连铸结晶器振动在线监测系统的研制

针对传统检测 方式存 在 的不 足 ， 出一种 基 于超 提
在 与正弦振 动有相 同值 的前 提下 ， 结 晶器在上 升过 使 程 中具有 比下降时 间更长 的振动波形 。由于振动参 数设 置不合理 ， 或在水平方 向振动较大 ， 会导致钢坯表
面拉裂甚至漏钢事故 ， 因此 ， 开发一种有效 的结 晶器 振 动在线监测 系统是非 常必要 的。
１ 结 晶器振 动 检测 方式
结 晶器振动控制 的精度 与稳 定性是保 障连铸机稳
度和位移波 形 。所 有 参数 都 和实 时 的振 幅与 振频 有
关 。因此 ， 对这个参数进行实时监测是非常必要 的 。
修 改稿 收到 日期 ： １ ２ ０—０ ２ 。 ０ ８— １
２ 在 线监 测 系统 的实现
李倍 至
（ 浙江 大学机 械 工程 学 系’浙 江 杭 州 ，
互部
邪 傻
３０２ ） １０７
３０２ ； 州谱诚 科技 有 限公 司 浙 江 杭 州 １０７ 杭 ，
摘
要 ：在连铸 生产 过程 中 ， 了精确同 节结 晶器 振 动参 数 、 高钢 坯 质 量 ， 为 提 利用 加 速 度 信号 的双 重 积分 获 得 结 晶 器振 动 参 数 的 方
其 自动 化专 业 ， 士 学位 ， 教授 ； 要 从 事 工 业检 测 、 入 式 系统 应 获博 副 主 嵌
用 的研 究。
５ ２
连铸结晶器振 动在 线监测系统的研 制 采集 系统 由加速度传 感器 、 号调理 模块 和积 分模块 信
构成 。监测系统结构框 图如 图 １ 所示。
２ ０Ｖ ２
测需制作 三方 向相 互垂直 的基准 块 ， 并将 传感 器安 装
少 了拉坯摩擦 阻力 和黏结 的可 能 ， 障连铸 得 以顺利 保
进行 。实践表明 ， 采用非 正 弦振动 波形 比较符 合生 产需要 。非 正弦振动是指 结 晶器在 振动 时 ， 位移量 其
在 固定基 座上 ， 测量安 装难度 ： 且 由于传 感器探 头 赶， 裸露， 检测结果受 现场环 境影响较大。
ｊ １： ｌ （ｔ） ２ ｏ
１＋（ ）
ｏ ｔ
除高频信号 ， 通过高通 滤波 消除地 面振动 等原 因引起
的超低频干扰 。加速度信号调理 电路如 图 ２所示。
（） ４
巴特沃斯滤波器 ， 以滤除低频漂移及高频噪声。 ２ ２４ 滤波器相位补偿 的实现 ．．
示、 历史数据管理 、 自动报表打印等 ； 同时 ， 接人现场铸 坯拉速信号 ， 与振 动速度 检测结 果进行 对 比分析 ， 获得 负滑脱 时间 、 负滑脱率 和振痕间距 等振 动参数 。
２ ２ 数 据 采集 模 块 设 计 ．
戈 ＝ 一 －ｍ ￣
加速度 传感 器负责采 集超低 频 的振动信 号 ； 号 信 调理模 块可将振动信号转 化成电压模式 下的加速度信
号； 积分模块分别 通过一次 积分 和二次 积分 获得速度
ｏ Ｓｔ ＋ ｔ Ｏ（ ｔ ）＋ １＋ ２ ｈ ｔ Ｃ ｏ Ｃ Ｃ ＋ （） ｔ
（） ２
＝一 ｓ （ ｔ ） ÷Ｃ Ｃ ＋ （） （ ） ｉ ｔ ＋ ＋ １ ＋ ２ ｓｔ ｎｏ ｔ ｔ ３
李培玉 ， 等
数据采集卡是将模拟信号转换成 数字信号 的关键
设备 ， Ｉ Ｎ 公司的 Ｐ Ｉ ０ ４型 Ｄ Ｑ卡是基于 Ｐ Ｉ Ｃ－ １ ６ Ａ Ｃ 总线 的
电控模 二 ＝ 赫 源制块 黻
１ ６位多功能数据采集卡 ， 其最高采样 速率为 ２０ｋ／ ， ０ Ｓ ｓ 可通过 自带的驱动程序 与工控 机进 行通信。该数据采 集卡传输数据精确度 高、 数字 化误差小 ， 能够满 足结晶
２ ２ １ 信号调理 电路设计 ．．
信号调理 电路 的主要功 能是将传感器信 号转变 为
可被采集卡识别 的电压信号 ， 同时 ， 利用抗混叠滤波 滤
由于滤波器的引入 ， 然带来 原信 号波形 的相位 必 畸变 ， 非正弦信号严 重失真 。以 四阶巴特沃斯 低通 使 滤波器 为例 ， 其传递 函数 为 ：
利用结 晶器振动在线监测软件对数据进行实时波形显
噪声信号 。同时 ， 由于加速度传感器存在零点误差 ｃ，
积分后在速度波形 中为一次 函数 ， 移波形 中为 二次 位 函数 ， 会导致严重信号漂移 。因此在积分后 ， 根据结 晶 器振动工作范 围， 加入频率范 围为 ０ ２～ ０Ｈ ． ５ ｚ的四阶
连铸结晶器振动在线监测 系统 的研制 李培 玉 。 等
连 铸 结 晶器 振 动 在 线 监 测 系统 的研 制
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ Ｄｅ ｅｌｐｍｅｎ ｆｔ ｅ Ｏｎｉｅ Ｖｉｒｔ ｏ ｉ ｒ ｇ Ｓ ｓｅ ｓ ａｃ ｎ ｖ ｏ ｔｏ ｈ ｌ ｂ ａ ｉ Ｍ ｎｔ ｉ ｙ ｔ ｍ ｎ ｏｎ ｏ ｎ ｆ ｒＣｏ ｔ ｕ ｓ Ｃａ ｔｎ ｏｌ ｏ ｎ ｉ ｏｕ ｓ ｉｇ Ｍ ｄ ｎ
定 运行和安全高效 生产 的前提 。 目前 ， 结 晶器 振 对 动的幅度 、 频率 、 波形及偏振状况等参数进行准确测量 与记录的主要方法有 ： ①人工检测 ； ②监测油缸行程或
电动缸的旋转角度 ； ③位移传感器检测振动 ； ④加速度
传感器检测振动 。人工检测采用千分尺测量振动 台相 对于基座 的位移 、 秒表 测量 频率 ， 量精 度低 、 测 可获取 的振动参数值少 ， 能用 于在线 监测 。位 移传感 器监 不
器振动在线监测系统要求的精度。 ２ ２ ３ 积分模块设计 ．． 积分模块 由积分 电路 、 四阶巴特沃斯 滤波 器及相
交 流 电源
— ＩＩ、 块ｌ 抗叠波 积模 ｌ 混滤 １ 分
信 —１
多通 道 ｌ位数 据采 集卡 ６ 工 控 机
号
结晶器 振动 在线 监测 软件
２ １ 系统构架设计 ． 监测系统 由数据采集系统和监测软件组成 。数据
Ｐ ＲＯＣＥＳ Ｓ ＡＵＴＯＭ ＡＴ ＯＮ ＮＳ Ｉ Ｉ ＴＲＵＭ Ｅ ＮＴＡＴＩ ＯＮ １３ ． ｕｙ ２ １ Ｖｏ． ２ Ｎｏ ７ Ｊ ｌ ０ １
第 一作 者李培 玉 ， ，９６年 生 ， ９ 男 １６ １ ７年毕 业 于浙 江大 学机械 制 造及 ９
低频 、 高精度加速 度传感 器 的在线 监测技 术 。该监 测 技 术将传 感器放置在结 晶器振 动 台上 ， 使传 感器 随振 动台共同振动 ， 而直 接获 得振动 台加 速度信 号 。同 从 时， 通过积分模块获得速度和位移信号 ， 并利用相位补 偿 电路对积分器引入 的相位 畸变进 行相 位补偿 ， 还原 非正弦振动的波形 ， 获得精确的结 晶器振动加速度 、 速
ｓａ ｓＩ ｙ ａ ｏ ｔｎ ｕ ｌ ｎｅ ｒ ｔ ｎ ｏ ｃ ｅｅａｉｎ ｓｇ ａ ｏ ｏ ｔｉ ｉｒｔｏ ｒ ｍｅｅ ｓｏ ｈ ｌ ｎ ｅ ｅｏ ｅ ｒａ—ｉ ｎｔｒｎ ｙ — ｌｂ ｂ ｄ ｐ ｉｇｄｏ ｂ ｅｉ ｔｇａｉ ｆａ ｃ ｌｒｔ ｉｎ ｌｔ ｂａｎ ｖｂａｉｎ ｐａａ ｔｒ ｆｔ ｅｍｏｄ ａ ｄ ｄ ｖ ｌｐ ｔ ｅ ｌｔｍｅｍｏ ｉ ｉ ｇｓ ｓ ｏ ｏ ｈ ｏ
０ ｓ （ｏ＋ ） ｌ ｇ ｔ ２ ｎ ｔ ． ｉ ｔ ＋ｃ ＋ （）
（） １
图 １ 监 测 系统 结 构 框 图
Ｆ ｇ １ Ｓｒ ｃｕ ｅ ｏ ｅ ｍｏ ｉ ｒ ｇ ｓ ｓｅ ｉ ． ｔ ｔｒ ｆｔ ｎ ｔ ｉ ｙ ｔ ｍ ｕ ｈ ｏｎ
经一次积分可 以获 得速度 信号 ， 次 积分可 以获 再 得结 晶器 的振幅 ， 函数表达式如下 ： 其
ｍｏ ｉ ｒｎ ｅ ｕｉｅ ｎｓｉ ｏ ｔｎ ｏ ｓｃ ｓｉｇ ｐｏ ｕ ｔｏ ｉｌ． ｎｔ ｉ ｇ ｒｑ ｒｍｅ ｔ ｎ ｃ ｎ ｉｕ ｕ ａｔｎ ｒｄ ｃｉｎ ｆｅｄ ｏ Ｋ ｅ ｗｏｒ ： Ａｃ ｅｅ ａｉｎ ｓｎｓ ｒ Ｎｏ —ｉ ｓ ｉａ ｉ ｒｔｏ Ｖｉｒ ｔ ｎ ｍｏ ｉ ｒｎ Ｐ ｓ ｏ ｅ ｓ ｔｏ Ｇｒｕ ｅａ ｙ ｄｓ ｃ ｌｒｔｏ ｅ ｏ ｎ ｓ： ｏｄ ｌｖｂ ａｉｎ ｍ ｂ ａｉ ｎｔｉ ｇ ｏ ｏ ｈａｅ ｃ ｍｐ ｎ ａｉｎ ｏ ｐ ｄ ｌｙ
法 ， 制 了连铸 结 晶器实 时在 线监 测系 统 。该 系统 实 现 了对 结 晶器 振 动性 能指 标 的 自动检 测 。试 验 及现 场 应 用表 明 ， 监 测 系统 可 研 该 对 结 晶器 产生偏 振 以及不 按 照非 正弦规 律振 动等 现象 进行 精确 监测 ， 能够 满足 连铸 生产 现场 的监测 要求 。 关键 词 ：加速 度传感 器 非正 弦振 动 振动 监测 相 位补 偿
在电路 中， 由于传 感器 和元 器件 的噪声及 电源 纹 波 等原 因 ， 获得的加 速度信号 中包含 ｇ ｔ 的噪声信 所 （） 号， 通过积分后则得到 ｈ ｔ 速度 噪声信号 和 ｓ ｔ 位移 （） （）
和位移信号 ， 然后利用相位补偿器去 除相位 畸变 ， 最后 得到 高保真 的速度信号 和位移信号 。 这些信号经过 Ａ Ｄ转换成数 字信号送人 工控机 ， ／
文献标 志 码 ：Ａ
群延 迟
中 图分 类号 ：Ｔ １ ． Ｈ１３ ２＋． １
Ａｂｔａ ｔ ｎｃｎｉｕ ｕ ａｔ ｇｐｏｕ ｔ） ｎｏｄｒｔ ｒｃｓｌ ｄｕｔｔｅｖｂａｉｎｐ ｒｍｅｅｓｏ ｅｍｏｄｆｒｅ ｈ ｎ ｉｇｔｅｑ ａｉ ｆ ｔｅ ｓｒ ｃ ：Ｉ ｏｔ ｏ ｓｃ ｓｎ ｒｄ ｃｉ ｎ ｉ 一 ｎ，ｉ ｒｅ ｐｅｉｅｙａ ｊｓ ｉｒｔ ａａ ｔｒ ｆｔ ｌ ｏ ｎ ａ ｃｎ ｕ ｌｙｏ ｅｌ ｏ ｈ ｏ ｈ ｈ ｔ ｓ
ｔｍ ．Ｔｈ ｙ ｔｍ ｍｐｅ ｎｓａ ｔｍａｉ ｅｅ ｔ ｎ ｆｒｐ ｒｏｍａ ｃ ｎ ｅ ｅ ｆｔ ｅ ｍｏｄ Ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｎ ｅｄ ａ ｐｉａｉｎ ｉｄｃ ｔ ｈ ｔｔ ｅ ｅ ｅ ｓｓｅ ｉ ｌｍｅ ｔ ｕｏ ｔｃｄ ｔｃｉ ｏ ｅｆｒ ｎ ｅ ｉ ｄ ｘ ｓｏ ｈ ｌ ． ｈ ｘ ｅ ｉ ｎｓａ ｄ ｆ ｌ ｐ ｌｃ ｔｏ ｎ ｉａｅ ｔａ ｈ ｏ ｉ ｍｏ ｉ ｒｎ ｙ ｔｍ ｓａ ｌ Ｏ ｐ ｅ ｉｅｙｄ ｔｃ ｈ ｈ ｎ ｍｅ ｏ ｆｔ ｅｐ ｌｒｚ ｔ ｎ ａ ｄ ｔｅ ｖｂ ａｉｎ ｎ ｔｕ ｄ ｒｎ ｎ ｓｎ ｓ ｉａ ｕ ｅ，ａ ｄ ｍｅ ｔｔｅ ｎｔｉ ｇ ｓ ｓｅ ｉ ｂｅ ｔ ｒｃ ｓｌ ｅｅ ｔｔｅ ｐ ｅ ｏ ｎ ｎ ｏ ｈ ｏａ ｉａｉ ｎ ｈ ｉｒ ｔ ｏ ｎ ｅ ｏ —ｉｕ ｏｄ ｒｌ ｏ ｏ ｏ ｌ ｎ ｅ ｈ
位补偿 电路组成 。该模块实现对加速度信号 的积分 和
臣圃
匝固
口困
噪声滤 除 ， 并对滤 波器 引入 的相 位 畸变进行 补偿 。设 为结 晶器振 幅、 为振 动位移 、 为 角频 率 ， ｏ ｔ 则加 速 度 函数是位移 函数对 时间的二 阶导数 ， 表达 Ｉ 拉速 ｌ 速度波形图 ｌ ｌ Ｉ 振频 ｌ 正滑脱时间 ｌ 位移波形 图 Ｉ ｌ Ｊ ｌ位移轨迹图 Ｉ 负滑脱时间 ｌ 加速度波形图 Ｉ ｌ Ｉ
０ 引言
结晶器是连铸机 的关键 设备 ， 其作用 是使 钢水 均 匀、 快速地冷却 ， 形成厚度均匀 、 面 良好 的初 生坯壳 。 表 结晶器进行有规律 的往复振 动 ， 目的在于 防止拉坯 其 时坯壳与结 晶器壁 发生黏 结 ， 同时能获得 良好 的铸 坯
表面 Ｊ 。由于结 晶器 的上 下振 动有利于润滑油和保护 渣 向结 晶器壁 与坯壳 间渗 透 ， 因而改变了润滑条件 ， 减