麻士峰 李艷萍

摘? 要： 針對中頻爐熔煉過程中傳統(tǒng)測溫方法的弊端，利用金屬在熔煉過程中電阻率會隨著溫度的改變而變化的性質(zhì)，提出利用Transformer模型來連續(xù)測量中頻爐熔煉溫度。對中頻爐的電路結(jié)構(gòu)進行分析，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過設(shè)計電路采集爐料溫度和諧振回路的電壓、電流等數(shù)據(jù)，推算出電路的等效電阻，對采集到的數(shù)據(jù)運用Transformer模型進行訓(xùn)練以及性能評估，實時測量出中頻爐的熔煉溫度。

關(guān)鍵詞： 中頻爐； Transformer模型； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 熔煉溫度測量

中圖分類號：TP399? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2023）09-01-05

Melting temperature measurement of series resonant medium frequency

furnace based on Transformer model

Ma Shifeng， Li Yanping

（School of Information and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan， Shandong 250000， China）

Abstract： In view of the disadvantages of traditional temperature measurement methods in the process of medium frequency furnace melting， Transformer model is proposed to continuously measure the melting temperature of medium frequency furnace by taking advantage of the property that the resistivity of metal will change with the temperature during the melting process. The circuit structure of the medium frequency furnace is analyzed， and a data acquisition system is built. The data such as the temperature of the furnace charge and the voltage and current of the resonant circuit are collected， and the equivalent resistance of the circuit is calculated. The collected data is trained using the Transformer model to evaluate its performance， so as to measure the melting temperature of the medium frequency furnace in real time.

Key words： medium frequency furnace; Transformer model; data acquisition system; melting temperature measurement

0 引言

隨著冶金行業(yè)的不斷發(fā)展，中頻爐憑借其熔煉效率高，元素?zé)龘p少，溫度易控制，操作方便，污染小等優(yōu)點，成為冶金的重要手段[1-2]。為了迅速有效地去除金屬中的雜質(zhì)，加快爐料熔化，減少噴濺，提高爐齡，節(jié)約熔煉消耗的能源[2]，就需要控制爐料溫度，而控制爐料溫度的根本是準確測量溫度。

近年來，冶煉工廠中用于中頻爐爐料的測溫方法主要有熱電偶、紅外輻射測溫等[3]，其中，熱電偶不能夠進行連續(xù)測溫、壽命有限；紅外輻射測溫技術(shù)對環(huán)境要求極高，不同環(huán)境下的測溫會對結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，對爐體的也有一定的要求。隨著科技的快速發(fā)展，熔煉測溫的方法也逐步走向智能化[4-11]。中頻爐的耗電量不可小覷，在熔煉期間，需要不斷地測量爐料溫度，調(diào)整中頻爐的工作頻率，實現(xiàn)用最小的電能達到最佳的熔煉效果。

本文首先介紹串聯(lián)諧振式中頻爐的電路原理、溫度對金屬電阻率的影響，并對中頻爐的電路模型做了仿真驗證，搭建了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時，對諧振回路電壓、諧振回路電流及中頻爐爐料溫度進行了采集，并通過Transformer模型對數(shù)據(jù)進行處理，并將模型測量溫度與實際測量溫度做了比較，實現(xiàn)溫度測量的功能。

1 原理簡介

1.1 串聯(lián)諧振式中頻爐原理

串聯(lián)諧振式中頻爐的電路模型如圖1所示，由三相交流電作為供電電源，通過一個橋式整流電路，把50Hz工頻交流電整流成直流電，再經(jīng)濾波器（電抗器LDC）濾波，然后經(jīng)逆變器（SCR1-4）將直流電逆變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流電供給負載。其中負載電路包括電容、電感、電阻，電感由感應(yīng)線圈組成，這里的感應(yīng)線圈和爐料等效為互感耦合，感應(yīng)線圈、電阻、電容組成初級回路，爐料作為次級回路。

1.2 溫度對金屬電阻率的影響

電阻率是反映導(dǎo)體導(dǎo)電性能好壞的物理量。金屬在加熱的過程中，由于溫度不斷變化，導(dǎo)致其電阻率呈現(xiàn)一種非線性的變化趨勢[12-13]，如圖2所示。根據(jù)金屬電阻率隨溫度變化的這種關(guān)系，本文提出在金屬熔煉過程中通過找到溫度和電阻率的對應(yīng)關(guān)系，來測算熔煉過程中爐料溫度的方法。

1.3 中頻爐電路模型仿真驗證

根據(jù)不同溫度下金屬電阻隨溫度變化而變化的原理，在Multisim上搭建了如圖3所示的中頻爐的硬件仿真電路，其中T1為中頻爐上的線圈，圈數(shù)為24圈，該圈數(shù)為某串聯(lián)諧振式中頻爐實測圈數(shù)。在T1的次級線圈串聯(lián)了一個最大阻值為10mΩ的滑動變阻器，通過改變滑動變阻器阻值的方法模擬金屬在不同溫度下阻值的改變，以此來觀察電阻改變對中頻爐線路的數(shù)據(jù)影響。隨機改變次級回路中滑動變阻器0.001mΩ阻值后的數(shù)據(jù)變化，初級回路電流變化了0.4A，電壓變化了1V，回路的數(shù)據(jù)發(fā)生了非常明顯的變化，故通過仿真可以看出通過電阻反映溫度是可以實現(xiàn)的。

2 Transformer模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)的采集

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建

在諧振時，L與C上的電壓[VL0.]與[Vc0.]大小相等，相位相差180°，說明經(jīng)過諧振電壓[Vs.]等于[R]上的電壓降[VR.]。由于諧振回路的通頻帶對外加電壓具有選頻作用，經(jīng)過逆變器的輸入電壓，實際上只有其基波分量在發(fā)揮作用，其余的諧波都被過濾，故基波分量就是諧振回路電壓[Vs.]，然后測量諧振回路的電流[I0.]，通過電壓與電流求得R。

2.1.1 諧振回路輸入電壓的采集與處理

串聯(lián)諧振電路的輸入電壓很大，無法直接采集，本文將兩個串聯(lián)在一起的無感精密高壓電阻R1和R2，并聯(lián)到諧振回路上，如圖4所示，測試的中頻爐額定電壓Us為750V，R1阻值設(shè)定為1KΩ，R2阻值設(shè)定在100KΩ。

頻爐工作時，R1兩端電阻電壓可以由式⑴得到。

[UR1=UsR1+R2]? ⑴

將R1兩端接入隔離運放AD210BN，對其進行隔離，AD210電壓跟隨器隔離電路如圖5所示。

對輸出Vout設(shè)計AD采樣電路，對采樣得到的電壓信號Vout做離散傅里葉變換，取基波分量U0后，實際的諧振電壓Us和基波分量U0可以用式⑵得到。

[Us=U0R1*（R1+R2）]? ⑵

2.1.2 諧振回路電流的采集

為了滿足本文電流采集的電氣需求，選擇采用穿心式電流互感器，在互感器輸出端接入負載電阻R3，并對其進行隔離，防止電流流入采樣模塊造成結(jié)果誤差。對R3上的電壓值進行采樣，流程圖如圖6所示。

隔離模塊電路如圖7所示，將電阻R上端輸入作為隔離模塊的輸入電壓Vin，運用LMV321運算放大器設(shè)計隔離電路，目的是隔離作用，防止電流互感器輸出的電流流經(jīng)別處，對采樣結(jié)果產(chǎn)生誤差。

對于諧振回路中電流的計算，同樣中頻爐在運行時只有基波分量作用于諧振回路，故對采樣得到的電流信號IR做離散傅里葉變換，得到基波電流幅值I0后，作用于諧振回路的電流有效值I和基波電流幅值I0之間的關(guān)系可以用式⑶表示：

[I=MAXI02*4000]? ⑶

在采集到經(jīng)過逆變器后的電壓信號[Vs.]和初級回路電流信號[I0?]后，根據(jù)電壓電流關(guān)系求出回路的總電阻R。

2.2 料溫度數(shù)據(jù)采集

中頻爐在冶煉過程中的溫度高達1600℃，本文選擇了S型鉑銠熱電偶搭配溫度變送器進行溫度測量。鉑銠熱電偶的溫度測量范圍為0-1800℃，溫度變送器將鉑銠熱電偶輸出的電動勢轉(zhuǎn)換成0-5V電壓信號輸出，溫度和電壓之間呈線性變化。

2.3 AD采樣模塊設(shè)計

采樣模塊需要同時采集諧振回路電流、諧振回路電壓、溫度電壓參數(shù)三個值，且采樣精度要求高，本文選擇了AD7606采樣芯片，具有8路同步采樣輸入以及16位分辨率的超高性能，雙極性模擬輸入范圍±10V、

±5V，單電源5V供電，模擬輸入阻抗可達1MΩ。AD7606采樣模塊PCB原理圖如圖8所示。

利用ADR421ARZ芯片，輸入5V產(chǎn)生2.5V電壓供給AD7606作為基準電壓。可以同時對8路信號進行采樣，采樣率設(shè)置在20KHZ，采樣速度快，精度高。AD7606采樣模塊實物圖如圖9所示。

3 利用Transformer模型對數(shù)據(jù)進行處理

本文的數(shù)據(jù)處理運用Transformer模型，利用該模型的注意力機制，將溫度和電阻數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練。本文采集了工作頻率為1KHZ串聯(lián)諧振中頻爐9000組等效電阻及溫度數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

Transformer模型包含兩部分：編碼器和解碼器[14]。首先，模型對輸入的數(shù)據(jù)進行一個詞嵌入操作，然后輸入到編碼器層，自注意力處理完數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)送給前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算可以并行，得到的輸出會輸入到下一個編碼器。

在Transformer的編碼器層中，數(shù)據(jù)會經(jīng)過自注意力模塊得到加權(quán)之后的特征向量Attention（Q，K，V），計算出三個新的向量，向量的維度是512維，這三個向量是用詞嵌入向量與一個矩陣相乘得到的，矩陣是隨機初始化的，維度為（64，512），第二個維度和詞嵌入的維度一樣，其值在BP的過程中會一直更新，得到的這三個向量的維度是64低于詞嵌入維度的。

其中輸入由維度為dk的查詢向量q和鍵向量k以及維度為dk的值v組成。接著計算q與所有鍵的點積，再除以[d1/2k]，并應(yīng)用Soft-max函數(shù)來獲得這些值的權(quán)重。在實際應(yīng)用中，一組q的注意力函數(shù)將被同時計算，這些q被打包到一個矩陣Q中，k 和v也被打包到矩陣K和V中。計算輸出矩陣可以用式⑷表示。

[AttentionQ，K，V=soft max（QKTd1/2k）V]? ⑷

之后它會被送到編碼器的下一個模塊，即全連接層。其線性激活函數(shù)，可以表示為?：

[FNN=max0，ZW1+b1W2+b2]? ⑸

解碼器和編碼器的不同之處在于解碼器多了一個“Encoder-Decoder Attention”，兩個Attention分別用于計算輸入和輸出的權(quán)值。模型訓(xùn)練好后，取另一部分數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)集做性能評估。

4 爐料溫度推算系統(tǒng)的搭建

對采集到的溫度、電阻數(shù)據(jù)用模型訓(xùn)練完成后，將在中頻爐上搭建的電阻采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后實時導(dǎo)入到模型中，進行溫度測量系統(tǒng)的搭建，具體流程框圖如圖10所示。

首先，利用已搭建的等效電阻采集系統(tǒng)，待中頻爐運行后，對電壓以及電流數(shù)據(jù)進行實時采集處理，推測出當(dāng)前的等效電阻，并將推測出的等效電阻值導(dǎo)入模型中運行，測量出當(dāng)前的溫度值，并利用上位機將其實時顯示在屏幕上。

5 結(jié)果分析

為了驗證該測溫系統(tǒng)的優(yōu)劣，在該系統(tǒng)測算溫度的同時，用熱電偶對中頻爐進行溫度測量，將測算溫度數(shù)據(jù)與實際溫度數(shù)據(jù)記錄下來，做成曲線圖如圖11所示。

從圖11可以看出，實際的溫度數(shù)據(jù)與測算的溫度數(shù)據(jù)趨勢相同，大體一致，為了便于觀察，從6mΩ所在位置的兩組數(shù)據(jù)開始，每隔2mΩ取一組數(shù)據(jù)得到表1所示數(shù)據(jù)，通過表1的數(shù)據(jù)對比可知，實際數(shù)據(jù)與測算數(shù)據(jù)之間有±5℃的誤差，在冶煉行業(yè)中，溫度的跳躍范圍大，該誤差在可接受范圍內(nèi)。出現(xiàn)該誤差的原因是沒有對采集的數(shù)據(jù)進行誤差補償，以及溫度采集和電阻采集時可能出現(xiàn)時間上的偏差。

6 結(jié)束語

本文利用利用金屬在熔煉過程中電阻率會隨著溫度的改變而發(fā)生變化的這一特性。設(shè)計了一種可以連續(xù)測量中頻爐爐料溫度的方法。為了能夠采集等效電阻數(shù)據(jù)，搭建了爐料電阻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，首先通過該系統(tǒng)采集諧振電壓和諧振電流，以此來推測出中頻爐爐料在初級電路中的等效電阻，在采集等效電阻數(shù)據(jù)的同時，采集爐料相對應(yīng)的溫度，然后運用Transformer模型對采集到的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，通過已經(jīng)搭建好的爐料電阻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集爐料在初級回路中的等效電阻，并將采集到的電阻數(shù)據(jù)上傳至Transformer模型，得出當(dāng)前中頻爐的爐料溫度，經(jīng)驗證，得到的溫度可靠性極高。

參考文獻（References）：

[1] 史明，陳瑞.中頻爐在鑄鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鑄造，2018，67（1）：49-50.

[2] 席文娣.中頻電爐節(jié)能原理與方法的研究[D].山東：山東理工大學(xué)，2012.

[3] 華飚，徐含依.燃燒過程中非接觸測溫技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2021，2021（2）：22-27.

[4] Lee S Y，Tama B A ，Choi C ，et al.Spatial and SequentialDeep Learning Approach for Predicting Temperature Distribution in a Steel-Making Continuous Casting Process[J].IEEE Access，2020（99）：1-1.

[5] 張毛毛.基于深度雙向加權(quán)GRU的回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)溫度預(yù)測[D].湖南：湖南大學(xué)，2018.

[6] 孫為釗，周俊.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平面磨削溫度預(yù)測[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2020，29（2）：244-249.

[7] 陳宇，金文兵，謝曉能，等.基于溫度定性趨勢分析的鋅冶煉焙燒爐實時狀態(tài)評價[J].冶金自動化，2022，46（4）：86-94.

[8] 時日暉.AOD爐內(nèi)熔體溫度在線紅外監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].吉林：長春工業(yè)大學(xué)，2022.

[9] 田儒良，岳峰，史建凱.冶煉過程鋼包溫度場和鋼水溫降的研究[J].煉鋼，2022，38（1）：42-48.

[10] 孟凡姿，楊顯濤，楊磊，等.冶煉爐紅外在線溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2020，33（5）：59-60.

[11] 賈一杰. A0D爐雙比色法溫度在線檢測溫度補償?shù)难芯縖D].吉林：長春工業(yè)大學(xué)，2015.

[12] 張明，張玲.高溫金屬電導(dǎo)率的測量研究[J].計量技術(shù)，2022（6）：6-8.

[13] 郭風(fēng)祥.金屬熔體過熱及過冷液態(tài)電阻率與結(jié)構(gòu)的相關(guān)性研究[D].山東：山東大學(xué)，2013.

[14] 付恩，張益農(nóng)，楊帆，等.基于頻率分解Transformer的時間序列長時預(yù)測模型[J].制造業(yè)自動化，2022，44（11）：177-181.