CN113776613B - 一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置，包括支架，支架上安装驱动机构、传感器阵列，驱动机构包括电机、滑动托板、封堵头；传感器阵列的信号线及电源线经过升降压模块后与ARM主控器连接；ARM主控器和LCD显示屏通过信号线通讯连接，LCD显示屏将ARM主控器处理好的各项数据显示在LCD显示屏上；电机通过导线与ARM主控器连接，ARM主控器电源和外部供电连接，传感器阵列用信号线连接AC/DC转换模块后电性连接ARM主控器,传感器阵列有呈对称状分布在驱动机构下方的支架上；采用了多个传感器，可有效测量出铝口铝水温度、铝水流量，板载温度及封堵杆位移情况等各项参数，实现对铝水流量的实时监控；能够对出铝口铝水流量进行预测和预警。

Description

一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置

技术领域

本发明涉及传感器检测技术领域，具体为一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置。

背景技术

目前我国现代化建设发展迅速，国防工业的现代化和民用工业特别是交通运输业的发展都离不开铝棒，不仅国内市场的需要巨大，国际市场也有很大缺口，而在铝棒生产的过程中，熔铸铝水防溢漏问题是重中之重，如果不及时处置就会造成铸棒不能冷却，铸棒断裂，大量漏铝，生产失败，甚至导致大量铝漏入井中，产生大量蒸汽伤害操作人员，造成严重的安全事故。近几年铝厂爆炸时有发生，究其原因，大多是出铝口漏铝、无法及时堵塞所致。炉内装满液态铝，一旦漏铝，高温铝液迅速外泄，所到之处现场人员无法靠近，人工无法进行有效堵漏；而很多铝厂很少甚至没有配备自动堵漏装置，如果出现人工无法堵塞的漏铝事故，很可能酿成重大事故，而熔铸铝水防溢漏系统装置却鲜有报道。因此，设计一款自动堵漏装置来解决上述问题是非常必要的。

熔铸铝水防溢漏目前主要依靠工人手动推送封堵矸完成出铝口堵塞，以便达到防溢漏的目的。现阶段的这种作业方式对工人的依赖性很大且消耗大量人力物力。这种作业机制不但增加了作业环节，而且很容易受到外界因素的干扰，各项参数仅凭人工经验判定，难以实现长时间稳定运行。其他一些半自动式的封堵装置，仅依靠电力驱动封堵装置实现简单的开关，没有具体参数的定量显示和人机交互功能。本款熔铸铝水防溢漏系统装置结构相对简单，具有多传感器可测得铝口供电情况、铝液温度、铝水流量，板载温度等参数，不但标定起来很容易，而且具有良好的人机交互界面，提高了监测效率和精度，保障了生产安全，具有运行稳定和安全可靠的特点。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置。将铝液流量检测、铝液温度检测、装置位置检测结合起来，流量传感器可以检测铝水的流量大小，温度传感器可以检测铝水温度，接近感应开关检测封堵杆是否到达指定位置，MCU检测装置供电是否正常，从而实现对铝水流量的限流控制，高效的解决铝水溢漏问题，具有可行性强，精度高，减少人工作业受到外界因素的干扰而造成的安全事故，节约成本和安全可靠的特点。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置，包括支架，所述支架上安装驱动机构、传感器阵列，所述驱动机构包括电机、滑动托板、封堵头；所述电机输出轴与滑动托板的驱动丝杠连接，驱动滑动托板在驱动丝杠上前后滑动，滑动托板固定连接封堵头并带动封堵头前后运动完成出铝口的打开和堵塞；所述传感器阵列的信号线及电源线经过升降压模块后与ARM主控器连接；

ARM主控器和LCD显示屏通过信号线通讯连接，LCD显示屏将ARM主控器处理好的各项数据显示在LCD显示屏上；电机通过导线与ARM主控器连接，ARM主控器电源和外部供电连接，传感器阵列用信号线连接AC/DC转换模块后电性连接ARM主控器中,传感器阵列有呈对称状分布在驱动机构下方的支架上；

还包括人机交互单元；人机交互单元通过RS232通讯模块与LCD显示屏进行通信，人机交互单元实时显示被测传感器阵列测出的铝液温度、铝水流量、板载温度。

优选的，所述的传感器阵列包括温度传感器、流量传感器、接近感应开关；传感器阵列包括温度传感器、流量传感器、接近感应开关均与ARM主控器相连。ARM主控器采用STM32F103系列的芯片。

优选的，所述的传感器阵列采用转换后的直流电进行供电；所述的A/D模数转换器作为信号模拟量采集单元。

优选的，所述的ARM控制器还与A/D数模转换器、数据存储器、LCD液晶屏、JTAG、指示灯、按键电性相连。

优选的，所述的数据存储器采用SPI_FLASH字库存储器和EEPROM掉电数据存储器中的任意一个存储器。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置。具备以下有益效果：

本发明装置的优点在于：由于本发明采用了流量-温度-接近感应开关等多传感器多数据实时并行处理，所以对出铝口环境和流量的监控更加精确；采用STM32F103系列的芯片，它具有12位的模数转换ADC，最大的转换速率为1Mhz，也就是转换时间为1us，免去了信号转换的麻烦，测量精度高；采用了复合式多向轮询检测结构，所以高效的实现对出铝口各部位的检测，大大提高了检测的全面性及检测效率。

本发明方法的优点在于：采用了多个传感器，有效的测量出铝口铝水温度、铝水流量，板载温度及封堵杆位移情况等各项参数，形象的在显示屏界面显示，实现对铝水流量的实时监控；能够对出铝口铝水流量进行预测和预警。

附图说明

图1为本发明的封堵杆驱动机构侧面图。

图2为本发明的封堵杆驱动机构俯视图。

图3为本发明ARM控制器的原理框图。

图4为本发明检测方法的方案框图。

图5为本发明的软件流程图。

图6为本发明检测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置，包括支架6，所述支架6上安装驱动机构1、传感器阵列3，所述驱动机构1包括电机2、滑动托板、封堵头；所述电机2输出轴与滑动托板的驱动丝杠连接，驱动滑动托板在驱动丝杠上前后滑动，滑动托板固定连接封堵头7并带动封堵头7前后运动完成出铝口的打开和堵塞；所述传感器阵列3的信号线及电源线经过升降压模块后与ARM主控器4连接；

ARM主控器4和LCD显示屏5通过信号线通讯连接，LCD显示屏5将ARM主控器4处理好的各项数据显示在LCD显示屏5上；电机2通过导线与ARM主控器4连接，ARM主控器4电源和外部供电连接，传感器阵列3用信号线连接AC/DC转换模块后电性连接ARM主控器4,传感器阵列3有呈对称状分布在驱动机构1下方的支架6上；

还包括人机交互单元；人机交互单元通过RS232通讯模块与LCD显示屏5进行通信，人机交互单元实时显示被测传感器阵列3测出的铝液温度、铝水流量、板载温度。

进一步地，所述的传感器阵列3包括温度传感器、流量传感器、接近感应开关；传感器阵列3包括温度传感器、流量传感器、接近感应开关均与ARM主控器4相连。

进一步地，所述的传感器阵列3采用转换后的直流电进行供电；所述的A/D模数转换器作为信号模拟量采集单元。

进一步地，所述的ARM控制器还与A/D数模转换器、数据存储器、LCD液晶屏、JTAG、指示灯、按键电性相连。

进一步地，所述的数据存储器采用SPI_FLASH字库存储器和EEPROM掉电数据存储器中的任意一个存储器。

一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤A:当驱动机构1的电机2工作时，带动封堵杆前后移动，完成出铝口的打开和堵塞；电机通过导线与ARM主控器4连接，受ARM主控器4控制；传感器阵列中实现对出铝口的全方位监测。

步骤B:温度传感器检测铝液温度，将温度值转化为电压值；流量传感器检测出铝口的铝水流量大小；

步骤C:A/D数模转换器将模拟量转化为数字量，通过数据存储器将数据进行保存；

步骤D:ARM控制器4将转换后的数据进行数据融合，并在程序上实现算法方面的数据处理，最终将各参数信息通过LCD显示屏5进行数据显示；

步骤E:发生断水断电等紧急情况时，程序触发报警功能，由ARM主控器调动电机并驱动牵引装置完成封堵头7的锁紧及封堵过程，防止铝液发生渗漏；

步骤F:紧急情况解除后，通过按键发信号给ARM控制器4，驱动封堵头7后移，并在感应开关传感器的引导下恢复原位，LCD显示屏5通讯，将各参数信息显示出来，实现出铝口的实时在线监测。

1)实现熔铸铝水防溢漏需要采用电机驱动,保证堵头有足够的压力对流口进行堵塞。将驱动机构1设置为中空结构，生产线上的电缆从装置中间穿过去，将传感器阵列3呈对称状分布在驱动机构1的下方，传感器阵列3包括：铝液温度传感器、板载温度传感器、流量传感器、接近感应开关中的供电及信号引出线经过升降压模块后与ARM主控器4连接，外部供电及信号线通过AC/DC转换模块连接到ARM主控器4；

2)传感器阵列均采用+12V供电，其电源线，信号线通过升降压模块实现和ARM核心控制板之间的连接，并且电源正极、电源地、信号正、信号地分别对应一个接口，并采用交错排列的方式，保证电源线和信号线的信号互不干扰。

4)整个复合式多向轮询检测结构实现了传感器阵列，实现了对出铝口全面又高效的检测，总体结构示意图见图1、图2。

当发生出铝口漏铝时,需紧急启动堵漏装置。先对整个装置进行上电和初始化，在传感器检测到漏铝时,电机2可通过牵引装置推动封堵杆沿滑轨向前移动,并带动封堵头7进行堵漏,在封堵头7下降堵塞过程中会判断是否堵塞到位,堵塞到位后会得到接近感应开关的一个信号,ARM主控器4向电机2发送停止工作信号并解除警报,此时堵漏成功,堵漏系统停止运行。

当不需堵塞,需升起封堵头7时,ARM主控器4会给电机2发送信号,牵引装置推动封堵杆沿滑轨向后移动,在后移过程中堵漏装置上的接近感应开关会反馈位移信号,当得到后移到位信号,ARM主控器4向电机2发送停止工作信号,此时牵引装置推动堵漏杆后移成功,堵漏系统停止运行。

流量、位移二维静态标定时，首先进行多组实验，绘制位移和流量变化的关系曲线。根据标定数据，得到线性系数。

通过信号调理电路，首先经过全波桥式电路进行整流，再由RC低通滤波电路进行信号滤波，之后先通过LM324运算放大器的进行信号跟随，加强原始信号，再经过同相放大电路进行信号放大，再经过光耦隔离电路进行数模隔离，最终得到标准的直流电压信号。在A/D转换时，A/D转换模块先对模拟信号进行采样保持，采样完成以后会进入保持时间，这段时间内再将电压模拟量转化为数字量，并且将转换结果以一定的编码形式显现出来。

采用的ARM主控器4为STM32，它的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中，存储后数据进入STM32单片机中进行处理。

如图3所示，为整个ARM控制器4的系统框图，同时在数据处理方面加入了相应算法：

1)非线性校正算法：利用最小二乘法对静态标定时的水压、牵引装置推动位移曲线进行拟合，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，使得输入输出趋于比例关系，从而消除非线性带来的影响。

2)结合鲸鱼算法与ARMA的水压预测模型：由鲸鱼优化算法与用于研究时间序列的自回归滑动平均模型(ARMA)相结合的模型，通过利用鲸鱼优化算法的运算原理简单，自身具有较高可操作性且需要人为干预参数少，以及收敛迅速与全局搜索的能力较强等优点来弥补ARMA模型定阶不精确的劣势，使得整体模型对时间序列的预测更为精确，数据更加可靠。通过对时间序列关系的历史铝水压力数据进行整合，实现对未来时间段内铝水流量数据值的预测，防止出现铝水溢漏。

3)基于多元回归算法的激光位移传感器非线性误差建模和补偿:先将封堵杆驱动机构安装在标准位移台上，利用激光位移传感器对封堵杆进行测量，在封堵杆运动至不同的已知标准位移位置时，读取激光位移传感器的输出并计算非线性误差，进而通过测量数据建立非线性误差和传感器输出之间的数学模型，根据模型计算出传感器不同输出时的非线性误差，并对输出误差进行补偿。非线性误差补偿的核心在于准确的非线性误差模型，激光位移传感器的非线性误差需要通过校准的方式进行建模，而校准的实质也是对非线性误差测量数据的统计分析。多元回归算法的本质为构建一种多项式模型结构，根据输入输出变量的直接测量数据，对模型参数进行调整，使模型对于测量数据的残差平方和达到足够小的程度。经过这样的处理，可以使得封堵杆驱动装置推动的位移量更加精准。

液晶显示：将供电情况、铝水流量、铝水温度，封堵杆位移量等信息通过图形和文字方式显示出来，方便线下查看。

报警功能：设置一个输出环水泵压力阈值和装置电压及电流阈值，发生断水断电的紧急情况时传感器输出的数值超过这个阈值时，通过LED灯的闪烁，以及报警电路中蜂鸣器发声来实现报警功能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置，其特征在于，包括支架(6)，所述支架(6)上安装驱动机构(1)、传感器阵列(3)，所述驱动机构(1)包括电机(2)、滑动托板、封堵头；所述电机(2)输出轴与滑动托板的驱动丝杠连接，驱动滑动托板在驱动丝杠上前后滑动，滑动托板固定连接封堵头(7)并带动封堵头(7)前后运动完成出铝口的打开和堵塞；所述传感器阵列(3)的信号线及电源线经过升降压模块后与ARM主控器(4)连接；

ARM主控器(4)和LCD显示屏(5)通过信号线通讯连接，LCD显示屏(5)将ARM主控器(4)处理好的各项数据显示在LCD显示屏(5)上；电机(2)通过导线与ARM主控器(4)连接，ARM主控器(4)电源和外部供电连接，传感器阵列(3)用信号线连接AC/DC转换模块后电性连接ARM主控器中(4)；传感器阵列(3)有呈对称状分布在驱动机构(1)下方的支架(6)上；

还包括人机交互单元；人机交互单元通过RS232通讯模块与LCD显示屏(5)进行通信，人机交互单元实时显示被测传感器阵列(3)测出的铝液温度、铝水流量、板载温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置，其特征在于：所述的传感器阵列(3)包括温度传感器、流量传感器、接近感应开关；传感器阵列(3)包括温度传感器、流量传感器、接近感应开关均与ARM主控器(4)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置，其特征在于：所述的传感器阵列(3)采用转换后的直流电进行供电；所述的A/D模数转换器作为信号模拟量采集单元。

4.根据权利要求2所述的一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置，其特征在于，所述的ARM控制器还与A/D数模转换器、数据存储器、LCD液晶屏、JTAG、指示灯、按键电性相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置，其特征在于，所述的数据存储器采用SPI_FLASH字库存储器和EEPROM掉电数据存储器中的任意一个存储器。

6.一种基于多传感器技术的熔铸铝水防溢漏系统装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A:当驱动机构(1)的电机(2)工作时，带动封堵杆前后移动，完成出铝口的打开和堵塞；电机通过导线与ARM主控器(4)连接，受ARM主控器(4)控制；传感器阵列中实现对出铝口的全方位监测；

步骤B:温度传感器检测铝液温度，将温度值转化为电压值；流量传感器检测出铝口的铝水流量大小；

步骤C:A/D数模转换器将模拟量转化为数字量，通过数据存储器将数据进行保存；

步骤D:ARM控制器(4)将转换后的数据进行数据融合，并在程序上实现算法方面的数据处理，最终将各参数信息通过LCD显示屏(5)进行数据显示；

步骤E:发生断水断电等紧急情况时，程序触发报警功能，由ARM主控器调动电机并驱动牵引装置完成封堵头(7)的锁紧及封堵过程，防止铝液发生渗漏；

步骤F:紧急情况解除后，通过按键发信号给ARM控制器(4)，驱动封堵头(7)后移，并在感应开关传感器的引导下恢复原位，LCD显示屏(5)通讯，将各参数信息显示出来，实现出铝口的实时在线监测。

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