CN103160650A - 一种基于振动信号的钢包吹氩强度监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢铁冶金自动化控制领域，旨在提供一种基于振动信号的钢包吹氩强度监控方法及系统。该方法包括：通过加速度传感器分别采集钢包壳体表面振动信号和环境振动信号；对采集的信号进行AD采样获得数字信号；提取数字信号中处于30～90Hz频率范围内的有效振动信号，将包含于钢包壳体表面振动信号中的环境振动信号剔除，提取出有效的振动信号；根据预先标定的吹氩强度-振动信号曲线，以有效振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。本发明解决了传统依靠人工目测方式劳动强度大、不可靠以及无法量化的缺点，使吹氩搅拌过程更加的科学合理；能够实现有效信号的分析与识别，提高了系统的抗干扰能力；安装维护方便，不改造原有设备，不影响炼钢生产。

Description

一种基于振动信号的钢包吹氩强度监控方法及系统

技术领域

本发明涉及钢铁冶金自动化控制领域，尤其是涉及一种基于振动信号的钢包吹氩强度监控方法及系统。

背景技术

随着科技的发展，用户对钢材的质量提出了愈来愈高的要求。从技术上看，钢材的质量主要表现在其纯洁度高、各相异性小、合金成分偏差范围小等方面。钢中杂质含量高，加上钢的各相异性差别大，必然导致钢材的力学性能在不同的方向有较大差异。传统的炼钢工艺和装备难以满足高质量要求，因此必须采用炉外精炼技术。电弧炉是目前国内外主要的炼钢设备之一。随着工业的发展，废钢及其它原料的添加，电弧炉炼钢技术更加显示出其重要地位。然而电弧炉炼钢过程中存在一个不足之处是熔池内部及钢渣之间的搅拌作用差，致使传质、传热速率低，从而带来熔化速度和氧化反应速度慢，钢液成分和温度不均匀，脱硫、脱磷速度低，工人劳动强度大，能耗高，冶炼时间长等一系列问题。

随着转炉复吹技术、钢包底吹氩技术等发展及其在冶金上取得明最效果，人们认识到钢包底吹气体搅拌熔池的优越性，并且积累了大量的经验。日本等国早在70年代末、80年代初就开始研究电弧炉底吹氩搅拌技术。到80年代中后期，由于技术上可行，特别是在冶金和经济上获得了较大的效果，一些主要产钢国开始对这项技术给予极大的重视，并且纷纷开发和推广电弧炉底吹氩气炼钢新技术。精炼炉底吹氩炼钢技术具有成本低、操作方便、搅拌效果好等优点，并由此产生了一系列极其有益的冶金效果。它可以明显缩短冶炼时间、降低能耗、提高脱硫脱磷能力，促进合金均匀化；冶炼不锈钢时可促进去碳保铬，增加合金收得率，大大降低工人的劳动强度。

精炼炉底吹氩炼钢技术是一种简易的钢液脱气和去除非金属夹杂物的炉外精炼方法。依据所需钢液在常温下的组织(如奥氏体、铁素体等)以及处理目的的不同，吹入钢液的气体，可以选用氧气、氮气、一氧化碳、水蒸气、空气，或先吹人氮气、一氧化碳、水蒸气、空气，然后再吹人氩气。钢液吹氩处理有重要的冶金意义：降低钢液中溶人气体(如氢、氮、氧)的含量，将钢包中的有害气体溶于易形成真空的氩气泡中，随着翻滚的钢水将其带到钢水表面以便将其去除；去除钢液巾残余的非金属夹杂物(如氧化物、硫化物、氮化物等)；使钢液受热均匀：防止钢水氧化作用，因为氩气是惰性气体，在钢水表面能防止钢水氧化，起到保护膜的作用。这种方法使钢液与炉渣能够充分接触，创造了良好的冶金反应条件，增强了脱硫和脱氧的冶金效果。但脱氢的效果差。而底吹氩的优点是均匀钢水温度、成分和去除夹杂物的效果好．设备简单，操作灵便。

目前由于吹氩搅拌控制系统都采用开环控制方式，无法实时获取吹氩强度信息，因此往往存在欠吹或者过吹现象，降低了吹氩去杂质的效果，提高了氩气用量。当前钢厂钢包吹氩强度主要的监控方法为目测方式，即人工观察吹氩产生的钢水翻滚情况来判断吹氩强度，在钢水温度下降导致表面结壳后，往往无法判断准确，导致搅拌程度不够或者过搅拌，降低了钢水的品质。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，弥补现有吹氩搅拌控制系统的不足，通过吹氩强度的不同导致钢包表面振动强度不同的原理，来判断钢包内吹氩强度情况，从而提供一种基于振动信号的钢包吹氩强度监控方法和系统。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于振动信号的钢包吹氩强度监控方法，包括以下步骤：

（1）通过加速度传感器分别采集钢包壳体表面振动信号和环境振动信号；以数据采集卡对两路加速度传感器采集的信号进行AD采样，获得数字信号；

（2）通过巴特沃斯带通滤波算法提取所获数字信号中处于30~90Hz频率范围内的有效振动信号，再通过基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法将包含于钢包壳体表面振动信号中的环境振动信号剔除，提取出有效的振动信号；

（3）根据预先标定的吹氩强度-振动信号曲线，以提取到的有效振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。

本发明进一步提供了用于前述方法的基于振动信号的钢包吹氩强度监控系统，包括系统控制单元、前端传感器执行机构和工业现场控制单元；其中，

前端传感器执行机构包括设于固定座上的气缸，连接杆的一端与气缸相接，连接杆上设有一个加速度传感器；连接杆的另一端部设隔离弹簧，隔离弹簧的末端设有另一个加速度传感器，该加速度传感器的外侧设接触头；气缸、连接杆、连接杆、隔离弹簧和两个加速度传感器均位于防尘外壳中，防尘外壳底部与固定座实现连接；

工业现场控制单元是系统的前端控制构件，包括气缸控制电磁阀和伸缩控制开关，用于前端传感器执行机构的气动控制和开关输入操作；

系统控制单元包括工业级液晶显示器、工控机、工业现场处理控制单元和电源管理单元；工业现场处理控制单元通过电缆分别连接至工业现场控制单元、前端传感器执行机构和工控机；电源管理单元分别通过电缆连接至工业现场处理控制单元、工业现场控制单元和工控机；前端传感器执行机构由工业现场处理控制单元实现供电。

本发明中，在所述工业现场处理控制单元中内置了巴特沃斯带通滤波算法模块，该模块用于提取数字信号中处于30~90Hz频率范围内的有效振动信号。

本发明中，在所述工控机中内置了基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法模块，该模块用于剔除包含于钢包壳体表面振动信号中的环境振动信号。

本发明中，在所述工控机中内置了吹氩强度-振动信号比对模块，该模块用于根据预先标定的吹氩强度-振动信号曲线和有效振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：

（1)采用检测钢包表面振动强度的方法来监控钢包的吹氩强度，解决了传统依靠人工目测方式劳动强度大、不可靠以及无法量化的缺点，使吹氩搅拌过程更加的科学合理。

（2)采用巴特沃斯带通滤波算法与基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波等信号处理方法，能够实现有效信号的分析与识别，提高了系统的抗干扰能力。

（3)采用构件化模块设计方法，对钢包吹氩强度监控装置进行模块化封装，增加系统内聚，减少模块之间的耦合，使其能够根据不同的精炼炉生产条件以及工艺需求进行重构。

（4)安装维护方便，不改造原有设备，不影响炼钢生产；

（5)分辨率高，特别对低频振动反应灵敏。

附图说明

图1是系统功能构架示意图。

图2是前端传感器执行机构结构图。

图3是系统模块组成与电气连接示意图。

图4是软件处理算法流程图。

附图标记说明：前端传感器执行机构 1，工业现场控制单元 2，系统控制单元 3，钢包4，氩气钢瓶5，氩气通道 6；防尘外壳21，气缸22，加速度传感器 23，隔离弹簧 24，接触头 25，固定座26、连接杆27、加速度传感器 28。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及工业控制技术，是计算机技术在工业领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：巴特沃斯带通滤波算法模块、基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法模块、吹氩强度-振动信号比对模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

如附图1所示，本发明总体技术方案为：将前端两路加速度传感器安装在钢包4附近，通过气动执行机构将一路加速度传感器28与钢包4表面进行紧密接触，此加速度传感器28将检测钢包4表面的振动信号，另外一路加速度传感器23则用于采集钢包4周围环境的振动信号作为参考信息。两路传感器之间采用隔离弹簧24进行隔离。两路传感器的信号通过线缆传输到系统控制单元3，系统控制单元3通过数据采集卡对传感器信号进行AD采样获得数字信号，首先通过巴特沃斯带通滤波算法获取有效信号区间（30~90Hz）内的信号，然后再通过基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法将钢包4振动信号中的环境振动信号剔除，从而提取出有效的振动信号，最后通过振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。

系统控制单元3是系统的功能核心构件，其外在形式为拼装式室内控制柜，安装位置为精炼炉车间主控制室，完成对吹氩搅拌过程吹氩强度的监测；控制柜的金属材料采用表面处理后的优质冷板，从而保证机架的保护性能好、抗腐蚀性强；控制柜在底部设置了接地端子，机房内的地线可直接连控制柜底部的接地端子上；控制柜顶部配有风扇盘，以保证控制柜内的热空气顺利地排出；控制柜底部设置连线孔，可提供电源线、信号线和控制线的连接。系统控制单元3的内部集成了如下功能装置：工业级液晶显示器、工控机、工业现场处理控制单元、电源管理单元。

工业现场处理控制单元，用于接受前端传感器执行机构1回传的振动信号和工业现场控制单元2的开关量信号，并实现信号的模数转换、采集输入的开关量信号、输出控制信号以及与工控机通讯等四个主要任务。其中，信号的模数转换主要是对前端传感器执行机构1上传振动信号进行AD采样，作为吹氩强度判断的数据来源；输入的开关量信号包括前端传感器执行机构1伸出开关量信号和缩回开关量信号；输出控制信号为输出给工业现场控制单元2的控制指令，控制其进行前端传感器执行机构1的伸出或者缩回；与工控机的通信过程是指工业现场处理控制单元上传给工控机的钢包振动数据，开关量输入信号以及控制输出信号。工业现场处理控制单元分别连接至下述功能装置：通过电缆连接至工业现场控制单元2，实现开关量信号的采集和控制信号的传递；通过电缆依次连接前端传感器执行机构1，实现模拟信号的采集；通过电缆连接至工控机，实现开关量与模拟信号、控制信号的传递；

电源管理单元分别通过电缆连接至工业现场处理控制单元、工业现场控制单元2和工控机。电源管理单元用于为系统中各模块和控制单元提供电源，其额定输入交流220V, 50～60HZ，额定输入电流<5A，并具有电源工作/异常显示功能。前端传感器执行机构1由工业现场处理控制单元实现供电。

工业现场控制单元2是系统的前端控制和开关量信号采集构件，包括了气缸控制电磁阀和伸缩控制开关，主要用于采集用户的现场开关操作信号如传感器伸出或缩回信号传递到系统控制单元3，然后根据系统控制单元3发出的指令，驱动气动执行装置完成传感器的伸缩。

如附图2所示，前端传感器执行机构1包括了固定座26、气缸22以及连接杆27、加速度传感器23、加速度传感器28、隔离弹簧24、接触头25以及防尘外壳21。其中固定座26主要用于将执行机构可靠固定在钢包4附近；气缸22以及连接杆27主要用于将加速度传感器28伸出使前端接触头25紧密接触钢包4或者缩回使其离开钢包4表面；加速度传感器23、加速度传感器28分别用于采集环境振动信号和钢包4振动信号；隔离弹簧24用于将钢包4振动信号与环境振动信号进行一定的隔离，减少环境振动信号对钢包4振动信号的干扰；接触头25主要用于连接加速度传感器28与钢包4表面，防止直接接触导致加速度传感器28由于温度过高而损坏。防尘外壳21防止飞溅出来的钢渣对整体机械结构的损坏。

系统模块组成与电气连接示意图如附图3所示。工业现场处理控制单元作为现场控制的核心部件，与其他的单元相连。工业现场处理控制单元一方面分别接收工业现场控制单元2和前端传感器执行机构1的输入信号，进行处理后传输给工控机。另一方面，工业现场处理控制单元根据工控机的输入信息转化为开关量信号输出给工业现场控制单元2，完成对前端传感器执行机构1的伸缩控制。

软件处理算法流程图如附图4所示。系统控制单元通过工业现场处理控制单元对传感器信号进行AD采样后获得数字信号，首先通过巴特沃斯带通滤波算法获取有效信号区间（30~90Hz）内的信号，然后再通过基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法将钢包振动信号中的环境振动信号剔除，从而提取出与吹氩强度相关的有效振动信号，最后通过振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。

本发明使用了如下的软件功能模块：在工业现场处理控制单元中内置了巴特沃斯带通滤波算法模块，该模块用于提取数字信号中处于30~90Hz频率范围内的有效振动信号。在工控机中内置了基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法模块，该模块用于剔除包含于钢包壳体表面振动信号中的环境振动信号。在工控机中内置了吹氩强度-振动信号比对模块，该模块用于根据预先标定的吹氩强度-振动信号曲线和有效振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。

本发明的具体实现方法是：

（1）通过加速度传感器28、加速度传感器23分别采集钢包4壳体表面振动信号和环境振动信号；以数据采集卡对两路加速度传感器采集的信号进行AD采样，获得数字信号；

（2）通过巴特沃斯带通滤波算法提取所获数字信号中处于30~90Hz频率范围内的有效振动信号，再通过基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法将包含于钢包4壳体表面振动信号中的环境振动信号剔除，提取出有效的振动信号；

（3）根据预先标定的吹氩强度-振动信号曲线，以提取到的有效振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。

本发明中所使用的各功能模块或功能装置均为现有技术，可从市场公开采购，或者由软件编程人员根据生产装置实际情况进行编制。故对其具体结构、性能等参数不再赘述。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于振动信号的钢包吹氩强度监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过加速度传感器分别采集钢包壳体表面振动信号和环境振动信号；以数据采集卡对两路加速度传感器采集的信号进行AD采样，获得数字信号；

（2）通过巴特沃斯带通滤波算法提取所获数字信号中处于30~90Hz频率范围内的有效振动信号，再通过基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法将包含于钢包壳体表面振动信号中的环境振动信号剔除，提取出有效的振动信号；

（3）根据预先标定的吹氩强度-振动信号曲线，以提取到的有效振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。

2.一种用于权利要求1所述方法的基于振动信号的钢包吹氩强度监控系统，包括系统控制单元，其特征在于，还包括前端传感器执行机构和工业现场控制单元；其中，

前端传感器执行机构包括设于固定座上的气缸，连接杆的一端与气缸相接，连接杆上设有一个加速度传感器；连接杆的另一端部设隔离弹簧，隔离弹簧的末端设有另一个加速度传感器，该加速度传感器的外侧设接触头；气缸、连接杆、连接杆、隔离弹簧和两个加速度传感器均位于防尘外壳中，防尘外壳底部与固定座实现连接；

工业现场控制单元是系统的前端控制构件，包括气缸控制电磁阀和伸缩控制开关，用于前端传感器执行机构的气动控制和开关输入操作；

系统控制单元包括工业级液晶显示器、工控机、工业现场处理控制单元和电源管理单元；工业现场处理控制单元通过电缆分别连接至工业现场控制单元、前端传感器执行机构和工控机；电源管理单元分别通过电缆连接至工业现场处理控制单元、工业现场控制单元和工控机；前端传感器执行机构由工业现场处理控制单元实现供电。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述工业现场处理控制单元中内置了巴特沃斯带通滤波算法模块，该模块用于提取数字信号中处于30~90Hz频率范围内的有效振动信号。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述工控机中内置了基于LMS的自适应抗干扰抵消滤波算法模块，该模块用于剔除包含于钢包壳体表面振动信号中的环境振动信号。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述工控机中内置了吹氩强度-振动信号比对模块，该模块用于根据预先标定的吹氩强度-振动信号曲线和有效振动信号的强度来判断吹氩的强度信息。

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