CN101947642B - 一种面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
一种面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统，包括多点并行信号采集系统、信号预处理系统与实时数据分析系统；所述的多点并行信号采集系统，以钢包浇注机构及其支撑台架为考察对象，确定多个特征振动信号测量点，然后在每个测量点安装振动传感器，全方位采集钢包浇注过程中产生的冲击振动信号，进行初步放大处理，最后以并行方式将信号输送至信号预处理系统；所述的信号预处理系统，能够接收多路传感器的实时振动信号，对其进行预处理操作后上传至实时数据分析系统；所述的实时数据分析系统，接收信号预处理系统上传的实时数据分组，按照数据传输协议格式约定进行拆分，提取钢流冲击振动信号并完成显示、存储与分析判断的功能。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金过程检测与控制领域，尤其是涉及一种面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统。
背景技术
在钢铁连铸生产过程中，氧化剂和钢水中的杂质混合形成液体钢渣，其比重较轻，浮于钢水上部。在钢包浇注后期，钢渣逐渐从钢包流入中间包，并在中间包内逐步积累，影响钢材品质，严重时甚至使连铸生产无法进行。随着现代工业生产的不断扩大与发展，对钢铁品种和质量的要求不断提高，当然对连铸生产中钢水纯净度要求也就越来越高。连铸钢包下渣检测技术(Slag Carry-over Detection Technology， SCDT)就是通过对钢包浇注后期钢水状态的有效识别来控制钢水纯净度，提高铸件质量与钢水收得率的重要手段之一。
SCDT作为钢铁连铸生产的关键技术，世界各国尤其是西方发达国家都给予了高度重视。上世纪80年代末，德国成功开发出基于电磁感应原理的SCDT，成为目前世界上应用最为广泛的SCDT。但电磁式SCDT在应用过程中存在使用寿命短、不易安装维护、使用成本较高等缺点。针对以上问题，一些其它检测方法逐步被开发应用，如超声波检测法、红外检测法、振动检测法等，其中振动检测法能够有效解决电磁检测法存在的问题。与电磁检测法相比，其在使用寿命、检测准确率、可靠性、系统维护等方面均具有优势。但是振动检测法的技术要求很高，振动传感器的设计安装、振动信号干扰剔除与分离、处理算法的效率与有效性等问题具有很高的难度，目前国内尚未能较好的解决以上问题。
发明内容
为了克服在连铸工业现场的特殊环境条件下进行钢流冲击振动信号采集、预处理与传输等技术具有高难度的问题，本发明提供一种能实时采集与预处理在连铸工业现场强噪声环境下的钢流冲击振动信号的面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统。
本发明的技术方案：
一种面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统，其特征在于：包括多点并行信号采集系统、信号预处理系统与实时数据分析系统；
所述的多点并行信号采集系统，以钢包浇注机构及其支撑台架为考察对象，确定多个特征振动信号测量点，然后在每个测量点安装振动传感器，全方位采集钢包浇注过程中产生的冲击振动信号，进行初步放大处理，最后以并行方式将信号输送至信号预处理系统；
所述的信号预处理系统，能够接收多路传感器的实时振动信号，对其进行预处理操作后上传至实时数据分析系统；其包括信号放大模块、模数转换模块、数字滤波模块、数据传输模块；
所述的信号放大模块对相对微弱的钢流冲击振动信号进行二次隔离放大，使其能够在连铸车间的强噪声环境中传输，且产生与其它测量数据相匹配的有用信号；
所述的模数转换模块完成所采集振动信号的模/数转换工作，可以根据不同的检测要求设置相应的物理采样频率；
所述的数字滤波模块过滤经过放大与模/数转换的振动信号含有的环境干扰成分，除掉尖峰冲击信号；
所述的数据传输模块将经过预处理的振动信号按照既定的数据传输协议格式打成数据分组或者数据文件，并通过数据传输协议上传至实时数据分析系统；
所述的实时数据分析系统，接收信号预处理系统上传的实时数据分组，按照数据传输协议格式约定进行拆分，提取钢流冲击振动信号并完成显示、存储与分析判断的功能；其包括数据显示模块、数据存储模块、状态识别模块；
所述的数据显示模块，负责实时数据图形的显示，可以根据不同要求查看时域、频域或者静态特征参数的当前变化趋势；
所述的数据存储模块，根据具体的配置参数存储一定长度的数据文件，组成面向钢包下渣物理过程检测的主题数据库，为后续的特征参数提取、算法学习等工作提供充足的数据支持，并具备历史数据的回放与离线分析的功能；
所述的状态识别模块，根据水流冲击振动基本特征，选用相应的信号识别算法得到当前的钢流浇注状态，并发出相应的报警提示信号。
进一步，所述振动信号测量点包括操作臂、钢包回转台、连铸机支撑台架、中间包与操作臂支撑杆；
所述的操作臂测量点是通过无机粘合剂将振动传感器固定在操作臂远离钢流的一端，其采集与之相连的水口保护套管的钢流冲击振动信号；
所述的钢包回转台测量点是通过磁性套座将振动传感器固定在回转台的一端，其采集在钢包浇注过程中，回转台在外界激励作用下产生的冲击振动信号；
所述的连铸机支撑台架测量点是通过打桩方式将振动传感器固定在连铸机工作平台的边缘位置，其采集连铸机支撑钢构在外界激励作用下产生的冲击振动信号；
所述的中间包测量点是通过无机粘合剂将振动传感器固定在中间包耐火层外缘，其采集由中间包水口开度变化而引起的中间包液位振荡所产生的冲击振动信号；
所述的操作臂支撑杆测量点是通过磁性套座将振动传感器固定在操作臂支撑杆中间部位，其采集与之相连的操作臂所传递的钢流冲击振动与连铸机平台产生的环境振动的耦合信号。
进一步，所述的数据传输协议格式，包括首部与数据信息正文两部分；所述首部包括编号、时间戳、检验和、正文长度、采集通道、采样信息、停止标志、重传标志、预留字段；所述数据信息正文部分为所传输的实时水流冲击振动信号，其长度由首部的正文长度属性值确定；
所述的编号在首部中占用4个字节，用以存储当天所采集信号数据分组的序列号；
所述的时间戳在首部中占用8个字节，用以记录该数据分组的开始采样时间；所述的时间信息包含：年、月、日、时、分、秒；
所述的检验和在首部中占用4个字节，用以存储该数据分组的校验结果；所述的检验和计算方法是对数据分组首部进行反码算术求和运算，然后逐位进行比较，若发现错误，则丢弃该数据分组；
所述的正文长度在首部中占用4个字节，用以存储当前数据分组的数据总容量信息；
所述的采集通道在首部中占用4个字节，用以存储当前的数据采集通道，标识数据分组的数据信息来源；
所述的采样信息在首部中占用8个字节，用以存储当前数据采集的基本参数，所述基本参数包括：采样频率、采样点数、保持时间与覆盖频率；
所述的停止标志在首部中占用1个字节，用以存储当前数据分组的位置信息，若停止标志的赋值为0，说明此次数据采集过程未结束，实时数据分析系统将继续接收后续数据分组，若停止标志的赋值为1，说明此次数据采集过程结束，实时数据分析系统将停止接收数据分组；
所述的重传标志在首部中占用1个字节，用以存储当前数据分组的确认信息，若重传标志的赋值为0，说明此数据分组校验结果无误，实时数据分析系统将接收该数据分组，若重传标志的赋值为1，说明此数据分组校验结果存在错误，实时数据分析系统将丢弃该数据分组，要求重新发送该数据分组的副本；
所述的预留字段在首部中占用6个字节，用以存储当前数据分组的特殊要求信息与紧急特征参数。
进一步，所述的信号预处理系统与实时数据分析系统均采用嵌入式系统技术，采用上、下位机双CPU结构，所述基于数字信号处理器的下位机实时数据采集卡完成信号预处理系统的功能任务，所述基于先进精简指令机的上位机系统控制卡完成实时数据分析系统的功能任务。
本发明实现了钢包浇注过程中的钢流冲击振动信号的实时采集、预处理与初步分析。采用低功耗、稳定性好、实时性高的嵌入式系统技术来设计实现所述的信号预处理系统与实时数据分析系统二者所要求的基本功能；本发明采用上下位机双CPU结构，模拟信号采集、AD转换及数据预处理(滤波、FFT等操作)放在下位机实现，控制系统硬件规模及耗电量，充分利用数字信号处理器在浮点数计算方面的突出能力；将数据的处理、分析、显示、控制信息交互、网络通信等功能放在上位机上实现，以充分利用先进精简指令机的事务处理能力和交互能力；上下位机通过主机通信接口进行并行、高速的数据传输，满足实时振动信号采集的需要。
本发明的有益效果主要表现在：
1) 实现在连铸工业现场强噪声环境下的钢流冲击振动信号的实时采集与预处理，为振动式钢包下渣检测系统提供稳定的数据支持。
2) 多点并行的数据采集方法，能够全方位检测连铸机浇注生产过程中的钢流冲击振动信号，并侦听其它相关外来冲击信号，为振动式钢包下渣系统识别的准确性提供有力保证。
3) 嵌入式双CPU的系统实体配置，体积小、功耗低、实时性高，有效地确保了振动式钢包下渣检测系统的工作可靠性。
附图说明
图1是本发明的功能模块组成构架。
图2是本发明的连铸机振动信号测量点分布示意图。
图3是本发明的信号预处理系统与实时数据分析系统功能构架示意图。
具体实施方式
参照图1-3，一种面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统，包括多点并行信号采集系统(Multi-channel Signal Collection System， MSCS) 1、信号预处理系统(Signal Preprocessing System， SPPS)2与实时数据分析系统(Real-time Data Analysis System， RDAS)3；
所述的多点并行信号采集系统1，以钢包浇注机构及其支撑台架为考察对象，确定多个特征振动信号测量点，然后在每个测量点安装振动传感器，全方位采集钢包浇注过程中产生的冲击振动信号，进行初步放大处理，最后以并行方式将信号输送至信号预处理系统2；
所述的信号预处理系统2，能够接收多路传感器的实时振动信号，对其进行预处理操作后上传至实时数据分析系统3；其包括信号放大模块(Signal Amplifier Module， SAM)21、模数转换模块(A/D Transfer Module， ATM)22、数字滤波模块(Digital Filter Module，DFM)23、数据传输模块(Data Upload Module， DUM)24；
所述的信号放大模块21对相对微弱的钢流冲击振动信号进行二次隔离放大，使其能够在连铸车间的强噪声环境中传输，且产生与其它测量数据相匹配的有用信号；
所述的模数转换模块22完成所采集振动信号的模/数转换工作，可以根据不同的检测要求设置相应的物理采样频率；
所述的数字滤波模块23过滤经过放大与模/数转换的振动信号含有的环境干扰成分，除掉尖峰冲击信号；
所述的数据传输模块24将经过预处理的振动信号按照既定的数据传输协议格式打成数据分组或者数据文件，并通过数据传输协议上传至实时数据分析系统；
所述的实时数据分析系统3，接收信号预处理系统2上传的实时数据分组，按照数据传输协议格式约定进行拆分，提取钢流冲击振动信号并完成显示、存储与分析判断的功能；其包括数据显示模块(Data Display Module，DDM)31、数据存储模块(Data Storage Module， DSM)32、状态识别模块(Status Recognition Module， SRM)33；
所述的数据显示模块31，负责实时数据图形的显示，可以根据不同要求查看时域、频域或者静态特征参数的当前变化趋势；
所述的数据存储模块32，根据具体的配置参数存储一定长度的数据文件，组成面向钢包下渣物理过程检测的主题数据库，为后续的特征参数提取、算法学习等工作提供充足的数据支持，并具备历史数据的回放与离线分析的功能；
所述的状态识别模块33，根据水流冲击振动基本特征，选用相应的信号识别算法得到当前的钢流浇注状态，并发出相应的报警提示信号。
所述振动信号测量点包括操作臂11、钢包回转台12、连铸机支撑台架13、中间包14与操作臂支撑杆15；
所述的操作臂11测量点是通过无机粘合剂将振动传感器固定在操作臂远离钢流的一端，其采集与之相连的水口保护套管的钢流冲击振动信号；
所述的钢包回转台12测量点是通过磁性套座将振动传感器固定在回转台的一端，其采集在钢包浇注过程中，回转台在外界激励作用下产生的冲击振动信号；
所述的连铸机支撑台架13测量点是通过打桩方式将振动传感器固定在连铸机工作平台的边缘位置，其采集连铸机支撑钢构在外界激励作用下产生的冲击振动信号；
所述的中间包14测量点是通过无机粘合剂将振动传感器固定在中间包耐火层外缘，其采集由中间包水口开度变化而引起的中间包液位振荡所产生的冲击振动信号；
所述的操作臂支撑杆15测量点是通过磁性套座将振动传感器固定在操作臂支撑杆中间部位，其采集与之相连的操作臂所传递的钢流冲击振动与连铸机平台产生的环境振动的耦合信号。
所述的数据传输协议格式，包括首部与数据信息正文两部分；所述首部包括编号、时间戳、检验和、正文长度、采集通道、采样信息、停止标志、重传标志、预留字段；所述数据信息正文部分为所传输的实时水流冲击振动信号，其长度由首部的正文长度属性值确定；
所述的编号在首部中占用4个字节，用以存储当天所采集信号数据分组的序列号；
所述的时间戳在首部中占用8个字节，用以记录该数据分组的开始采样时间；所述的时间信息包含：年、月、日、时、分、秒；
所述的检验和在首部中占用4个字节，用以存储该数据分组的校验结果；所述的检验和计算方法是对数据分组首部进行反码算术求和运算，然后逐位进行比较，若发现错误，则丢弃该数据分组；
所述的正文长度在首部中占用4个字节，用以存储当前数据分组的数据总容量信息；
所述的采集通道在首部中占用4个字节，用以存储当前的数据采集通道，标识数据分组的数据信息来源；
所述的采样信息在首部中占用8个字节，用以存储当前数据采集的基本参数，所述基本参数包括：采样频率、采样点数、保持时间与覆盖频率；
所述的停止标志在首部中占用1个字节，用以存储当前数据分组的位置信息，若停止标志的赋值为0，说明此次数据采集过程未结束，实时数据分析系统将继续接收后续数据分组，若停止标志的赋值为1，说明此次数据采集过程结束，实时数据分析系统将停止接收数据分组；
所述的重传标志在首部中占用1个字节，用以存储当前数据分组的确认信息，若重传标志的赋值为0，说明此数据分组校验结果无误，实时数据分析系统将接收该数据分组，若重传标志的赋值为1，说明此数据分组校验结果存在错误，实时数据分析系统将丢弃该数据分组，要求重新发送该数据分组的副本；
所述的预留字段在首部中占用6个字节，用以存储当前数据分组的特殊要求信息与紧急特征参数。
所述的信号预处理系统2与实时数据分析系统3均采用嵌入式系统技术，采用上、下位机双CPU结构，所述基于数字信号处理器DSP的下位机4实时数据采集卡完成信号预处理系统的功能任务，所述基于先进精简指令机ARM的上位机5系统控制卡完成实时数据分析系统的功能任务。其中DSP的具体型号为TI-TMS320C6711，ARM的具体型号为Philips-LPC2138。
本发明实现了钢包浇注过程中的钢流冲击振动信号的实时采集、预处理与初步分析。采用低功耗、稳定性好、实时性高的嵌入式系统技术来设计实现所述的信号预处理系统与实时数据分析系统二者所要求的基本功能；本发明采用上下位机双CPU结构，模拟信号采集、AD转换及数据预处理(滤波、FFT等操作)放在下位机4实现，控制系统硬件规模及耗电量，充分利用数字信号处理器在浮点数计算方面的突出能力；将数据的处理、分析、显示、控制信息交互、网络通信等功能放在上位机5上实现，以充分利用先进精简指令机的事务处理能力和交互能力；上位机5、下位机4通过主机通信接口进行并行、高速的数据传输，满足实时振动信号采集的需要。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (3)
1.一种面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统，其特征在于：包括多点并行信号采集系统、信号预处理系统与实时数据分析系统；
所述的多点并行信号采集系统，以钢包浇注机构及其支撑台架为考察对象，确定多个特征振动信号测量点，然后在每个测量点安装振动传感器，全方位采集钢包浇注过程中产生的冲击振动信号，进行初步放大处理，最后以并行方式将信号输送至信号预处理系统；
所述的信号预处理系统，能够接收多路传感器的实时振动信号，对其进行预处理操作后上传至实时数据分析系统；其包括信号放大模块、模数转换模块、数字滤波模块、数据传输模块；
所述的信号放大模块对相对微弱的钢流冲击振动信号进行二次隔离放大，使其能够在连铸车间的强噪声环境中传输，且产生与其它测量数据相匹配的有用信号；
所述的模数转换模块完成所采集振动信号的模/数转换工作，可以根据不同的检测要求设置相应的物理采样频率；
所述的数字滤波模块过滤经过放大与模/数转换的振动信号含有的环境干扰成分，除掉尖峰冲击信号；
所述的数据传输模块将经过预处理的振动信号按照既定的数据传输协议格式打成数据分组或者数据文件，并通过数据传输协议上传至实时数据分析系统；
所述的实时数据分析系统，接收信号预处理系统上传的实时数据分组，按照数据传输协议格式约定进行拆分，提取钢流冲击振动信号并完成显示、存储与分析判断的功能；其包括数据显示模块、数据存储模块、状态识别模块；
所述的数据显示模块，负责实时数据图形的显示，可以根据不同要求查看时域、频域或者静态特征参数的当前变化趋势；
所述的数据存储模块，根据具体的配置参数存储一定长度的数据文件，组成面向钢包下渣物理过程检测的主题数据库，为后续的特征参数提取、算法学习工作提供充足的数据支持，并具备历史数据的回放与离线分析的功能；
所述的状态识别模块，根据水流冲击振动基本特征，选用相应的信号识别算法得到当前的钢流浇注状态，并发出相应的报警提示信号；
所述振动信号测量点包括操作臂、钢包回转台、连铸机支撑台架、中间包与操作臂支撑杆；
所述的操作臂测量点是通过无机粘合剂将振动传感器固定在操作臂远离钢流的一端，采集与之相连的水口保护套管的钢流冲击振动信号；
所述的钢包回转台测量点是通过磁性套座将振动传感器固定在回转台的一端，采集在钢包浇注过程中，回转台在外界激励作用下产生的冲击振动信号；
所述的连铸机支撑台架测量点是通过打桩方式将振动传感器固定在连铸机工作平台的边缘位置，采集连铸机支撑钢构在外界激励作用下产生的冲击振动信号；
所述的中间包测量点是通过无机粘合剂将振动传感器固定在中间包耐火层外缘，其采集由中间包水口开度变化而引起的中间包液位振荡所产生的冲击振动信号；
所述的操作臂支撑杆测量点是通过磁性套座将振动传感器固定在操作臂支撑杆中间部位，其采集与之相连的操作臂所传递的钢流冲击振动与连铸机平台产生的环境振动的耦合信号。
2.根据权利要求1所述的一种面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统，其特征在于：所述的数据传输协议格式，包括首部与数据信息正文两部分；所述首部包括编号、时间戳、检验和、正文长度、采集通道、采样信息、停止标志、重传标志、预留字段；所述数据信息正文部分为所传输的实时水流冲击振动信号，其长度由首部的正文长度属性值确定；
所述的编号在首部中占用4个字节，用以存储当天所采集信号数据分组的序列号；
所述的时间戳在首部中占用8个字节，用以记录该数据分组的开始采样时间；所述的时间信息包含：年、月、日、时、分、秒；
所述的检验和在首部中占用4个字节，用以存储该数据分组的校验结果；所述的检验和计算方法是对数据分组首部进行反码算术求和运算，然后逐位进行比较，若发现错误，则丢弃该数据分组；
所述的正文长度在首部中占用4个字节，用以存储当前数据分组的数据总容量信息；
所述的采集通道在首部中占用4个字节，用以存储当前的数据采集通道，标识数据分组的数据信息来源；
所述的采样信息在首部中占用8个字节，用以存储当前数据采集的基本参数，所述基本参数包括：采样频率、采样点数、保持时间与覆盖频率；
所述的停止标志在首部中占用1个字节，用以存储当前数据分组的位置信息，若停止标志的赋值为0，说明此次数据采集过程未结束，实时数据分析系统将继续接收后续数据分组，若停止标志的赋值为1，说明此次数据采集过程结束，实时数据分析系统将停止接收数据分组；
所述的重传标志在首部中占用1个字节，用以存储当前数据分组的确认信息，若重传标志的赋值为0，说明此数据分组校验结果无误，实时数据分析系统将接收该数据分组，若重传标志的赋值为1，说明此数据分组校验结果存在错误，实时数据分析系统将丢弃该数据分组，要求重新发送该数据分组的副本；
所述的预留字段在首部中占用6个字节，用以存储当前数据分组的特殊要求信息与紧急特征参数。
3.根据权利要求2所述的一种面向振动式钢包下渣检测的嵌入式数据采集系统，其特征在于：所述的信号预处理系统与实时数据分析系统均采用嵌入式系统技术，采用上、下位机双CPU结构，基于数字信号处理器的下位机实时数据采集卡完成信号预处理系统的功能任务，基于先进精简指令机的上位机系统控制卡完成实时数据分析系统的功能任务。
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