李培玉 王部軍 鄭 俊

(浙江大學(xué)機械工程學(xué)系1，浙江 杭州 310027;杭州譜誠科技有限公司2，浙江 杭州 310027)

0 引言

結(jié)晶器是連鑄機的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是使鋼水均勻、快速地冷卻，形成厚度均勻、表面良好的初生坯殼。結(jié)晶器進行有規(guī)律的往復(fù)振動，其目的在于防止拉坯時坯殼與結(jié)晶器壁發(fā)生黏結(jié)，同時能獲得良好的鑄坯表面[1]。由于結(jié)晶器的上下振動有利于潤滑油和保護渣向結(jié)晶器壁與坯殼間滲透，因而改變了潤滑條件，減少了拉坯摩擦阻力和黏結(jié)的可能，保障連鑄得以順利進行[2]。實踐表明，采用非正弦振動波形比較符合生產(chǎn)需要。非正弦振動是指結(jié)晶器在振動時，其位移量在與正弦振動有相同值的前提下，使結(jié)晶器在上升過程中具有比下降時間更長的振動波形[3]。由于振動參數(shù)設(shè)置不合理，或在水平方向振動較大，會導(dǎo)致鋼坯表面拉裂甚至漏鋼事故，因此，開發(fā)一種有效的結(jié)晶器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。

1 結(jié)晶器振動檢測方式

結(jié)晶器振動控制的精度與穩(wěn)定性是保障連鑄機穩(wěn)定運行和安全高效生產(chǎn)的前提[4]。目前，對結(jié)晶器振動的幅度、頻率、波形及偏振狀況等參數(shù)進行準(zhǔn)確測量與記錄的主要方法有：①人工檢測;②監(jiān)測油缸行程或電動缸的旋轉(zhuǎn)角度;③位移傳感器檢測振動;④加速度傳感器檢測振動。人工檢測采用千分尺測量振動臺相對于基座的位移、秒表測量頻率，測量精度低、可獲取的振動參數(shù)值少，不能用于在線監(jiān)測。位移傳感器監(jiān)測需制作三方向相互垂直的基準(zhǔn)塊，并將傳感器安裝在固定基座上[4]，測量安裝難度大，且由于傳感器探頭裸露，檢測結(jié)果受現(xiàn)場環(huán)境影響較大。

針對傳統(tǒng)檢測方式存在的不足，提出一種基于超低頻、高精度加速度傳感器的在線監(jiān)測技術(shù)。該監(jiān)測技術(shù)將傳感器放置在結(jié)晶器振動臺上，使傳感器隨振動臺共同振動，從而直接獲得振動臺加速度信號。同時，通過積分模塊獲得速度和位移信號，并利用相位補償電路對積分器引入的相位畸變進行相位補償，還原非正弦振動的波形，獲得精確的結(jié)晶器振動加速度、速度和位移波形。所有參數(shù)都和實時的振幅與振頻有關(guān)。因此，對這個參數(shù)進行實時監(jiān)測是非常必要的[5]。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和監(jiān)測軟件組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由加速度傳感器、信號調(diào)理模塊和積分模塊構(gòu)成。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the monitoring system

加速度傳感器負(fù)責(zé)采集超低頻的振動信號;信號調(diào)理模塊可將振動信號轉(zhuǎn)化成電壓模式下的加速度信號;積分模塊分別通過一次積分和二次積分獲得速度和位移信號，然后利用相位補償器去除相位畸變，最后得到高保真的速度信號和位移信號。

這些信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入工控機，利用結(jié)晶器振動在線監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進行實時波形顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、自動報表打印等;同時，接入現(xiàn)場鑄坯拉速信號，與振動速度檢測結(jié)果進行對比分析，獲得負(fù)滑脫時間、負(fù)滑脫率和振痕間距等振動參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

2.2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

信號調(diào)理電路的主要功能是將傳感器信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀徊杉ㄗR別的電壓信號，同時，利用抗混疊濾波濾除高頻信號，通過高通濾波消除地面振動等原因引起的超低頻干擾。加速度信號調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理電路圖Fig.2 Signal conditioning circuit

2.2.2 傳感器及采集卡選型

結(jié)晶器工作時的振幅為2～10 mm，振頻范圍為0.5～7 Hz，因此，選用的加速度傳感器測量頻率范圍為0～300 Hz，橫向靈敏度＜1%，量程為3 g。

數(shù)據(jù)采集卡是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的關(guān)鍵設(shè)備，NI公司的PCI-6014型DAQ卡是基于PCI總線的16位多功能數(shù)據(jù)采集卡，其最高采樣速率為200 kS/s，可通過自帶的驅(qū)動程序與工控機進行通信。該數(shù)據(jù)采集卡傳輸數(shù)據(jù)精確度高、數(shù)字化誤差小，能夠滿足結(jié)晶器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)要求的精度。

2.2.3 積分模塊設(shè)計

積分模塊由積分電路、四階巴特沃斯濾波器及相位補償電路組成。該模塊實現(xiàn)對加速度信號的積分和噪聲濾除，并對濾波器引入的相位畸變進行補償。設(shè)xm為結(jié)晶器振幅、x為振動位移、ω為角頻率，則加速度函數(shù)是位移函數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)，表達式為：

經(jīng)一次積分可以獲得速度信號，再次積分可以獲得結(jié)晶器的振幅，其函數(shù)表達式如下：

在電路中，由于傳感器和元器件的噪聲及電源紋波等原因，所獲得的加速度信號中包含g(t)的噪聲信號，通過積分后則得到h(t)速度噪聲信號和s(t)位移噪聲信號。同時，由于加速度傳感器存在零點誤差c1，積分后在速度波形中為一次函數(shù)，位移波形中為二次函數(shù)，會導(dǎo)致嚴(yán)重信號漂移。因此在積分后，根據(jù)結(jié)晶器振動工作范圍，加入頻率范圍為0.2～50 Hz的四階巴特沃斯濾波器，以濾除低頻漂移及高頻噪聲。

2.2.4 濾波器相位補償?shù)膶崿F(xiàn)

由于濾波器的引入，必然帶來原信號波形的相位畸變，使非正弦信號嚴(yán)重失真。以四階巴特沃斯低通濾波器為例，其傳遞函數(shù)為：

濾波后，其滯后相角為：

式中：Δφ為信號通過濾波器后的滯后相角;H(jω)為濾波器的傳遞函數(shù)。

相角隨振動頻率變化而變化，因此，需要對結(jié)晶器振動頻率范圍內(nèi)的信號進行相位補償，并保證信號幅值不變。對此，系統(tǒng)采用多個全通濾波器串聯(lián)的方式進行相位補償[6]。全通濾波器在調(diào)節(jié)輸入信號時不會引入幅值的失真。全通濾波器的傳遞函數(shù)是[7]：

將 z=ejω代入式(6)，可得：

式中：N(z)為全通濾波器輸出的信號;D(z)為全通濾波器輸入的信號;ω=2πf，f為歸一化頻率;a為實數(shù)。

全通濾波器的相位補償電路如圖3所示。

圖3 相位補償電路圖Fig.3 Phase compensating circuit

圖3中，二階全通濾波器的作用是從一個二階帶通濾波器的輸入信號中減去其輸出信號，最終得到幅頻響應(yīng)上沒有失真的全通濾波器。

全通濾波器的特性是其增益在全部頻率范圍內(nèi)是固定的，同時，相位響應(yīng)與頻率線性相關(guān)。由于這些特性，全通濾波器可以在相位補償和信號延遲電路中使用。全通濾波器的相位補償前后的群延遲向應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 相位補償響應(yīng)曲線Fig.4 Response curves of phase compensation

2.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 軟件監(jiān)測主界面

結(jié)晶器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件主界面主要顯示監(jiān)測中加速度傳感器的運行狀態(tài)和主要參數(shù)。結(jié)晶器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面主要包括監(jiān)測控制模塊、參數(shù)顯示模塊和圖形顯示模塊?？刂颇K用來控制選擇系統(tǒng)投入監(jiān)測的時機，控制監(jiān)測啟停等;參數(shù)顯示模塊可以顯示結(jié)晶器振動參數(shù)，如振幅、振頻和偏斜率等;圖形顯示模塊可實時顯示結(jié)晶器振動的波形圖，并實時直觀地顯示現(xiàn)場工作中的結(jié)晶器的振動規(guī)律。

2.3.2 歷史數(shù)據(jù)管理

歷史數(shù)據(jù)管理模塊的主要功能是查詢特定時間段內(nèi)結(jié)晶器振動的歷史運行數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)查詢可按不同的檢索條件進行檢索，其中包括設(shè)備名字檢索、特定時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)檢索和特定參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)檢索等。

利用檢索數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)管理界面，可以方便地分析傳感器在任意時間段內(nèi)任意參數(shù)的變化趨勢，進而判定傳感器是否為正常運行，或分析在該時間段內(nèi)出現(xiàn)故障時各種參數(shù)變化的特點。

3 應(yīng)用實例分析

某鋼廠1JHJ連鑄機的結(jié)晶器為一機四流的小方坯結(jié)晶器，液壓控制非正弦振動，設(shè)計非正弦波形偏斜率25%。加速度傳感器水平安裝于結(jié)晶器上，分別對四流結(jié)晶器進行監(jiān)測。在實際生產(chǎn)中，第二、四流的實際拉速不能達到設(shè)計拉速，故采用較低拉速生產(chǎn)。各流結(jié)晶器振動監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)晶器振動監(jiān)測結(jié)果Tab.1 Monitoring results of the vibration of mold

從表1可以看出，第二流結(jié)晶器非正弦控制程序有錯誤，其振動出現(xiàn)了上升快、下降慢的現(xiàn)象;第四流結(jié)晶器的實際波形偏斜率與設(shè)計有12%的誤差，均未達到正常設(shè)計的效果。在對液壓系統(tǒng)進行針對性的維護后，連鑄機可按設(shè)計拉速進行生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

本文通過對結(jié)晶器振動特點的研究，提出了一種動態(tài)測量結(jié)晶器振動性能指標(biāo)的新方法，并著重闡述了監(jiān)測系統(tǒng)的測量方法、硬件電路實現(xiàn)方法和軟件設(shè)計的實現(xiàn)方法。通過對加速度信號積分、濾波獲得振動波形，引入全通濾波器進行相位補償，同時借助軟件編程實現(xiàn)振動參數(shù)實時監(jiān)測，為某鋼廠1JHJ連鑄機提供了現(xiàn)場監(jiān)測儀器。現(xiàn)場應(yīng)用表明，通過使用連鑄結(jié)晶器在線監(jiān)測系統(tǒng)，對于保證穩(wěn)定的鋼坯質(zhì)量、挖掘連鑄結(jié)晶器的生產(chǎn)潛力以及避免黏結(jié)漏鋼和拉斷事故的發(fā)生有重要的作用。

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