李文濤，張丹楓，肖俊生

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

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基于LabVIEW的連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

李文濤，張丹楓，肖俊生

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

提出了一種基于LabVIEW的連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，給出了虛擬面板、結(jié)晶器振動(dòng)波形生成及振動(dòng)位移采集等控制模塊的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)采用PXI-6143同步數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)上位機(jī)LabVIEW軟件處理后，由PXI-6722輸出板卡實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出。由于采用虛擬儀器技術(shù)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了集成度。實(shí)驗(yàn)室調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性和實(shí)用性。

連鑄；結(jié)晶器；振動(dòng)；虛擬儀器

0 引言

結(jié)晶器是連鑄設(shè)備中的鑄坯成型設(shè)備，其振動(dòng)使連續(xù)鑄鋼成為可能。結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是使結(jié)晶器按照給定的振幅、頻率和波形偏斜特性運(yùn)動(dòng)，其目的是便于“脫?！?，防止鑄坯在凝固過(guò)程中與結(jié)晶器銅壁粘結(jié)，出現(xiàn)粘掛漏鋼事故[1]。文中介紹了一種基于LabVIEW的結(jié)晶器振動(dòng)工藝參數(shù)在線調(diào)整及振動(dòng)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)、控制、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄等功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可分為控制部分和監(jiān)測(cè)部分。由LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)控制波形通過(guò)硬件模塊輸出至結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置的控制器(電液伺服閥)，從而驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)有規(guī)律的動(dòng)作。監(jiān)測(cè)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與處理?，F(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)主要有拉坯速度信號(hào)、振動(dòng)位移信號(hào)、伺服閥閥芯位移信號(hào)和反映系統(tǒng)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。通過(guò)對(duì)各種信號(hào)的在線分析，決策出最佳控制策略，從而使連鑄過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。該系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示。

圖1 總體原理框圖

2 系統(tǒng)硬件組成

連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以PXI-8106嵌入式控制器為核心，配以PXI-6143同步數(shù)據(jù)采集板卡、PXI-722模擬電壓輸出板卡和屏蔽接線盒、顯示器。

PXI系統(tǒng)是一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)，它兼具了臺(tái)式PC性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢(shì)及PCI總線面向儀器領(lǐng)域擴(kuò)展的特性。PXI-8106嵌入式控制器使用最新計(jì)算機(jī)技術(shù)，在PXI機(jī)箱槽位的固定尺寸中提供最高的性能以及最高的價(jià)值。它集成了硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)存、以太網(wǎng)、USB、GPIB以及其他外圍設(shè)備，提供業(yè)界最高的I/O吞吐量以及最低的延遲，還可預(yù)裝軟件和驅(qū)動(dòng)程序，完成配置，降低風(fēng)險(xiǎn)。

同步數(shù)據(jù)采集板卡PXI-143具有8路16位模擬輸入，輸入電壓范圍-5～+5 V，每通道最高采樣速率250 kS/s；8路數(shù)字輸入，軟件定時(shí)。模擬電壓輸出板卡PXI-6722可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和波形模擬輸出，具有8個(gè)DAC通道，13位分辨率，單通道時(shí)數(shù)據(jù)更新速率為800 kS/s，8通道時(shí)為每通道182 S/s，模擬電壓輸出范圍為-10～+10 V；8個(gè)數(shù)字輸入輸出通道，輸出電壓范圍為0～5 V．PXI平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)搭建如圖2所示。

圖2 PXI硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW8．6進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。結(jié)晶器振動(dòng)的實(shí)時(shí)狀況顯示在虛擬面板上，操作人員可通過(guò)人機(jī)界面發(fā)出指令，PXI收到指令后控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行指令。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)控界面設(shè)計(jì)、振動(dòng)波形程序設(shè)計(jì)、振動(dòng)位移信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)。

3．1 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控界面主要包括執(zhí)行器(液壓伺服閥)控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊、參數(shù)修改權(quán)限模塊、液壓缸振動(dòng)位移波形及速度波形顯示模塊、故障報(bào)警模塊等，監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控界面

3．2 振動(dòng)波形程序設(shè)計(jì)

3．2．1 波形生成

結(jié)晶器振動(dòng)規(guī)律主要有同步振動(dòng)、負(fù)滑振動(dòng)、正弦振動(dòng)和非正弦振動(dòng)4種。其中非正弦振動(dòng)的上升時(shí)間比下降時(shí)間長(zhǎng)，加大了保護(hù)渣消耗量，使結(jié)晶器彎月面附近的液體摩擦力減小，從而可以得到表面質(zhì)量?jī)?yōu)異的鑄坯，能滿(mǎn)足連鑄生產(chǎn)的要求[2]，所以非正弦振動(dòng)是高效連鑄的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)采用非正弦振動(dòng)波形來(lái)控制結(jié)晶器的振動(dòng)。

非正弦振動(dòng)波形函數(shù)的構(gòu)造有兩種方法，即分段函數(shù)法和整體函數(shù)法。由數(shù)學(xué)分析可知，整體函數(shù)非正弦波的加速度是連續(xù)的，不存在柔性沖擊，且加速度的變化率也是連續(xù)的，故其動(dòng)力學(xué)特性?xún)?yōu)于分段函數(shù)表示的非正弦波[3]，所以選擇整體函數(shù)非正弦波作為設(shè)定振動(dòng)波形，其位移和速度函數(shù)表達(dá)式為[4]:

S(t)=hsin[ωt-αsin(ωt)]

(1)

v(t)=h[ω-αωcos(ωt)]cos[ωt-αsin(ωt)]

(2)

式中：h為振幅，mm；ω為角頻率，rad/min；α為波形偏斜率；S為振動(dòng)位移，mm；v為速度，mm/s.

由上式可知，非正弦振動(dòng)可視為正弦振動(dòng)的演變。其相對(duì)于正弦振動(dòng)的改變程度用波形偏斜率α表示，波形偏斜率α的值越大，非正弦波形曲線與正弦波形曲線的差別越大；α越小，兩者的差別越小，可知正弦波是波形偏斜率α=0時(shí)的非正弦波的特例。振動(dòng)波形程序如圖4所示。

圖4 振動(dòng)波形生成程序

伺服閥閥芯根據(jù)控制信號(hào)不斷調(diào)整開(kāi)度，改變液壓油流速，從而改變注入液壓缸內(nèi)的油液體積，推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。此程序可在線調(diào)整各振動(dòng)工藝參數(shù)，為保證振頻、振幅、波形偏斜率等參數(shù)調(diào)整時(shí)不產(chǎn)生跳變，新設(shè)定的參數(shù)在送入波形公式前先和上一時(shí)刻的參數(shù)比較，當(dāng)差值大于設(shè)定步進(jìn)值時(shí)，則不直接輸入，而以步進(jìn)值逐漸調(diào)整。這樣可避免參數(shù)突變而造成的機(jī)械系統(tǒng)沖擊，從而保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性與平穩(wěn)性。

3．2．2 手動(dòng)/自動(dòng)功能切換

結(jié)晶器振動(dòng)頻率是連鑄工藝重要參數(shù)，它需根據(jù)生產(chǎn)的鋼種與鑄坯類(lèi)型的不同而調(diào)整。振頻與其它工藝參數(shù)的關(guān)系如下式所示：

(3)

式中：f為振動(dòng)頻率，1/min；vc為拉坯速度，m/min；h為振幅，mm；NS為負(fù)滑動(dòng)率，%。

振動(dòng)頻率既可手動(dòng)設(shè)定也可根據(jù)拉坯速度自動(dòng)設(shè)定，滿(mǎn)足線上運(yùn)行和停機(jī)調(diào)試的不同需求。為避免兩種功能在操作上可能出現(xiàn)的誤操作，用控件的屬性節(jié)點(diǎn)解決這一問(wèn)題：當(dāng)一種功能啟用時(shí)，在前面板上另一種功能的操作按鈕將被禁用且變灰。手動(dòng)/自動(dòng)切換程序如圖5所示。

圖5 手動(dòng)/自動(dòng)切換程序

3．3 振動(dòng)位移信號(hào)的采集

PXI-6143是同步數(shù)據(jù)采集卡，具有8通道模擬輸入，既可采集單端信號(hào)(共信號(hào)地)，也可采集差分信號(hào)。每通道有專(zhuān)用的ADC，消除了輸入通道之間因?yàn)楣蚕鞟DC造成的串?dāng)_以及采樣保持效應(yīng)的影響。使用DAQ采集助手配置驅(qū)動(dòng)后，可以更集成、更直接地選擇所需要采集的通道，以及采樣方式、采樣頻率、采樣幅度[5]。該系統(tǒng)使用此板卡實(shí)現(xiàn)拉坯速度信號(hào)和液壓缸位移信號(hào)的同步采集。

對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)的選擇是非常重要的，適當(dāng)設(shè)置這兩個(gè)參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著很重要的影響。根據(jù)奈奎斯特定律可知，要使采樣信號(hào)能夠恢復(fù)為原信號(hào)，采樣頻率必須大于或等于采樣信號(hào)最高頻率的兩倍，否則將會(huì)發(fā)生信號(hào)混疊。然而采樣頻率也不是越高越好，采樣頻率選擇過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)沒(méi)有足夠的空間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，造成系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。工程上采樣頻率一般設(shè)置為采樣信號(hào)最高頻率的5～10倍，有時(shí)為了能夠更好的還原波形，可以取的高一些。振動(dòng)位移采集程序如圖6所示。

圖6 振動(dòng)位移采集程序

3．4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取

為了滿(mǎn)足不同數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式和性能要求，LabVIEW提供了多種文件類(lèi)型，包括文本文件(Text Files)、表單文件(Spreadsheet Files)、數(shù)據(jù)記錄文件(Datalog Files)和TDMS文件等。其中，TDMS保存的格式為二進(jìn)制，相對(duì)十進(jìn)制占用容量小[6]，適合用來(lái)存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中會(huì)經(jīng)常用到。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以在EXCEL中使用TDMS插件打開(kāi)，該插件在安裝LabVIEW軟件時(shí)自動(dòng)安裝，也可編寫(xiě)TDMS文件讀取VI，在LabVIEW中以波形圖的形式打開(kāi)。TDMS文件讀取程序如圖7所示。

圖7 TDMS文件讀取程序

4 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)的非正弦振動(dòng)位移波形和速度波形如圖8所示，其中速度波形是對(duì)位移波形的求導(dǎo)。振動(dòng)波形頻率3 Hz，振幅3．6 mm，波形偏斜率為0．35。由非正弦波形公式推算可知，生成的振動(dòng)波形與理論計(jì)算符合。

圖8 系統(tǒng)生成的振動(dòng)波形

通過(guò)軟件設(shè)定好信號(hào)采集通道后，將一非正弦振動(dòng)信號(hào)接入，頻率3 Hz，采集到的信號(hào)如圖9所示。圖中顯示了一個(gè)周期的波形曲線，從圖中可讀出周期約為0．325 s，與原始信號(hào)波形周期0．333 s基本一致，信號(hào)噪聲也較小，較好的采集到了原波形的信息。

圖9 采集端口信號(hào)波形

圖10顯示了結(jié)晶器振幅的步進(jìn)調(diào)節(jié)。當(dāng)下一時(shí)刻設(shè)定幅值相較上一時(shí)刻有較大改變時(shí)，結(jié)晶器振幅以每個(gè)振動(dòng)周期改變0．5 mm的幅度調(diào)整，從而使振動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)過(guò)渡到新的工況。當(dāng)系統(tǒng)停止時(shí)，振幅也將以此方式逐漸減小，避免振動(dòng)臺(tái)突然停車(chē)，造成系統(tǒng)沖擊。

圖10 步進(jìn)調(diào)節(jié)設(shè)定波形

5 結(jié)束語(yǔ)

基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)了連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)波形的生成、振動(dòng)信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。該系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)便，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)集成度。

[1] 傅倬偉．連鑄結(jié)晶器運(yùn)行工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)優(yōu)化系統(tǒng)的研究：[學(xué)位論文].杭州：浙江大學(xué)，2004．

[2] 吳曉明，李憲奎，王益群，等．連鑄結(jié)晶器非正弦振動(dòng)參數(shù)及同步控制模型的研究．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1999，11(2)：19-23．

[3] 蔡開(kāi)科．連鑄結(jié)晶器．北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

[4] 涂福泉，陳奎生，楊波，等．結(jié)晶器振動(dòng)波形分析及其應(yīng)用研究．噪聲與振動(dòng)控制，2007(2)：53-54．

[5] 安軍，唐東煒，林云峰，等．基于虛擬儀器的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2009(2)：20-31．

[6] 劉正平，陳朝暉，何伯林．基于虛擬儀器的零件疲勞力學(xué)性能測(cè)試．儀表技術(shù)與傳感器，2013(10)：56-58．

Monitoring and Control System of Continuous CastingMould Vibration Based on LabVIEW

LI Wen-tao，ZHANG Dan-feng，XIAO Jun-sheng

(School of Information Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

The paper proposed a design scheme of control system of continuous casting mould vibration based on LabVIEW, introduced overall design and designs of virtual instrument panel, vibration waveform generation module and displacement data collection module. The system used PXI-6143, the synchronous data acquisition device produced by National Instruments, to realize data collection. The data were processed in LabVIEW and the control signals were exported by PXI-6722. Because of using virtual instrument, the whole design is simplied and the integration of the system improves. The testing in laboratory validates the feasibility and practicality of the scheme.

continuous casting;mould;vibration;virtual instrument

黎步銀(1966—)，教授，博士，主要從事儀器儀表等方面的研究。E-mail：libuyin@sohu．com 龔道遠(yuǎn)(1989—)，碩士，主要從事測(cè)試儀器等方面的研究。E-mail：676983291@sohu．com

包頭市科學(xué)技術(shù)局重大科技發(fā)展項(xiàng)目(2012Z1006-4)

2014-01-11 收修改稿日期：2014-11-09

TP311

A

1002-1841(2015)01-0081-03