韓順杰++曾景宇++孫延平++蔡洪旺++李連峰

摘 要

本文設(shè)計(jì)了一種以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)的冶煉過(guò)程噴濺特征信號(hào)采集系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)采集系統(tǒng)的硬件選型及上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了虛擬儀器在采集系統(tǒng)構(gòu)建上的有效性。該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)冶煉過(guò)程中表征噴濺特征信號(hào)的高速采集、實(shí)時(shí)顯示及信號(hào)存儲(chǔ)，為冶煉過(guò)程噴濺預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】冶煉過(guò)程 特征信號(hào) 采集系統(tǒng) LabVIEW

在冶金行業(yè)中，氬氧精煉法被廣泛采用。但在鐵合金的冶煉過(guò)程中，由于冶煉溫度高，反應(yīng)激烈，AOD爐時(shí)常會(huì)發(fā)生噴濺事故。噴濺事故會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備的損壞，給工廠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐晒ぷ魅藛T的傷亡。為了預(yù)防噴濺事故的發(fā)生，需要對(duì)冶煉過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)和診斷分析。利用軟測(cè)量技術(shù)發(fā)現(xiàn)冶煉過(guò)程中的吹煉噪聲信號(hào)和氧槍振動(dòng)信號(hào)可以作為表征噴濺發(fā)生的特征信號(hào)。因此，對(duì)冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的冶煉噪聲信號(hào)和氧槍振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，是冶煉過(guò)程噴濺預(yù)測(cè)的前提條件。

然而，傳統(tǒng)的檢測(cè)聲音和振動(dòng)信號(hào)的物理儀器檢測(cè)可靠性和準(zhǔn)確性差且成本高，在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中受到了很大的制約。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了有別傳統(tǒng)儀器的虛擬儀器。虛擬儀器將傳統(tǒng)儀器的信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)結(jié)果輸出功能移植到計(jì)算機(jī)上，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡并由軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。本文基于LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套冶煉過(guò)程特征信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了冶煉過(guò)程中特征信號(hào)的采集、顯示與存儲(chǔ)。

1 冶煉過(guò)程噴濺特征信號(hào)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

采集系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理模塊配合音頻傳感器與振動(dòng)傳感器，進(jìn)行聲音和振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)與信號(hào)調(diào)理。數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行高速采集。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PCI接口與工控機(jī)相連接，構(gòu)成采集系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建采集系統(tǒng)的上位機(jī)管理系統(tǒng)。

2 采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 音頻傳感器

在對(duì)冶煉工藝的研究中發(fā)現(xiàn)冶煉過(guò)程中的噪聲主要有四種，為了能夠采集到主要表征噴濺的噪聲信號(hào)，本采集系統(tǒng)選擇了UPERLUX（超樂(lè)仕）PRA—118L超高指向性專業(yè)槍式電容麥克。該傳感器在接受固定方向傳來(lái)的音強(qiáng)信號(hào)的同時(shí)還能夠遠(yuǎn)離AOD爐體，以避免麥克受冶煉過(guò)程的高溫影響。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是只接受某一方向上的音強(qiáng)信號(hào)，這樣在冶煉過(guò)程中和噴濺無(wú)關(guān)的音強(qiáng)信號(hào)就盡可能少地傳到數(shù)據(jù)采集卡里。

2.2 振動(dòng)傳感器

冶煉過(guò)程中時(shí)段不同，爐體振動(dòng)變化情況也不同。通過(guò)軟測(cè)量技術(shù)得知振動(dòng)信號(hào)能夠表征噴濺。本采集系統(tǒng)在氧槍上安裝了兩個(gè)振動(dòng)傳感器，它們互成九十度，相互垂直，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)水平和垂直兩個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)采集。綜合考慮振動(dòng)傳感器重量、頻率響應(yīng)和靈敏度性能、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度要求以及測(cè)試數(shù)據(jù)高保真度，本系統(tǒng)選用ULT20系列內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器，能充分完成現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊

調(diào)理模塊的作用是確保采集到的信號(hào)是精確保真的，同時(shí)具有信號(hào)放大的功能，它是連接工控機(jī)和傳感器的橋梁。調(diào)理電路由直流信號(hào)壓縮電路、信號(hào)隔直電路、交流信號(hào)濾波電路、交流信號(hào)放大電路、信號(hào)疊加電路等組成。經(jīng)過(guò)調(diào)理電路才能將精確、保真、放大的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集卡，方便用戶分析。本系統(tǒng)選用阿爾泰公司研發(fā)生產(chǎn)的S1103作為信號(hào)調(diào)理模塊。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集能夠從傳感器或者其它待測(cè)設(shè)備中自動(dòng)采集信號(hào)，為利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集帶來(lái)了方便。數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)總線技術(shù)為依據(jù)的。本系統(tǒng)選用研華公司生產(chǎn)的PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡功能強(qiáng)大，采樣速率能夠達(dá)到250K/s，采集卡自帶FIFO緩沖器，具有16路單端和8路差分模擬量的輸入方式，2個(gè)16位數(shù)模輸出通道和16位數(shù)字量輸出/輸入通道。該采集卡能夠滿足本采集系統(tǒng)的要求。

4 采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是使用圖形語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫的開發(fā)環(huán)境。傳統(tǒng)編程語(yǔ)言，如C/C++語(yǔ)言、VB或Java語(yǔ)言都是以文本方式進(jìn)行程序的編寫，而LabVIEW采用的是G語(yǔ)言，也稱為圖形編程語(yǔ)言，采用G語(yǔ)言使編程的效率得到提高。LabVIEW自身包含大量的范例程序供開發(fā)人員參考，利用這些范例能夠完成絕大多數(shù)設(shè)計(jì)任務(wù)。

3.2 噴濺特征信號(hào)采集流程

采集系統(tǒng)使用LabVIEW2014進(jìn)行采集程序的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)冶煉過(guò)程中音頻信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的采集、顯示和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖2所示。

3.3 后面板程序框圖設(shè)計(jì)

程序框圖中的控件是和前面板的相應(yīng)控件所對(duì)應(yīng)的，程序框圖是源程序，用來(lái)控制和操縱定義在前面板上的控件以及輸入和輸出的功能。采集系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示。程序的上半部分主要實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)和兩路振動(dòng)信號(hào)的采集，下半部分實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。

3.4 特征信號(hào)波形顯示

在虛擬儀器的前面板設(shè)計(jì)中，信號(hào)波形顯示是很重要的內(nèi)容。LabVIEW軟件工具包提供了很多數(shù)據(jù)圖形化顯示控件供研發(fā)人員使用，本系統(tǒng)中研究人員就能直觀的觀察冶煉過(guò)程中傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)和聲音信號(hào)波形變化。圖4是音頻傳感器采集到的聲音信號(hào)，圖5和圖6是兩個(gè)振動(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)。

3.5 特征信號(hào)的存儲(chǔ)

該采集系統(tǒng)還具備將采集到的特征信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)的功能，方便研究人員離線對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理。本系統(tǒng)是利用LabVIEW2014自帶的存儲(chǔ)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的，軟件提供了很多類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式供設(shè)計(jì)人員使用，例如二進(jìn)制文件，文本文件，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件及TDMS文件等格式。本系統(tǒng)采用的是TDMS格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。TDMS最大優(yōu)點(diǎn)就是其在保持著數(shù)據(jù)良好邏輯結(jié)構(gòu)（TDM的三層結(jié)構(gòu)）和良好的數(shù)據(jù)管理的前提下，還能保持著高速的性能。

4 結(jié)論

冶煉過(guò)程噴濺特征信號(hào)采集系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，利用了虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了冶煉過(guò)程中對(duì)聲音信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的采集，實(shí)時(shí)波形顯示及存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)多次的重復(fù)試驗(yàn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，能夠及時(shí)了解AOD爐的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，為有效檢測(cè)和預(yù)防噴濺提供了條件。

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作者簡(jiǎn)介

韓順杰（1972-），女，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授博士學(xué)位。現(xiàn)為電氣教研室主任。

作者單位

長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 吉林省長(zhǎng)春市 130000