基于Transformer模型的串聯(lián)諧振中頻爐熔煉溫度測(cè)量

麻士峰 李艷萍

摘? 要： 針對(duì)中頻爐熔煉過程中傳統(tǒng)測(cè)溫方法的弊端，利用金屬在熔煉過程中電阻率會(huì)隨著溫度的改變而變化的性質(zhì)，提出利用Transformer模型來連續(xù)測(cè)量中頻爐熔煉溫度。對(duì)中頻爐的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)電路采集爐料溫度和諧振回路的電壓、電流等數(shù)據(jù)，推算出電路的等效電阻，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用Transformer模型進(jìn)行訓(xùn)練以及性能評(píng)估，實(shí)時(shí)測(cè)量出中頻爐的熔煉溫度。

關(guān)鍵詞： 中頻爐； Transformer模型； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 熔煉溫度測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP399? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2023）09-01-05

Melting temperature measurement of series resonant medium frequency

furnace based on Transformer model

Ma Shifeng， Li Yanping

（School of Information and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan， Shandong 250000， China）

Abstract： In view of the disadvantages of traditional temperature measurement methods in the process of medium frequency furnace melting， Transformer model is proposed to continuously measure the melting temperature of medium frequency furnace by taking advantage of the property that the resistivity of metal will change with the temperature during the melting process. The circuit structure of the medium frequency furnace is analyzed， and a data acquisition system is built. The data such as the temperature of the furnace charge and the voltage and current of the resonant circuit are collected， and the equivalent resistance of the circuit is calculated. The collected data is trained using the Transformer model to evaluate its performance， so as to measure the melting temperature of the medium frequency furnace in real time.

Key words： medium frequency furnace; Transformer model; data acquisition system; melting temperature measurement

0 引言

隨著冶金行業(yè)的不斷發(fā)展，中頻爐憑借其熔煉效率高，元素?zé)龘p少，溫度易控制，操作方便，污染小等優(yōu)點(diǎn)，成為冶金的重要手段[1-2]。為了迅速有效地去除金屬中的雜質(zhì)，加快爐料熔化，減少噴濺，提高爐齡，節(jié)約熔煉消耗的能源[2]，就需要控制爐料溫度，而控制爐料溫度的根本是準(zhǔn)確測(cè)量溫度。

近年來，冶煉工廠中用于中頻爐爐料的測(cè)溫方法主要有熱電偶、紅外輻射測(cè)溫等[3]，其中，熱電偶不能夠進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫、壽命有限；紅外輻射測(cè)溫技術(shù)對(duì)環(huán)境要求極高，不同環(huán)境下的測(cè)溫會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，對(duì)爐體的也有一定的要求。隨著科技的快速發(fā)展，熔煉測(cè)溫的方法也逐步走向智能化[4-11]。中頻爐的耗電量不可小覷，在熔煉期間，需要不斷地測(cè)量爐料溫度，調(diào)整中頻爐的工作頻率，實(shí)現(xiàn)用最小的電能達(dá)到最佳的熔煉效果。

本文首先介紹串聯(lián)諧振式中頻爐的電路原理、溫度對(duì)金屬電阻率的影響，并對(duì)中頻爐的電路模型做了仿真驗(yàn)證，搭建了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)，對(duì)諧振回路電壓、諧振回路電流及中頻爐爐料溫度進(jìn)行了采集，并通過Transformer模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將模型測(cè)量溫度與實(shí)際測(cè)量溫度做了比較，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的功能。

1 原理簡(jiǎn)介

1.1 串聯(lián)諧振式中頻爐原理

串聯(lián)諧振式中頻爐的電路模型如圖1所示，由三相交流電作為供電電源，通過一個(gè)橋式整流電路，把50Hz工頻交流電整流成直流電，再經(jīng)濾波器（電抗器LDC）濾波，然后經(jīng)逆變器（SCR1-4）將直流電逆變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流電供給負(fù)載。其中負(fù)載電路包括電容、電感、電阻，電感由感應(yīng)線圈組成，這里的感應(yīng)線圈和爐料等效為互感耦合，感應(yīng)線圈、電阻、電容組成初級(jí)回路，爐料作為次級(jí)回路。

1.2 溫度對(duì)金屬電阻率的影響

電阻率是反映導(dǎo)體導(dǎo)電性能好壞的物理量。金屬在加熱的過程中，由于溫度不斷變化，導(dǎo)致其電阻率呈現(xiàn)一種非線性的變化趨勢(shì)[12-13]，如圖2所示。根據(jù)金屬電阻率隨溫度變化的這種關(guān)系，本文提出在金屬熔煉過程中通過找到溫度和電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來測(cè)算熔煉過程中爐料溫度的方法。

1.3 中頻爐電路模型仿真驗(yàn)證

根據(jù)不同溫度下金屬電阻隨溫度變化而變化的原理，在Multisim上搭建了如圖3所示的中頻爐的硬件仿真電路，其中T1為中頻爐上的線圈，圈數(shù)為24圈，該圈數(shù)為某串聯(lián)諧振式中頻爐實(shí)測(cè)圈數(shù)。在T1的次級(jí)線圈串聯(lián)了一個(gè)最大阻值為10mΩ的滑動(dòng)變阻器，通過改變滑動(dòng)變阻器阻值的方法模擬金屬在不同溫度下阻值的改變，以此來觀察電阻改變對(duì)中頻爐線路的數(shù)據(jù)影響。隨機(jī)改變次級(jí)回路中滑動(dòng)變阻器0.001mΩ阻值后的數(shù)據(jù)變化，初級(jí)回路電流變化了0.4A，電壓變化了1V，回路的數(shù)據(jù)發(fā)生了非常明顯的變化，故通過仿真可以看出通過電阻反映溫度是可以實(shí)現(xiàn)的。

2 Transformer模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)的采集

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建

在諧振時(shí)，L與C上的電壓[VL0.]與[Vc0.]大小相等，相位相差180°，說明經(jīng)過諧振電壓[Vs.]等于[R]上的電壓降[VR.]。由于諧振回路的通頻帶對(duì)外加電壓具有選頻作用，經(jīng)過逆變器的輸入電壓，實(shí)際上只有其基波分量在發(fā)揮作用，其余的諧波都被過濾，故基波分量就是諧振回路電壓[Vs.]，然后測(cè)量諧振回路的電流[I0.]，通過電壓與電流求得R。

2.1.1 諧振回路輸入電壓的采集與處理

串聯(lián)諧振電路的輸入電壓很大，無法直接采集，本文將兩個(gè)串聯(lián)在一起的無感精密高壓電阻R1和R2，并聯(lián)到諧振回路上，如圖4所示，測(cè)試的中頻爐額定電壓Us為750V，R1阻值設(shè)定為1KΩ，R2阻值設(shè)定在100KΩ。

頻爐工作時(shí)，R1兩端電阻電壓可以由式⑴得到。

[UR1=UsR1+R2]? ⑴

將R1兩端接入隔離運(yùn)放AD210BN，對(duì)其進(jìn)行隔離，AD210電壓跟隨器隔離電路如圖5所示。

對(duì)輸出Vout設(shè)計(jì)AD采樣電路，對(duì)采樣得到的電壓信號(hào)Vout做離散傅里葉變換，取基波分量U0后，實(shí)際的諧振電壓Us和基波分量U0可以用式⑵得到。

[Us=U0R1*（R1+R2）]? ⑵

2.1.2 諧振回路電流的采集

為了滿足本文電流采集的電氣需求，選擇采用穿心式電流互感器，在互感器輸出端接入負(fù)載電阻R3，并對(duì)其進(jìn)行隔離，防止電流流入采樣模塊造成結(jié)果誤差。對(duì)R3上的電壓值進(jìn)行采樣，流程圖如圖6所示。

隔離模塊電路如圖7所示，將電阻R上端輸入作為隔離模塊的輸入電壓Vin，運(yùn)用LMV321運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)隔離電路，目的是隔離作用，防止電流互感器輸出的電流流經(jīng)別處，對(duì)采樣結(jié)果產(chǎn)生誤差。

對(duì)于諧振回路中電流的計(jì)算，同樣中頻爐在運(yùn)行時(shí)只有基波分量作用于諧振回路，故對(duì)采樣得到的電流信號(hào)IR做離散傅里葉變換，得到基波電流幅值I0后，作用于諧振回路的電流有效值I和基波電流幅值I0之間的關(guān)系可以用式⑶表示：

[I=MAXI02*4000]? ⑶

在采集到經(jīng)過逆變器后的電壓信號(hào)[Vs.]和初級(jí)回路電流信號(hào)[I0?]后，根據(jù)電壓電流關(guān)系求出回路的總電阻R。

2.2 料溫度數(shù)據(jù)采集

中頻爐在冶煉過程中的溫度高達(dá)1600℃，本文選擇了S型鉑銠熱電偶搭配溫度變送器進(jìn)行溫度測(cè)量。鉑銠熱電偶的溫度測(cè)量范圍為0-1800℃，溫度變送器將鉑銠熱電偶輸出的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成0-5V電壓信號(hào)輸出，溫度和電壓之間呈線性變化。

2.3 AD采樣模塊設(shè)計(jì)

采樣模塊需要同時(shí)采集諧振回路電流、諧振回路電壓、溫度電壓參數(shù)三個(gè)值，且采樣精度要求高，本文選擇了AD7606采樣芯片，具有8路同步采樣輸入以及16位分辨率的超高性能，雙極性模擬輸入范圍±10V、

±5V，單電源5V供電，模擬輸入阻抗可達(dá)1MΩ。AD7606采樣模塊PCB原理圖如圖8所示。

利用ADR421ARZ芯片，輸入5V產(chǎn)生2.5V電壓供給AD7606作為基準(zhǔn)電壓?？梢酝瑫r(shí)對(duì)8路信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣率設(shè)置在20KHZ，采樣速度快，精度高。AD7606采樣模塊實(shí)物圖如圖9所示。

3 利用Transformer模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

本文的數(shù)據(jù)處理運(yùn)用Transformer模型，利用該模型的注意力機(jī)制，將溫度和電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。本文采集了工作頻率為1KHZ串聯(lián)諧振中頻爐9000組等效電阻及溫度數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

Transformer模型包含兩部分：編碼器和解碼器[14]。首先，模型對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)詞嵌入操作，然后輸入到編碼器層，自注意力處理完數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)送給前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算可以并行，得到的輸出會(huì)輸入到下一個(gè)編碼器。

在Transformer的編碼器層中，數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過自注意力模塊得到加權(quán)之后的特征向量Attention（Q，K，V），計(jì)算出三個(gè)新的向量，向量的維度是512維，這三個(gè)向量是用詞嵌入向量與一個(gè)矩陣相乘得到的，矩陣是隨機(jī)初始化的，維度為（64，512），第二個(gè)維度和詞嵌入的維度一樣，其值在BP的過程中會(huì)一直更新，得到的這三個(gè)向量的維度是64低于詞嵌入維度的。

其中輸入由維度為dk的查詢向量q和鍵向量k以及維度為dk的值v組成。接著計(jì)算q與所有鍵的點(diǎn)積，再除以[d1/2k]，并應(yīng)用Soft-max函數(shù)來獲得這些值的權(quán)重。在實(shí)際應(yīng)用中，一組q的注意力函數(shù)將被同時(shí)計(jì)算，這些q被打包到一個(gè)矩陣Q中，k 和v也被打包到矩陣K和V中。計(jì)算輸出矩陣可以用式⑷表示。

[AttentionQ，K，V=soft max（QKTd1/2k）V]? ⑷

之后它會(huì)被送到編碼器的下一個(gè)模塊，即全連接層。其線性激活函數(shù)，可以表示為?：

[FNN=max0，ZW1+b1W2+b2]? ⑸

解碼器和編碼器的不同之處在于解碼器多了一個(gè)“Encoder-Decoder Attention”，兩個(gè)Attention分別用于計(jì)算輸入和輸出的權(quán)值。模型訓(xùn)練好后，取另一部分?jǐn)?shù)據(jù)做數(shù)據(jù)集做性能評(píng)估。

4 爐料溫度推算系統(tǒng)的搭建

對(duì)采集到的溫度、電阻數(shù)據(jù)用模型訓(xùn)練完成后，將在中頻爐上搭建的電阻采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后實(shí)時(shí)導(dǎo)入到模型中，進(jìn)行溫度測(cè)量系統(tǒng)的搭建，具體流程框圖如圖10所示。

首先，利用已搭建的等效電阻采集系統(tǒng)，待中頻爐運(yùn)行后，對(duì)電壓以及電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，推測(cè)出當(dāng)前的等效電阻，并將推測(cè)出的等效電阻值導(dǎo)入模型中運(yùn)行，測(cè)量出當(dāng)前的溫度值，并利用上位機(jī)將其實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。

5 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)劣，在該系統(tǒng)測(cè)算溫度的同時(shí)，用熱電偶對(duì)中頻爐進(jìn)行溫度測(cè)量，將測(cè)算溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度數(shù)據(jù)記錄下來，做成曲線圖如圖11所示。

從圖11可以看出，實(shí)際的溫度數(shù)據(jù)與測(cè)算的溫度數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，大體一致，為了便于觀察，從6mΩ所在位置的兩組數(shù)據(jù)開始，每隔2mΩ取一組數(shù)據(jù)得到表1所示數(shù)據(jù)，通過表1的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，實(shí)際數(shù)據(jù)與測(cè)算數(shù)據(jù)之間有±5℃的誤差，在冶煉行業(yè)中，溫度的跳躍范圍大，該誤差在可接受范圍內(nèi)。出現(xiàn)該誤差的原因是沒有對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以及溫度采集和電阻采集時(shí)可能出現(xiàn)時(shí)間上的偏差。

6 結(jié)束語

本文利用利用金屬在熔煉過程中電阻率會(huì)隨著溫度的改變而發(fā)生變化的這一特性。設(shè)計(jì)了一種可以連續(xù)測(cè)量中頻爐爐料溫度的方法。為了能夠采集等效電阻數(shù)據(jù)，搭建了爐料電阻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，首先通過該系統(tǒng)采集諧振電壓和諧振電流，以此來推測(cè)出中頻爐爐料在初級(jí)電路中的等效電阻，在采集等效電阻數(shù)據(jù)的同時(shí)，采集爐料相對(duì)應(yīng)的溫度，然后運(yùn)用Transformer模型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，通過已經(jīng)搭建好的爐料電阻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集爐料在初級(jí)回路中的等效電阻，并將采集到的電阻數(shù)據(jù)上傳至Transformer模型，得出當(dāng)前中頻爐的爐料溫度，經(jīng)驗(yàn)證，得到的溫度可靠性極高。

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