冶煉過程噴濺特征信號采集系統(tǒng)設(shè)計

韓順杰++曾景宇++孫延平++蔡洪旺++李連峰

摘 要

本文設(shè)計了一種以LabVIEW為開發(fā)平臺的冶煉過程噴濺特征信號采集系統(tǒng)。通過對采集系統(tǒng)的硬件選型及上位機程序的設(shè)計，驗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、運行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對冶煉過程中表征噴濺特征信號的高速采集、實時顯示及信號存儲，為冶煉過程噴濺預(yù)測提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】冶煉過程 特征信號 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程中，由于冶煉溫度高，反應(yīng)激烈，AOD爐時常會發(fā)生噴濺事故。噴濺事故會造成生產(chǎn)設(shè)備的損壞，給工廠帶來巨大的經(jīng)濟損失，嚴(yán)重時甚至?xí)斐晒ぷ魅藛T的傷亡。為了預(yù)防噴濺事故的發(fā)生，需要對冶煉過程進行檢測和診斷分析。利用軟測量技術(shù)發(fā)現(xiàn)冶煉過程中的吹煉噪聲信號和氧槍振動信號可以作為表征噴濺發(fā)生的特征信號。因此，對冶煉過程中產(chǎn)生的冶煉噪聲信號和氧槍振動信號進行采集，是冶煉過程噴濺預(yù)測的前提條件。

然而，傳統(tǒng)的檢測聲音和振動信號的物理儀器檢測可靠性和準(zhǔn)確性差且成本高，在實際的應(yīng)用當(dāng)中受到了很大的制約。隨著計算機技術(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)儀器的信號采集、信號處理、信號結(jié)果輸出功能移植到計算機上，通過數(shù)據(jù)采集卡并由軟件對信號進行分析處理。本文基于LabVIEW虛擬儀器平臺設(shè)計了一套冶煉過程特征信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了冶煉過程中特征信號的采集、顯示與存儲。

1 冶煉過程噴濺特征信號采集系統(tǒng)的總體設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

采集系統(tǒng)中信號調(diào)理模塊配合音頻傳感器與振動傳感器，進行聲音和振動信號的檢測與信號調(diào)理。數(shù)據(jù)采集模塊對傳感器信號進行高速采集。數(shù)據(jù)采集卡通過PCI接口與工控機相連接，構(gòu)成采集系統(tǒng)的硬件平臺，利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺構(gòu)建采集系統(tǒng)的上位機管理系統(tǒng)。

2 采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 音頻傳感器

在對冶煉工藝的研究中發(fā)現(xiàn)冶煉過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，本采集系統(tǒng)選擇了UPERLUX（超樂仕）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的音強信號的同時還能夠遠離AOD爐體，以避免麥克受冶煉過程的高溫影響。該傳感器的優(yōu)點是只接受某一方向上的音強信號，這樣在冶煉過程中和噴濺無關(guān)的音強信號就盡可能少地傳到數(shù)據(jù)采集卡里。

2.2 振動傳感器

冶煉過程中時段不同，爐體振動變化情況也不同。通過軟測量技術(shù)得知振動信號能夠表征噴濺。本采集系統(tǒng)在氧槍上安裝了兩個振動傳感器，它們互成九十度，相互垂直，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)水平和垂直兩個方向的振動信號采集。綜合考慮振動傳感器重量、頻率響應(yīng)和靈敏度性能、現(xiàn)場環(huán)境溫度要求以及測試數(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)場振動數(shù)據(jù)的采集。

2.3 信號調(diào)理模塊

調(diào)理模塊的作用是確保采集到的信號是精確保真的，同時具有信號放大的功能，它是連接工控機和傳感器的橋梁。調(diào)理電路由直流信號壓縮電路、信號隔直電路、交流信號濾波電路、交流信號放大電路、信號疊加電路等組成。經(jīng)過調(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設(shè)備中自動采集信號，為利用計算機進行數(shù)據(jù)采集帶來了方便。數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計是以計算機總線技術(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，該采集卡功能強大，采樣速率能夠達到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

3.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是使用圖形語言進行程序編寫的開發(fā)環(huán)境。傳統(tǒng)編程語言，如C/C++語言、VB或Java語言都是以文本方式進行程序的編寫，而LabVIEW采用的是G語言，也稱為圖形編程語言，采用G語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)計任務(wù)。

3.2 噴濺特征信號采集流程

采集系統(tǒng)使用LabVIEW2014進行采集程序的設(shè)計，可實現(xiàn)冶煉過程中音頻信號和振動信號的采集、顯示和存儲。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

程序框圖中的控件是和前面板的相應(yīng)控件所對應(yīng)的，程序框圖是源程序，用來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現(xiàn)噪聲信號和兩路振動信號的采集，下半部分實現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)的顯示和存儲。

3.4 特征信號波形顯示

在虛擬儀器的前面板設(shè)計中，信號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程中傳感器采集的振動信號和聲音信號波形變化。圖4是音頻傳感器采集到的聲音信號，圖5和圖6是兩個振動傳感器采集到的振動信號。

3.5 特征信號的存儲

該采集系統(tǒng)還具備將采集到的特征信號進行存儲的功能，方便研究人員離線對信號進行分析和處理。本系統(tǒng)是利用LabVIEW2014自帶的存儲模塊進行數(shù)據(jù)的存儲的，軟件提供了很多類型的數(shù)據(jù)存儲格式供設(shè)計人員使用，例如二進制文件，文本文件，數(shù)據(jù)存儲文件及TDMS文件等格式。本系統(tǒng)采用的是TDMS格式進行數(shù)據(jù)的存儲。TDMS最大優(yōu)點就是其在保持著數(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

冶煉過程噴濺特征信號采集系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺，利用了虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了冶煉過程中對聲音信號和振動信號的采集，實時波形顯示及存儲。經(jīng)過多次的重復(fù)試驗，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。通過對采集到的信號進行分析，能夠及時了解AOD爐的實時工作狀態(tài)，為有效檢測和預(yù)防噴濺提供了條件。

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作者簡介

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

作者單位

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