVIEW 中編寫的程序很接近程序流程圖，LabVIEW中還集成了大量的生成圖形界面的模板，豐富實用的數(shù)值分析、數(shù)字信號處理功能以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動功能，包括RS232，GPIB，VXI、數(shù)據(jù)采集板卡、網(wǎng)絡(luò)等。

利用研華數(shù)據(jù)采集卡針對采集系統(tǒng)編程界面如圖4和圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集子程序

圖5 數(shù)字回放子程序

根據(jù)自確認(rèn)方案實現(xiàn)的要求，軟件設(shè)計實現(xiàn)的功能主要包括以下幾部分：

1）系統(tǒng)的初始化；

2）數(shù)據(jù)采集部分；

3）對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理部分；

4）測量數(shù)據(jù)的融合；

5）故障診斷模塊，給出確認(rèn)的測量值，同時給出相應(yīng)的不確定度，對一些參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，診斷噴濺的狀態(tài)，確認(rèn)平臺參數(shù)顯示。

軟件的設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 結(jié) 語

分析了軟件的總體設(shè)計和功能劃分，本課題涉及的方法具有通用性，可適用于其它的噴濺監(jiān)測，建立了基于LabVIEW 的噴濺監(jiān)測系統(tǒng)的模型。測試軟件系統(tǒng)能很好地對噴濺現(xiàn)象進(jìn)行檢測及判別，能自動將測試結(jié)果以報警的形式提醒用戶。將振動信號和聲音信號結(jié)合起來監(jiān)測是一種創(chuàng)新，本測試系統(tǒng)充分發(fā)揮了LabVIEW 虛擬設(shè)計的優(yōu)勢，設(shè)計簡單，可擴(kuò)展性強，人機交互界面非常人性化，結(jié)合計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，極好地完成監(jiān)測要求。

［1］陳嘉穎，顏根發(fā)，黃志勇.轉(zhuǎn)爐爐渣噴濺的機理及預(yù)防措施［J］.安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008（2）：1－4.

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