基于LabVIEW的連鑄結(jié)晶器振動監(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)

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基于LabVIEW的連鑄結(jié)晶器振動監(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)晶器振動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，給出了虛擬面板、結(jié)晶器振動波形生成及振動位移采集等控制模塊的設(shè)計方法。該系統(tǒng)采用PXI-6143同步數(shù)據(jù)采集板卡實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)上位機LabVIEW軟件處理后，由PXI-6722輸出板卡實現(xiàn)控制信號的輸出。由于采用虛擬儀器技術(shù)，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，提高了集成度。實驗室調(diào)試結(jié)果驗證了該方案的可行性和實用性。

連鑄；結(jié)晶器；振動；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，其振動使連續(xù)鑄鋼成為可能。結(jié)晶器振動監(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動，其目的是便于“脫模”，防止鑄坯在凝固過程中與結(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)晶器振動工藝參數(shù)在線調(diào)整及振動過程監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)結(jié)晶器振動過程的監(jiān)測、控制、故障報警、數(shù)據(jù)記錄等功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

結(jié)晶器振動監(jiān)控系統(tǒng)可分為控制部分和監(jiān)測部分。由LabVIEW軟件編程實現(xiàn)的振動控制波形通過硬件模塊輸出至結(jié)晶器液壓振動裝置的控制器(電液伺服閥)，從而驅(qū)動振動臺有規(guī)律的動作。監(jiān)測部分實現(xiàn)對現(xiàn)場各種信號的數(shù)據(jù)采集與處理。現(xiàn)場采集的信號主要有拉坯速度信號、振動位移信號、伺服閥閥芯位移信號和反映系統(tǒng)狀態(tài)的開關(guān)量信號。通過對各種信號的在線分析，決策出最佳控制策略，從而使連鑄過程平穩(wěn)進行。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試平臺，它兼具了臺式PC性價比高的優(yōu)勢及PCI總線面向儀器領(lǐng)域擴展的特性。PXI-8106嵌入式控制器使用最新計算機技術(shù)，在PXI機箱槽位的固定尺寸中提供最高的性能以及最高的價值。它集成了硬盤驅(qū)動器、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)動程序，完成配置，降低風(fēng)險。

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。模擬電壓輸出板卡PXI-6722可實現(xiàn)靜態(tài)和波形模擬輸出，具有8個DAC通道，13位分辨率，單通道時數(shù)據(jù)更新速率為800 kS/s，8通道時為每通道182 S/s，模擬電壓輸出范圍為-10～+10 V；8個數(shù)字輸入輸出通道，輸出電壓范圍為0～5 V．PXI平臺硬件結(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

結(jié)晶器振動監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW8．6進行程序設(shè)計。結(jié)晶器振動的實時狀況顯示在虛擬面板上，操作人員可通過人機界面發(fā)出指令，PXI收到指令后控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行指令。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括監(jiān)控界面設(shè)計、振動波形程序設(shè)計、振動位移信號采集程序設(shè)計。

3．1 監(jiān)控界面設(shè)計

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、液壓缸振動位移波形及速度波形顯示模塊、故障報警模塊等，監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控界面

3．2 振動波形程序設(shè)計

3．2．1 波形生成

結(jié)晶器振動規(guī)律主要有同步振動、負滑振動、正弦振動和非正弦振動4種。其中非正弦振動的上升時間比下降時間長，加大了保護渣消耗量，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)量優(yōu)異的鑄坯，能滿足連鑄生產(chǎn)的要求[2]，所以非正弦振動是高效連鑄的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)采用非正弦振動波形來控制結(jié)晶器的振動。

非正弦振動波形函數(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，故其動力學(xué)特性優(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)定振動波形，其位移和速度函數(shù)表達式為[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為振動位移，mm；v為速度，mm/s.

由上式可知，非正弦振動可視為正弦振動的演變。其相對于正弦振動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時的非正弦波的特例。振動波形程序如圖4所示。

圖4 振動波形生成程序

伺服閥閥芯根據(jù)控制信號不斷調(diào)整開度，改變液壓油流速，從而改變注入液壓缸內(nèi)的油液體積，推動負載運動。此程序可在線調(diào)整各振動工藝參數(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刻的參數(shù)比較，當差值大于設(shè)定步進值時，則不直接輸入，而以步進值逐漸調(diào)整。這樣可避免參數(shù)突變而造成的機械系統(tǒng)沖擊，從而保證整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的連續(xù)性與平穩(wěn)性。

3．2．2 手動/自動功能切換

結(jié)晶器振動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為振動頻率，1/min；vc為拉坯速度，m/min；h為振幅，mm；NS為負滑動率，%。

振動頻率既可手動設(shè)定也可根據(jù)拉坯速度自動設(shè)定，滿足線上運行和停機調(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)點解決這一問題：當一種功能啟用時，在前面板上另一種功能的操作按鈕將被禁用且變灰。手動/自動切換程序如圖5所示。

圖5 手動/自動切換程序

3．3 振動位移信號的采集

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(共信號地)，也可采集差分信號。每通道有專用的ADC，消除了輸入通道之間因為共享ADC造成的串擾以及采樣保持效應(yīng)的影響。使用DAQ采集助手配置驅(qū)動后，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)使用此板卡實現(xiàn)拉坯速度信號和液壓缸位移信號的同步采集。

對于一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，其采樣率和采樣點數(shù)的選擇是非常重要的，適當設(shè)置這兩個參數(shù)對整個系統(tǒng)的性能有著很重要的影響。根據(jù)奈奎斯特定律可知，要使采樣信號能夠恢復(fù)為原信號，采樣頻率必須大于或等于采樣信號最高頻率的兩倍，否則將會發(fā)生信號混疊。然而采樣頻率也不是越高越好，采樣頻率選擇過高，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)沒有足夠的空間存儲數(shù)據(jù)，造成系統(tǒng)的負擔(dān)。工程上采樣頻率一般設(shè)置為采樣信號最高頻率的5～10倍，有時為了能夠更好的還原波形，可以取的高一些。振動位移采集程序如圖6所示。

圖6 振動位移采集程序

3．4 數(shù)據(jù)存儲與讀取

為了滿足不同數(shù)據(jù)的存儲格式和性能要求，LabVIEW提供了多種文件類型，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保存的格式為二進制，相對十進制占用容量小[6]，適合用來存儲海量數(shù)據(jù)，在實時系統(tǒng)中會經(jīng)常用到。存儲的數(shù)據(jù)可以在EXCEL中使用TDMS插件打開，該插件在安裝LabVIEW軟件時自動安裝，也可編寫TDMS文件讀取VI，在LabVIEW中以波形圖的形式打開。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)試驗結(jié)果

采用LabVIEW編程實現(xiàn)的非正弦振動位移波形和速度波形如圖8所示，其中速度波形是對位移波形的求導(dǎo)。振動波形頻率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，生成的振動波形與理論計算符合。

圖8 系統(tǒng)生成的振動波形

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

圖9 采集端口信號波形

圖10顯示了結(jié)晶器振幅的步進調(diào)節(jié)。當下一時刻設(shè)定幅值相較上一時刻有較大改變時，結(jié)晶器振幅以每個振動周期改變0．5 mm的幅度調(diào)整，從而使振動過程平穩(wěn)過渡到新的工況。當系統(tǒng)停止時，振幅也將以此方式逐漸減小，避免振動臺突然停車，造成系統(tǒng)沖擊。

圖10 步進調(diào)節(jié)設(shè)定波形

5 結(jié)束語

基于LabVIEW軟件開發(fā)了連鑄結(jié)晶器振動監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)結(jié)晶器振動波形的生成、振動信號的采集、數(shù)據(jù)的存儲及系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。該系統(tǒng)界面友好，操作簡便，簡化了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)集成度。

[1] 傅倬偉．連鑄結(jié)晶器運行工藝參數(shù)監(jiān)測優(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)晶器非正弦振動參數(shù)及同步控制模型的研究．鋼鐵研究學(xué)報，1999，11(2)：19-23．

[3] 蔡開科．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)晶器振動波形分析及其應(yīng)用研究．噪聲與振動控制，2007(2)：53-54．

[5] 安軍，唐東煒，林云峰，等．基于虛擬儀器的旋轉(zhuǎn)機械振動測試系統(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(1989—)，碩士，主要從事測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)展項目(2012Z1006-4)

2014-01-11 收修改稿日期：2014-11-09

TP311

A

1002-1841(2015)01-0081-03