陳建明，楊 旭

0 引言

隨著對(duì)鋼鐵行業(yè)的物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)、能量流網(wǎng)絡(luò)以及物質(zhì)流-能量流相互關(guān)系等多種過程模型認(rèn)識(shí)和研究不斷深入，第二大耗能工序?yàn)闊Y(jié)工序，主要包括鐵礦石燒結(jié)和燒結(jié)礦冷卻兩大過程。冷卻機(jī)作為燒結(jié)工序的主要余熱產(chǎn)生設(shè)備，內(nèi)部主要發(fā)生熱燒結(jié)礦與冷卻氣體的對(duì)流換熱過程。其中，燒結(jié)礦冷卻廢氣平均溫度一般在100～400℃，屬于中、低溫范疇，其總量較大，是整個(gè)燒結(jié)工序中最為重要的余熱資源之一。因此，分析不同形式的燒結(jié)礦冷卻方式及效果，加強(qiáng)燒結(jié)冷卻過程的余熱回收，對(duì)于降低燒結(jié)工序能耗具有十分重要的意義[1-3]。針對(duì)某鋼廠設(shè)計(jì)的一種新型燒結(jié)礦豎式冷卻爐，本文通過設(shè)計(jì)一套節(jié)能測(cè)試裝置，通過測(cè)量一些必要的熱工參數(shù)，計(jì)算出部分性能指標(biāo)，評(píng)價(jià)豎式冷卻爐的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)總體方案

利用傳感器采集冷卻爐運(yùn)行時(shí)的熱工參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)軟件按照建立的能耗指標(biāo)計(jì)算公式將數(shù)據(jù)處理后顯示在主界面上，并且將采集的數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)保存起來，提供給全流程耦合節(jié)能使用[4-5]。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的工作原理為：利用分布在冷卻爐的傳感器采集必要的熱工參數(shù)，通過傳感器變送器和中繼器將信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)采集卡，通過PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與PC機(jī)的通信。利用PC機(jī)上的Lab－VIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，將信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為物理量。用LabVIEW軟件編程將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將采集到的數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來，并且保存起來。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 確定測(cè)量物理量

根據(jù)建立的冷卻爐數(shù)學(xué)模型以及冷卻爐的具體結(jié)構(gòu)，將性能指標(biāo)公式分解，用可以測(cè)量的物理量表示出來，確定需要的物理量如表1所示，性能指標(biāo)計(jì)算公式詳見公式（1）~（8）.

表1 采集的熱工參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

數(shù)據(jù)采集卡選擇研華數(shù)據(jù)采集卡USB-4750和USB-4718.

USB-4750是32通道帶隔離的數(shù)字I/O數(shù)據(jù)采集卡。USB-4718是8通道熱電偶輸入數(shù)據(jù)采集卡，分辨率為16 bit，輸入范圍為4~10mA，輸入精度為0.1%.USB-4750和USB-4718為USB接口，即插即用，無需其他設(shè)備支持。研華數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)軟件擁有完整的I/O函數(shù)庫(kù)，可以支持Visual C++、Visual Basic等常用的語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)移植，具有很強(qiáng)的兼容性，方便上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行編程[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是測(cè)試系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用Lab－VIEW2015作為開發(fā)平臺(tái)，采用圖形化G語(yǔ)言編程，充分利用計(jì)算機(jī)的性能，快速處理數(shù)據(jù)[7]。

3.1 程序前面板設(shè)計(jì)

程序前面板包括三個(gè)部分，如圖1所示：

（1）圖1左側(cè)部分實(shí)時(shí)顯示采集到熱工參數(shù)模塊。圖1左側(cè)有燒結(jié)礦豎式冷卻爐結(jié)構(gòu)示意圖，結(jié)構(gòu)圖中顯示數(shù)據(jù)的位置就是采集數(shù)據(jù)的位置，可以直觀的觀測(cè)各個(gè)位置的熱工參數(shù)。

（2）在圖1右側(cè)為性能指標(biāo)顯示界面。將實(shí)時(shí)測(cè)量得到的熱工參數(shù)代入到推導(dǎo)出的性能指標(biāo)計(jì)算公式中，實(shí)時(shí)計(jì)算并且將性能指標(biāo)分類顯示。在前面板的上方有選項(xiàng)卡，可以進(jìn)入不同分類的性能指標(biāo)圖形顯示界面。

圖1 性能測(cè)試軟件前面板

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示模塊在后面板后臺(tái)運(yùn)行。測(cè)試軟件不單單是為了測(cè)試燒結(jié)礦豎式冷卻爐的性能，而且需要采集耦合節(jié)能需要的數(shù)據(jù)。

3.2 程序后面板設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件后面板主要由數(shù)據(jù)采集模塊、采樣控制模塊、電信號(hào)轉(zhuǎn)物理量模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)曲線顯示模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊組成。

3.3 數(shù)據(jù)采集與初步處理

用LabVIEW作為數(shù)據(jù)采集軟件平臺(tái)，必須要與硬件結(jié)合才能完成數(shù)據(jù)采集功能。本系統(tǒng)使用研華提供的DAQNavi軟件開發(fā)工具包來完成采集軟件和數(shù)據(jù)采集卡硬件的結(jié)合。

數(shù)據(jù)采集卡的通道不止一個(gè)，所以每次傳送給PC機(jī)的數(shù)據(jù)是所有通道的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前需要對(duì)數(shù)據(jù)采集卡傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦。由于數(shù)據(jù)采集傳送數(shù)據(jù)是以數(shù)組形式存儲(chǔ)的，所以只需將上位機(jī)接收到的數(shù)組按照通道數(shù)分解為不同數(shù)組，每個(gè)數(shù)組對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)采集卡各個(gè)通道采集到的數(shù)據(jù)。采集到數(shù)據(jù)后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波處理。數(shù)據(jù)采集卡采集到的都為電信號(hào)，還需將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為物理量。

3.4 數(shù)據(jù)處理模塊

根據(jù)燒結(jié)礦豎式冷卻爐結(jié)構(gòu)建立的標(biāo)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出的性能指標(biāo)部分公式如下所示。

燒結(jié)礦溫度火用：

鼓入空氣溫度火用：

冷卻廢氣溫度火用：

冷燒結(jié)礦溫度火用：

燒結(jié)礦顯熱：

鼓入空氣物理熱：

冷卻廢氣顯熱：

冷燒結(jié)礦顯熱：

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

為了驗(yàn)證性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，將傳感器信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集卡，在上位機(jī)上運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。1000個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)采樣周期，每次采樣后繼續(xù)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，圖1為運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)。

結(jié)果表明測(cè)試的性能指標(biāo)與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果有一定的誤差。

5 結(jié)論

本文在虛擬儀器LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)了一套可靠性強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單方便的冶金燒結(jié)數(shù)據(jù)采集以及性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某鋼鐵廠新型燒結(jié)礦豎式冷卻爐的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為新型燒結(jié)礦冷卻系統(tǒng)提供了測(cè)試平臺(tái)，并且為流程耦合技能提供了必要的數(shù)據(jù)支持。

[1]沈 勛，陳林根，夏少軍，等.豎罐式和環(huán)冷式燒結(jié)礦冷卻過程的數(shù)值模擬[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2016，46（01）：36-45.

[2]楊 博，陳林根，沈 勛，等.我國(guó)燒結(jié)過程余熱資源回收利用現(xiàn)狀與案例分析[J].鋼鐵研究，2014，42（04）：54-57.

[3]劉 英，商孟濤.LabVIEW在鋼鐵企業(yè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù)，2013，32（05）：168-169.

[4]孫毅剛，何 進(jìn).基于LabVIEW的高精度多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017（01）：96-100.

[5]劉 英，商孟濤.LabVIEW在鋼鐵企業(yè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù)，2013，32（05）：168-169.

[6]蔣永華，莫曉強(qiáng)，俞益鳴，等.基于USB的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（12）：129-132.

[7]楊高科.LabVIEW虛擬儀器項(xiàng)目開發(fā)與管理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．