CN201909988U - 一种铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统 - Google Patents

Abstract

一种铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统涉及铁合金电炉冶炼技术领域，该系统包括多传感器数据采集电路、信号调理电路、微处理器、通信电路、D/A转换器、FLASH、SDRAM、电源电路和显示电路；其中微处理器根据多传感器采集到的数据利用最小二乘支持向量机信息融合的方法实现铁合金电炉冶炼过程的工况预报；工况判定的结果和经过查表求得的供电系统输入电压和电流值通过显示电路显示。电源电路可实现微处理器、多传感器数据采集电路、信号调理电路和通信电路所需的直流电源。本实用新型的有益效果是：该系统有效地提高了预报精度，使预报结果更加准确、合理，更具有实用性。

Description

一种铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统

技术领域

本实用新型涉及铁合金电炉冶炼技术领域，具体涉及一种铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统。

背景技术

铁合金电炉冶炼过程工况判断是铁合金电炉控制决策流程中的一个重要环节。铁合金电炉冶炼铁合金的过程一般分为四个时期，即引弧加料、主熔期、精炼初期和精炼期。通过对电炉工况准确的判断，可以及时调整各种物料的加入和供电策略，从而在不同的冶炼阶段采用不同的电气制度，快速、准确地达到产品生产要求，缩短冶炼周期，提高电弧炉的生产效率。

目前在冶炼过程中，对电弧炉工况实现准确而及时的检测尚不具备条件，要较好的控制电弧炉工况就必须通过准确的预报，结合智能控制技术，预设定和动态修改各种工艺制度，以便更好的满足冶炼要求。对此，各国钢铁企业以及相关研究机构一直致力于电弧炉工况诊断系统的研究和应用，常采用的方法有：基于专家系统的工况判断、基于神经网络的工况预报方法和以实际工程经验为基础的直接判断法。目前工况判断常用的方法优化目标一般都是基于经验风险最小化，易陷入局部最优，训练结果不太稳定，且一般需要大量的数据样本。

由于在复杂的工业生产过程中，工况无法用一个或几个过程变量来直接表示，某传感器的输出知识描述了工况的一个侧面而不是整个工况。采用适当的信息融合方法，将从不同侧面描述工况的多个传感器信息融合起来，就有可能获得对工况的完整或比较完整的描述，使人们能据此工况进行生产操作和实时干预，或系统按工况进行自动控制。电弧炉冶炼过程采用大量各式各样的传感器来监测和控制生产过程，多传感器系统是现代复杂生产过程控制的一个重要的特征，使信息融合技术引入工业控制成为必要。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统，该系统以微处理器为核心，利用冶炼过程的各种传感器信息采用最小二乘支持向量机SVM(Support Vector Machine)的方法进行数据融合分析，实现铁合金电炉冶炼过程的工况预报，预测结果具有较高的准确率，能够满足实际需要。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统，包括多传感器数据采集电路、信号调理电路、微处理器、通信电路、D/A转换器、FLASH、SDRAM、电源电路和显示电路；所述信号调理电路与多传感器数据采集电路连接，用于接收多传感器数据采集电路传来的数据采集信息，将多传感器数据采集电路输入的数据进行变换、滤波和隔离处理，转化为微处理器可接收的信号；所述微处理器与信号调理电路连接，用于将信号调理电路输入的模拟信号转换为数字量，然后交由微处理器进行多传感器信息融合处理，实现铁合金电炉冶炼过程工况的判定，并根据不同的工况，查表求得对应各种工况的供电系统输入电压和电流值；所述显示电路与微处理器的内置LCD控制器连接，用于显示工况判定的结果和求得的供电系统输入电压和电流值；所述D/A转换器与微处理器的输出接口连接，用于接收来自微处理器输出的对应各种工况的供电系统输入电压和电流值，通过D/A转换成模拟量驱动相应的执行机构；所述通信电路与微处理器连接，用于实现微处理器和上位机之间进行的系统调试；所述电源电路与微处理器连接，用于提供微处理器、多传感器数据采集电路、信号调理电路和通信电路所需的直流电源；所述SDRAM是微处理器外扩的内存，所述FLASH是微处理器外扩的存储器，微处理器在启动时将NAND FLASH中的4KB启动代码拷贝到微处理器外扩的内存SDRAM启动缓冲区中运行，实现从NAND FLASH的启动。

上述多传感器数据采集电路包括电极压放量位移传感器、电极弧电流传感器、变压器二次侧电流传感器、变压器二次侧电压传感器、有功电能测量的数字电能表、电炉冷却水流量传感器、炉料重量传感器和炉底温度传感器。

本实用新型的有益效果如下：

1)、采用多传感器信息融合的方法，将从不同侧面描述工况的多个传感器信息融合起来，获得对工况的完整或比较完整的描述，使预报结果更加准确、合理。

2)、采用嵌入式微处理器提供一系列完整的系统外围设备，大大降低了整个系统的成本，避免了为系统配置额外器件的需要。

3)、通过系统中D/A转换器驱动执行机构的接口，可根据铁合金电炉冶炼过程的工况预报结果进行生产操作和实时干预，或按工况进行冶炼过程的自动控制，提高了生产效率，更具有实用性。

附图说明

图1是本实用新型铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统的结构原理图。

图2是本实用新型所采用的最小二乘支持向量机信息融合技术的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述。

如图1所示，本实用新型的铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统由微处理器、多传感器数据采集电路、信号调理电路、通信电路、D/A转换器、FLASH、SDRAM、电源电路和显示电路组成；其中，微处理器内部含有存储器和A/D转换电路，对采集到的数据利用最小二乘支持向量机信息融合的方法实现铁合金电炉冶炼过程的工况预报。多传感器数据采集电路包括电极压放量位移传感器、电极弧电流传感器、变压器二次侧电流传感器、变压器二次侧电压传感器、有功电能测量的数字电能表、电炉冷却水流量传感器、检测炉料重量的压力传感器、炉底温度传感器共八个传感器数据信息。显示电路用于显示工况判定的结果和经过查表求得的供电系统输入电压和电流值。电源电路可实现微处理器、多传感器数据采集电路、信号调理电路、通信电路所需的直流电源。

下面结合各组成模块的功能，对本实用新型铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统的工作原理进行如下说明：

1、通过对影响系统工况的因素进行分析，确定电极压放量位移传感器、电极弧电流传感器、变压器二次侧电流传感器、变压器二次侧电压传感器、有功电能测量的数字电能表、电炉冷却水流量传感器、检测炉料重量的压力传感器、炉底温度传感器作为多传感器数据采集电路的组成，其输出给信号调理电路，以便进行相应数据处理。

2、信号调理电路接收多传感器数据采集电路的数据信息，将多传感器数据采集电路输入的数据进行变换、滤波和隔离处理，转化为微处理器可以安全接收的信号。由于本实用新型中的八个传感器信息均为模拟量，硬件设计中采用了电阻分压加电压跟随的方法，利用OP495充当电压跟随器，实现0-5V的电平向0-3.3V的电平转换，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。

3、微处理器是铁合金电炉工况预报系统的核心，采用Samsung公司推出的一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器S3C2410，利用S3C2410内置1个8通道10位的A/D转换器AIN[0]-AIN[7]，将信号调理电路输入的模拟信号转换为数字量，然后交由微处理器进行多传感器信息融合处理进行铁合金电炉冶炼过程工况的判定，并根据不同的工况，查表求得对应各种工况的供电系统输入电压和电流。工况判定的结果和求得的输入电压和电流值通过S3C2410提供的内置LCD控制器输出给显示电路显示；求得对应各种工况的系统生产操作指令通过S3C2410的输出接口输出给D/A转换器。

4、D/A转换器采用MAXIUM公司推出的低功耗，电压输出，10位串行数字/模拟转换芯片MAX504，MAX504的DIN引脚、SCLK引脚、CS片选管脚和CLR管脚分别与微处理器S3C2410的MOSI管脚、SPI时钟输出管脚SPICLK，I/O管脚VD1和VD0连接。D/A转换器接收来自微处理器S3C2410输出的数字信号，通过D/A转换成模拟量驱动相应的执行机构。

5、通信电路采用的MAX3232是3.3V供电电源的低功耗RS232接口转换芯片，微处理器利用独立的异步串行接口，通过MAX3232芯片与上位机的通讯接口相连，通过通信电路可方便进行系统调试。

6、电源电路可提供微处理器、多传感器数据采集电路、信号调理电路、通信电路所需的直流电源。

7、微处理器内置LCD控制器，与LCD模块OCMJ15x20D(320x240点阵)D系列中文液晶显示模块连接，采用四线电阻式触摸屏控制输入芯片FM7843实现触摸屏的控制，OCMJ15X20D上的J5脚为FM7843的控制线，可直接使用3V供电而不需外接负电压。来自微处理器的定制好的界面信息存储在微处理器S3C2410外扩的FLASH存储器内。当微处理器接收到触摸屏按键信息时，能够显示铁合金电炉冶炼过程的各种工况预报结果以及相应的系统电压和电流值。同时微处理器也对LCD模块进行界面的刷新，以完成人机交互。

8、SDRAM是微处理器外扩的内存，由于微处理器S3C2410具有32位数据带宽，本实用新型选用2片16位SDRAM芯片HY57V561620并联出64M的SDRAM。

9、FLASH为微处理器S3C2410外扩的存储器，本实用新型使用一片64MB的NAND FLASH芯片K9F12080。微处理器S3C2410在启动时将NAND FLASH中的4KB启动代码拷贝到微处理器外扩的内存SDRAM启动缓冲区中运行，实现从NAND FLASH的启动。

如图2所示，本实用新型铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统中的微处理器对采集到的数据利用最小二乘支持向量机信息融合的方法实现铁合金电炉冶炼过程的工况预报。具体过程如下：

设输入向量为x＝{x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈}为多传感器数据采集电路采集到的数据，其中x₁为预报周期时间内的电极压放量，x₂为预报周期内的电极弧流，x₃为预报周期内的变压器二次侧电流，x₄为预报周期内的变压器二次侧电压，x₅为炉底温度，x₆为有功电能，x₇为电炉冷却水流量，x₈为炉料重量。输出向量为四种工况，设输出向量为y_m＝{y₁，y₂，y₃，y₄}。其中y₁为引弧加料，y₂为主熔期，y₃为精炼初期，y₄为精炼期。

基于最小二乘支持向量机信息融合方法的步骤如下：

(1)选取二次多项式作为核函数

k(x_i)＝(1+x^Tx_i)²

式中，由于输入的多传感器采集的数据为8个，x_i＝[x_i1，x_i2，...，x_i8]，数据样本为n个，i＝1，2，...，n。

(2)定义Lagrange函数为：

$G=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^T\mathrm{\ω}+\frac{C}{2}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i^2-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i[y_i-{\mathrm{\ω}}^{T}k\left(x_i\right)-b-e_i]---\left(1\right)$

其中，ω为权向量，b为偏置，ω、b是待定参数。e_i为训练数据精度，

为最小二乘损失函数，C为容量因子。α_i为Lagrange乘子，x_i，y_i为已知的系统输入输出数据样本，其中y_i＝[y_i1，y_i2，y_i3，y_i4]。

(3)为使G达到最大。由

联立方程

$\frac{\∂G}{\∂\mathrm{\ω}}=0\⇒\mathrm{\ω}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{i}k\left(x_i\right)$ $\frac{\∂G}{\∂b}=0\⇒\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i=0---\left(2\right)$

$\frac{\∂G}{{\∂e}_i}=0\⇒{\mathrm{\α}}_i={\mathrm{Ce}}_i$ $\frac{\∂G}{\∂{\mathrm{\α}}_i}=0\⇒{\mathrm{\ω}}^{T}k\left(x_i\right)+b+e_i-y_i=0$

对于i＝1，...，n，消去ω和e_i，得到如下方程：

$\left[\begin{array}{cc}0& L^T\\ L& K+C^{-1}I\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}b\\ \mathrm{\α}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ Y\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中：L＝[1...1]^T，Y＝[y₁...y_n]^T，α＝[α₁...α_n]^T，K＝kw(x_i)k(x_j)，是一对称阵，j＝1，2，...，n。采用最小二乘方法，根据式(3)可求出参数α和b。

(4)根据第(3)步求得的α和b，预报输出为：

$y\left(x\right)=\mathrm{sgn}\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{i}K(x,x_i)+b\right)---\left(4\right)$

决策过程如下：首先根据SVM 1将属于点弧加料阶段的测试样本决策出来，不属于点弧加料阶段的样本通过SVM2进行分类，如此直到SVM3将主熔期阶段、精炼初期和精炼期样本决策出来。

本实用新型铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统能够有效地提高预报精度，使预报结果更加准确、合理，更具有实用性。

Claims (2)

1.一种铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统，其特征在于，该系统包括多传感器数据采集电路、信号调理电路、微处理器、通信电路、D/A转换器、FLASH、SDRAM、电源电路和显示电路；所述信号调理电路与多传感器数据采集电路连接，用于接收多传感器数据采集电路传来的传感器数据信息，将多传感器数据采集电路输入的数据进行变换、滤波和隔离处理，转化为微处理器可接收的信号；所述微处理器与信号调理电路连接，用于将信号调理电路输入的模拟信号转换为数字量，然后交由微处理器进行多传感器信息融合处理，实现铁合金电炉冶炼过程工况的判定，并根据不同的工况，查表求得对应各种工况的供电系统输入电压和电流；所述显示电路与微处理器的内置LCD控制器连接，用于显示工况判定的结果和求得的供电系统输入电压和电流值；所述D/A转换器与微处理器的输出接口连接，用于接收来自微处理器输出的对应各种工况的供电系统输入电压和电流，通过D/A转换成模拟量驱动相应的执行机构；所述通信电路与微处理器连接，用于实现微处理器和上位机之间通讯以进行系统调试；所述电源电路与微处理器连接，用于提供微处理器、多传感器数据采集电路、信号调理电路和通信电路所需的直流电源；所述SDRAM是微处理器外扩的内存，所述FLASH是微处理器外扩的存储器，微处理器在启动时将NAND FLASH中的4KB启动代码拷贝到微处理器外扩的内存SDRAM启动缓冲区中运行，实现从NAND FLASH的启动。

2.如权利要求1所述的一种铁合金电炉冶炼过程的工况预报系统，其特征在于，所述多传感器数据采集电路包括电极压放量位移传感器、电极弧电流传感器、变压器二次侧电流传感器、变压器二次侧电压传感器、有功电能测量的数字电能表、电炉冷却水流量传感器、炉料重量传感器和炉底温度传感器。

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