專利名稱：一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監(jiān)控方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及鋼鐵冶金自動化控制領域，尤其是涉及一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監(jiān)控方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，用戶對鋼材的質(zhì)量提出了愈來愈高的要求。從技術(shù)上看，鋼材的質(zhì)量主要表現(xiàn)在其純潔度高、各相異性小、合金成分偏差范圍小等方面。鋼中雜質(zhì)含量高，加上鋼的各相異性差別大，必然導致鋼材的力學性能在不同的方向有較大差異。傳統(tǒng)的煉鋼工藝和裝備難以滿足高質(zhì)量要求，因此必須采用爐外精煉技術(shù)。電弧爐是目前國內(nèi)外主要的煉鋼設備之一。隨著工業(yè)的發(fā)展，廢鋼及其它原料的添加，電弧爐煉鋼技術(shù)更加顯示出其重要地位。然而電弧爐煉鋼過程中存在一個不足之處是熔池內(nèi)部及鋼渣之間的攪拌作用差，致使傳質(zhì)、傳熱速率低，從而帶來熔化速度和氧化反應速度慢，鋼液成分和溫度不均勻，脫硫、脫磷速度低，工人勞動強度大，能耗高，冶煉時間長等一系列問題。隨著轉(zhuǎn)爐復吹技術(shù)、鋼包底吹氬技術(shù)等發(fā)展及其在冶金上取得明最效果，人們認識到鋼包底吹氣體攪拌熔池的優(yōu)越性，并且積累了大量的經(jīng)驗。日本等國早在70年代末、80年代初就開始研究電弧爐底吹氬攪拌技術(shù)。到80年代中后期，由于技術(shù)上可行，特別是在冶金和經(jīng)濟上獲得了較大的效果，一些主要產(chǎn)鋼國開始對這項技術(shù)給予極大的重視，并且紛紛開發(fā)和推廣電弧爐底吹氬氣煉鋼新技術(shù)。精煉爐底吹氬煉鋼技術(shù)具有成本低、操作方便、攪拌效果好等優(yōu)點，并由此產(chǎn)生了一系列極其有益的冶金效果。它可以明顯縮短冶煉時間、降低能耗、提高脫硫脫磷能力，促進合金均勻化；冶煉不銹鋼時可促進去碳保鉻，增加合金收得率，大大降低工人的勞動強度。

精煉爐底吹氬煉鋼技術(shù)是一種簡易的鋼液脫氣和去除非金屬夾雜物的爐外精煉方法。依據(jù)所需鋼液在常溫下的組織(如奧氏體、鐵素體等)以及處理目的的不同，吹入鋼液的氣體，可以選用氧氣、氮氣、一氧化碳、水蒸氣、空氣，或先吹人氮氣、一氧化碳、水蒸氣、空氣，然后再吹人氬氣。鋼液吹氬處理有重要的冶金意義:降低鋼液中溶人氣體(如氫、氮、氧)的含量，將鋼包中的有害氣體溶于易形成真空的氬氣泡中，隨著翻滾的鋼水將其帶到鋼水表面以便將其去除；去除鋼液巾殘余的非金屬夾雜物(如氧化物、硫化物、氮化物等)；使鋼液受熱均勻:防止鋼水氧化作用，因為氬氣是惰性氣體，在鋼水表面能防止鋼水氧化，起到保護膜的作用。這種方法使鋼液與爐渣能夠充分接觸，創(chuàng)造了良好的冶金反應條件，增強了脫硫和脫氧的冶金效果。但脫氫的效果差。而底吹氬的優(yōu)點是均勻鋼水溫度、成分和去除夾雜物的效果好.設備簡單，操作靈便。目前由于吹氬攪拌控制系統(tǒng)都采用開環(huán)控制方式，無法實時獲取吹氬強度信息，因此往往存在欠吹或者過吹現(xiàn)象，降低了吹氬去雜質(zhì)的效果，提高了氬氣用量。當前鋼廠鋼包吹氬強度主要的監(jiān)控方法為目測方式，即人工觀察吹氬產(chǎn)生的鋼水翻滾情況來判斷吹氬強度，在鋼水溫度下降導致表面結(jié)殼后，往往無法判斷準確，導致攪拌程度不夠或者過攪拌，降低了鋼水的品質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，彌補現(xiàn)有吹氬攪拌控制系統(tǒng)的不足，通過吹氬強度的不同導致鋼包表面振動強度不同的原理，來判斷鋼包內(nèi)吹氬強度情況，從而提供一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監(jiān)控方法和系統(tǒng)。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是:提供一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監(jiān)控方法，包括以下步驟:(I)通過加速度傳感器分別采集鋼包殼體表面振動信號和環(huán)境振動信號；以數(shù)據(jù)采集卡對兩路加速度傳感器采集的信號進行AD采樣，獲得數(shù)字信號；(2)通過巴特沃斯帶通濾波算法提取所獲數(shù)字信號中處于3(Γ90Ηζ頻率范圍內(nèi)的有效振動信號，再通過基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法將包含于鋼包殼體表面振動信號中的環(huán)境振動信號剔除，提取出有效的振動信號；(3)根據(jù)預先標定的吹氬強度-振動信號曲線，以提取到的有效振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。本發(fā)明進一步提供了用于前述方法的基于振動信號的鋼包吹氬強度監(jiān)控系統(tǒng)，包括系統(tǒng)控制單元、前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)和工業(yè)現(xiàn)場控制單元；其中，前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)包括設于固定座上的氣缸，連接桿的一端與氣缸相接，連接桿上設有一個加速度傳感器；連接桿的另一端部設隔離彈簧，隔離彈簧的末端設有另一個加速度傳感器，該加速度傳感器的外側(cè)設接觸頭；氣缸、連接桿、連接桿、隔離彈簧和兩個加速度傳感器均位于防塵外殼中，防塵外殼底部與固定座實現(xiàn)連接；工業(yè)現(xiàn)場控制單元是系統(tǒng)的前端控制構(gòu)件，包括氣缸控制電磁閥和伸縮控制開關，用于前端傳感器執(zhí)行機構(gòu) 的氣動控制和開關輸入操作；系統(tǒng)控制單元包括工業(yè)級液晶顯示器、工控機、工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元和電源管理單元；工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元通過電纜分別連接至工業(yè)現(xiàn)場控制單元、前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)和工控機；電源管理單元分別通過電纜連接至工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元、工業(yè)現(xiàn)場控制單元和工控機；前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)由工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元實現(xiàn)供電。本發(fā)明中，在所述工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元中內(nèi)置了巴特沃斯帶通濾波算法模塊，該模塊用于提取數(shù)字信號中處于3(Γ90Ηζ頻率范圍內(nèi)的有效振動信號。本發(fā)明中，在所述工控機中內(nèi)置了基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法模塊，該模塊用于剔除包含于鋼包殼體表面振動信號中的環(huán)境振動信號。本發(fā)明中，在所述工控機中內(nèi)置了吹氬強度-振動信號比對模塊，該模塊用于根據(jù)預先標定的吹氬強度-振動信號曲線和有效振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:(I)采用檢測鋼包表面振動強度的方法來監(jiān)控鋼包的吹氬強度，解決了傳統(tǒng)依靠人工目測方式勞動強度大、不可靠以及無法量化的缺點，使吹氬攪拌過程更加的科學合理。(2)采用巴特沃斯帶通濾波算法與基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波等信號處理方法，能夠?qū)崿F(xiàn)有效信號的分析與識別，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。(3)采用構(gòu)件化模塊設計方法，對鋼包吹氬強度監(jiān)控裝置進行模塊化封裝，增加系統(tǒng)內(nèi)聚，減少模塊之間的耦合，使其能夠根據(jù)不同的精煉爐生產(chǎn)條件以及工藝需求進行重構(gòu)。(4)安裝維護方便，不改造原有設備，不影響煉鋼生產(chǎn)；(5)分辨率高，特別對低頻振動反應靈敏。


圖1是系統(tǒng)功能構(gòu)架示意圖。圖2是前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。圖3是系統(tǒng)模塊組成與電氣連接示意圖。圖4是軟件處理算法流程圖。附圖標記說明:前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)1，工業(yè)現(xiàn)場控制單元2，系統(tǒng)控制單元3，鋼包4，氬氣鋼瓶5，氬氣通道6 ;防塵外殼21，氣缸22，加速度傳感器23，隔離彈簧24，接觸頭25，固定座26、連接桿27、加速度傳感器28。
具體實施例方式首先需要說明的是，本發(fā)明涉及工業(yè)控制技術(shù)，是計算機技術(shù)在工業(yè)領域的一種應用。在本發(fā)明的實現(xiàn)過程中，會涉及到多個軟件功能模塊的應用。申請人認為，如在仔細閱讀申請文件、準確理解本發(fā)明的實現(xiàn)原理和發(fā)明目的以后，在結(jié)合現(xiàn)有公知技術(shù)的情況下，本領域技術(shù)人員完全可以運用其掌握的軟件編程技能實現(xiàn)本發(fā)明。前述軟件功能模塊包括但不限于:巴特沃斯帶通濾 波算法模塊、基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法模塊、吹氬強度-振動信號比對模塊等，凡本發(fā)明申請文件提及的均屬此范疇，申請人不再一一列舉。 結(jié)合附圖，下面對本發(fā)明進行詳細說明。如附圖1所示，本發(fā)明總體技術(shù)方案為:將前端兩路加速度傳感器安裝在鋼包4附近,通過氣動執(zhí)行機構(gòu)將一路加速度傳感器28與鋼包4表面進行緊密接觸，此加速度傳感器28將檢測鋼包4表面的振動信號，另外一路加速度傳感器23則用于采集鋼包4周圍環(huán)境的振動信號作為參考信息。兩路傳感器之間采用隔離彈簧24進行隔離。兩路傳感器的信號通過線纜傳輸?shù)较到y(tǒng)控制單元3，系統(tǒng)控制單元3通過數(shù)據(jù)采集卡對傳感器信號進行AD采樣獲得數(shù)字信號，首先通過巴特沃斯帶通濾波算法獲取有效信號區(qū)間(3(Γ90Ηζ )內(nèi)的信號，然后再通過基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法將鋼包4振動信號中的環(huán)境振動信號剔除，從而提取出有效的振動信號，最后通過振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。系統(tǒng)控制單元3是系統(tǒng)的功能核心構(gòu)件，其外在形式為拼裝式室內(nèi)控制柜，安裝位置為精煉爐車間主控制室，完成對吹氬攪拌過程吹氬強度的監(jiān)測；控制柜的金屬材料采用表面處理后的優(yōu)質(zhì)冷板，從而保證機架的保護性能好、抗腐蝕性強；控制柜在底部設置了接地端子，機房內(nèi)的地線可直接連控制柜底部的接地端子上；控制柜頂部配有風扇盤，以保證控制柜內(nèi)的熱空氣順利地排出；控制柜底部設置連線孔，可提供電源線、信號線和控制線的連接。系統(tǒng)控制單元3的內(nèi)部集成了如下功能裝置:工業(yè)級液晶顯示器、工控機、工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元、電源管理單元。工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元，用于接受前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)I回傳的振動信號和工業(yè)現(xiàn)場控制單元2的開關量信號，并實現(xiàn)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集輸入的開關量信號、輸出控制信號以及與工控機通訊等四個主要任務。其中，信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換主要是對前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)I上傳振動信號進行AD采樣，作為吹氬強度判斷的數(shù)據(jù)來源；輸入的開關量信號包括前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)I伸出開關量信號和縮回開關量信號；輸出控制信號為輸出給工業(yè)現(xiàn)場控制單元2的控制指令，控制其進行前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)I的伸出或者縮回；與工控機的通信過程是指工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元上傳給工控機的鋼包振動數(shù)據(jù)，開關量輸入信號以及控制輸出信號。工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元分別連接至下述功能裝置:通過電纜連接至工業(yè)現(xiàn)場控制單元2，實現(xiàn)開關量信號的采集和控制信號的傳遞；通過電纜依次連接前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)1，實現(xiàn)模擬信號的采集；通過電纜連接至工控機，實現(xiàn)開關量與模擬信號、控制信號的傳遞；電源管理單元分別通過電纜連接至工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元、工業(yè)現(xiàn)場控制單元2和工控機。電源管理單元用于為系統(tǒng)中各模塊和控制單元提供電源，其額定輸入交流220V，50 60HZ，額定輸入電流〈5A，并具有電源工作/異常顯示功能。前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)I由工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元實現(xiàn)供電。工業(yè)現(xiàn)場控制單元2是系統(tǒng)的前端控制和開關量信號采集構(gòu)件，包括了氣缸控制電磁閥和伸縮控制開關，主要用于采集用戶的現(xiàn)場開關操作信號如傳感器伸出或縮回信號傳遞到系統(tǒng)控制單元3，然后根據(jù)系統(tǒng)控制單元3發(fā)出的指令，驅(qū)動氣動執(zhí)行裝置完成傳感器的伸縮。如附圖2所示，前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)I包括了固定座26、氣缸22以及連接桿27、加速度傳感器23、加速度傳感器28、隔離彈簧24、接觸頭25以及防塵外殼21。其中固定座26主要用于將執(zhí)行機構(gòu)可靠固定在鋼包4附近；氣缸22以及連接桿27主要用于將加速度傳感器28伸出使前端接觸頭25緊密接觸鋼包4或者縮回使其離開鋼包4表面；加速度傳感器23、加速度傳感器28分別用于采集環(huán)境振動信號和鋼包4振動信號；隔離彈簧24用于將鋼包4振動信號與環(huán)境振動信號進行一定的隔離，減少環(huán)境振動信號對鋼包4振動信號的干擾；接觸頭25主要用于連接加速度傳感器28與鋼包4表面，防止直接接觸導致加速度傳感器28由于溫度過高而損壞。防塵外殼21`防止飛濺出來的鋼渣對整體機械結(jié)構(gòu)的損壞。系統(tǒng)模塊組成與電氣連接示意圖如附圖3所示。工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元作為現(xiàn)場控制的核心部件，與其他的單元相連。工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元一方面分別接收工業(yè)現(xiàn)場控制單元2和前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)I的輸入信號，進行處理后傳輸給工控機。另一方面，工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元根據(jù)工控機的輸入信息轉(zhuǎn)化為開關量信號輸出給工業(yè)現(xiàn)場控制單元2，完成對前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)I的伸縮控制。軟件處理算法流程圖如附圖4所示。系統(tǒng)控制單元通過工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元對傳感器信號進行AD采樣后獲得數(shù)字信號，首先通過巴特沃斯帶通濾波算法獲取有效信號區(qū)間(3(Γ90Ηζ)內(nèi)的信號，然后再通過基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法將鋼包振動信號中的環(huán)境振動信號剔除，從而提取出與吹氬強度相關的有效振動信號，最后通過振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。本發(fā)明使用了如下的軟件功能模塊:在工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元中內(nèi)置了巴特沃斯帶通濾波算法模塊，該模塊用于提取數(shù)字信號中處于3(Γ90Ηζ頻率范圍內(nèi)的有效振動信號。在工控機中內(nèi)置了基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法模塊，該模塊用于剔除包含于鋼包殼體表面振動信號中的環(huán)境振動信號。在工控機中內(nèi)置了吹IS強度-振動信號比對模塊，該模塊用于根據(jù)預先標定的吹氬強度-振動信號曲線和有效振動信號的強度來判斷吹IS的強度信息。本發(fā)明的具體實現(xiàn)方法是:(I)通過加速度傳感器28、加速度傳感器23分別采集鋼包4殼體表面振動信號和環(huán)境振動信號；以數(shù)據(jù)采集卡對兩路加速度傳感器采集的信號進行AD采樣，獲得數(shù)字信號;(2)通過巴特沃斯帶通濾波算法提取所獲數(shù)字信號中處于3(Γ90Ηζ頻率范圍內(nèi)的有效振動信號，再通過基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法將包含于鋼包4殼體表面振動信號中的環(huán)境振動信號剔除，提取出有效的振動信號；(3)根據(jù)預先標定的 吹氬強度-振動信號曲線，以提取到的有效振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。本發(fā)明中所使用的各功能模塊或功能裝置均為現(xiàn)有技術(shù)，可從市場公開采購，或者由軟件編程人員根據(jù)生產(chǎn)裝置實際情況進行編制。故對其具體結(jié)構(gòu)、性能等參數(shù)不再贅述。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監(jiān)控方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)通過加速度傳感器分別采集鋼包殼體表面振動信號和環(huán)境振動信號；以數(shù)據(jù)采集卡對兩路加速度傳感器采集的信號進行AD采樣，獲得數(shù)字信號； (2)通過巴特沃斯帶通濾波算法提取所獲數(shù)字信號中處于3(T90Hz頻率范圍內(nèi)的有效振動信號，再通過基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法將包含于鋼包殼體表面振動信號中的環(huán)境振動信號剔除，提取出有效的振動信號； (3)根據(jù)預先標定的吹氬強度-振動信號曲線，以提取到的有效振動信號的強度來判斷吹IS的強度信息。
2.一種用于權(quán)利要求1所述方法的基于振動信號的鋼包吹氬強度監(jiān)控系統(tǒng)，包括系統(tǒng)控制單元，其特征在于，還包括前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)和工業(yè)現(xiàn)場控制單元；其中， 前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)包括設于固定座上的氣缸，連接桿的一端與氣缸相接，連接桿上設有一個加速度傳感器；連接桿的另一端部設隔離彈簧，隔離彈簧的末端設有另一個加速度傳感器，該加速度傳感器的外側(cè)設接觸頭；氣缸、連接桿、連接桿、隔離彈簧和兩個加速度傳感器均位于防塵外殼中，防塵外殼底部與固定座實現(xiàn)連接； 工業(yè)現(xiàn)場控制單元是系統(tǒng)的前端控制構(gòu)件，包括氣缸控制電磁閥和伸縮控制開關，用于前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)的氣動控制和開關輸入操作； 系統(tǒng)控制單元包括工業(yè)級液晶顯示器、工控機、工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元和電源管理單元；工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元通過電纜分別連接至工業(yè)現(xiàn)場控制單元、前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)和工控機；電源管理單元分別通 過電纜連接至工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元、工業(yè)現(xiàn)場控制單元和工控機；前端傳感器執(zhí)行機構(gòu)由工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元實現(xiàn)供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述工業(yè)現(xiàn)場處理控制單元中內(nèi)置了巴特沃斯帶通濾波算法模塊，該模塊用于提取數(shù)字信號中處于3(T90Hz頻率范圍內(nèi)的有效振動信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述工控機中內(nèi)置了基于LMS的自適應抗干擾抵消濾波算法模塊，該模塊用于剔除包含于鋼包殼體表面振動信號中的環(huán)境振動信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述工控機中內(nèi)置了吹氬強度-振動信號比對模塊，該模塊用于根據(jù)預先標定的吹氬強度-振動信號曲線和有效振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋼鐵冶金自動化控制領域，旨在提供一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監(jiān)控方法及系統(tǒng)。該方法包括通過加速度傳感器分別采集鋼包殼體表面振動信號和環(huán)境振動信號；對采集的信號進行AD采樣獲得數(shù)字信號；提取數(shù)字信號中處于30～90Hz頻率范圍內(nèi)的有效振動信號，將包含于鋼包殼體表面振動信號中的環(huán)境振動信號剔除，提取出有效的振動信號；根據(jù)預先標定的吹氬強度-振動信號曲線，以有效振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)依靠人工目測方式勞動強度大、不可靠以及無法量化的缺點，使吹氬攪拌過程更加的科學合理；能夠?qū)崿F(xiàn)有效信號的分析與識別，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；安裝維護方便，不改造原有設備，不影響煉鋼生產(chǎn)。
文檔編號C21C7/072GK103160650SQ201310078770
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者李培玉, 呂攀 申請人:杭州譜誠泰迪實業(yè)有限公司