一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監控系統的製作方法

2023-07-27 14:34:21 3

專利名稱：一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監控系統的製作方法
技術領域：
本實用新型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控系統。
背景技術：
隨著科技的發展，用戶對鋼材的質量提出了愈來愈高的要求。從技術上看，鋼材的質量主要表現在其純潔度高、各相異性小、合金成分偏差範圍小等方面。鋼中雜質含量高，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。傳統的煉鋼工藝和裝備難以滿足高質量要求，因此必須採用爐外精煉技術。電弧爐是目前國內外主要的煉鋼設備之一。隨著工業的發展，廢鋼及其它原料的添加，電弧爐煉鋼技術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部及鋼渣之間的攪拌作用差，致使傳質、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。隨著轉爐復吹技術、鋼包底吹氬技術等發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越性，並且積累了大量的經驗。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。到80年代中後期，由於技術上可行，特別是在冶金和經濟上獲得了較大的效果，一些主要產鋼國開始對這項技術給予極大的重視，並且紛紛開發和推廣電弧爐底吹氬氣煉鋼新技術。精煉爐底吹氬煉鋼技術具有成本低、操作方便、攪拌效果好等優點，並由此產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；冶煉不鏽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，然後再吹人氬氣。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於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；去除鋼液巾殘餘的非金屬夾雜物(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。目前由於吹氬攪拌控制系統都採用開環控制方式，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象，降低了吹氬去雜質的效果，提高了氬氣用量。當前鋼廠鋼包吹氬強度主要的監控方法為目測方式，即人工觀察吹氬產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殼後，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。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是，彌補現有吹氬攪拌控制系統的不足，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控系統。為解決技術問題，本實用新型的解決方案是:提供一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監控系統，包括系統控制單元、前端傳感器執行機構和工業現場控制單元；其中，前端傳感器執行機構包括設於固定座上的氣缸，連接杆的一端與氣缸相接，連接杆上設有一個加速度傳感器；連接杆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設接觸頭；氣缸、連接杆、連接杆、隔離彈簧和兩個加速度傳感器均位於防塵外殼中，防塵外殼底部與固定座實現連接；工業現場控制單元是系統的前端控制構件，包括氣缸控制電磁閥和伸縮控制開關，用於前端傳感器執行機構的氣動控制和開關輸入操作；系統控制單元包括工業級液晶顯示器、工控機、工業現場處理控制單元和電源管理單元；工業現場處理控制單元通過電纜分別連接至工業現場控制單元、前端傳感器執行機構和工控機；電源管理單元分別通過電纜連接至工業現場處理控制單元、工業現場控制單元和工控機；前端傳感器執行機構由工業現場處理控制單元實現供電。本實用新型中，在所述工業現場處理控制單元中內置了巴特沃斯帶通濾波算法模塊，該模塊用於提取數位訊號中處於3(Γ90Ηζ頻率範圍內的有效振動信號。本實用新型中，在所述工控機中內置了基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波算法模塊，該模塊用於剔除包含於鋼包殼體表面振動信號中的環境振動信號。本實用新型中，在所述工控機中內置了吹氬強度-振動信號比對模塊，該模塊用於根據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肩、O基於上述系統的監控方法，包括以下步驟:(I)通過加速度傳感器分別採集鋼包殼體表面振動信號和環境振動信號；以數據採集卡對兩路加速度傳感器採集的信號進行AD採樣，獲得數位訊號；(2)通過巴特沃斯帶通濾波算法提取所獲數位訊號中處於3(Γ90Ηζ頻率範圍內的有效振動信號，再通過基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波算法將包含於鋼包殼體表面振動信號中的環境振動信 號剔除，提取出有效的振動信號；(3)根據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。與現有技術相比，本實用新型的有益效果主要表現在:(I)採用檢測鋼包表面振動強度的方法來監控鋼包的吹氬強度，解決了傳統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)採用巴特沃斯帶通濾波算法與基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波等信號處理方法，能夠實現有效信號的分析與識別，提高了系統的抗幹擾能力。(3)採用構件化模塊設計方法，對鋼包吹氬強度監控裝置進行模塊化封裝，增加系統內聚，減少模塊之間的耦合，使其能夠根據不同的精煉爐生產條件以及工藝需求進行重構。(4)安裝維護方便，不改造原有設備，不影響煉鋼生產；(5)採用進口的加速度傳感器，解析度高，特別對低頻振動反應靈敏。

圖1是系統功能構架示意圖。圖2是前端傳感器執行機構結構圖。圖3是系統模塊組成與電氣連接示意圖。圖4是軟體處理算法流程圖。附圖標記說明:前端傳感器執行機構1，工業現場控制單元2，系統控制單元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、連接杆27、加速度傳感器28。
具體實施方式
首先需要說明的是，本實用新型涉及工業控制技術，是計算機技術在工業領域的一種應用。在本實用新型的實現過程中，會涉及到多個軟體功能模塊的應用。申請人認為，如在仔細閱讀申請文件、準確理解本實用新型的實現原理和實用新型目的以後，在結合現有公知技術的情況下，本領域技術人員完全可以運用其掌握的軟體編程技能實現本實用新型。前述軟體功能模塊包括但不限於:巴特沃斯帶通濾波算法模塊、基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波算法模塊、吹氬強 度-振動信號比對模塊等，凡本實用新型申請文件提及的均屬此範疇，申請人不再一一列舉。 結合附圖，下面對本實用新型進行詳細說明。如附圖1所示，本實用新型總體技術方案為:將前端兩路加速度傳感器安裝在鋼包4附近，通過氣動執行機構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則用於採集鋼包4周圍環境的振動信號作為參考信息。兩路傳感器之間採用隔離彈簧24進行隔離。兩路傳感器的信號通過線纜傳輸到系統控制單元3，系統控制單元3通過數據採集卡對傳感器信號進行AD採樣獲得數位訊號，首先通過巴特沃斯帶通濾波算法獲取有效信號區間(3(Γ90Ηζ)內的信號，然後再通過基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波算法將鋼包4振動信號中的環境振動信號剔除，從而提取出有效的振動信號，最後通過振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。系統控制單元3是系統的功能核心構件，其外在形式為拼裝式室內控制櫃，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測；控制櫃的金屬材料採用表面處理後的優質冷板，從而保證機架的保護性能好、抗腐蝕性強；控制櫃在底部設置了接地端子，機房內的地線可直接連控制櫃底部的接地端子上；控制櫃頂部配有風扇盤，以保證控制櫃內的熱空氣順利地排出；控制櫃底部設置連線孔，可提供電源線、信號線和控制線的連接。系統控制單元3的內部集成了如下功能裝置:工業級液晶顯示器、工控機、工業現場處理控制單元、電源管理單元。[0034]工業現場處理控制單元，用於接受前端傳感器執行機構I回傳的振動信號和工業現場控制單元2的開關量信號，並實現信號的模數轉換、採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，信號的模數轉換主要是對前端傳感器執行機構I上傳振動信號進行AD採樣，作為吹氬強度判斷的數據來源；輸入的開關量信號包括前端傳感器執行機構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現場控制單元2的控制指令，控制其進行前端傳感器執行機構I的伸出或者縮回；與工控機的通信過程是指工業現場處理控制單元上傳給工控機的鋼包振動數據，開關量輸入信號以及控制輸出信號。工業現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現場控制單元2，實現開關量信號的採集和控制信號的傳遞；通過電纜依次連接前端傳感器執行機構1，實現模擬信號的採集；通過電纜連接至工控機，實現開關量與模擬信號、控制信號的傳遞；電源管理單元分別通過電纜連接至工業現場處理控制單元、工業現場控制單元2和工控機。電源管理單元用於為系統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，並具有電源工作/異常顯示功能。前端傳感器執行機構I由工業現場處理控制單元實現供電。工業現場控制單元2是系統的前端控制和開關量信號採集構件，包括了氣缸控制電磁閥和伸縮控制開關，主要用於採集用戶的現場開關操作信號如傳感器伸出或縮回信號傳遞到系統控制單元3，然後根據系統控制單元3發出的指令，驅動氣動執行裝置完成傳感器的伸縮。
如附圖2所示，前端傳感器執行機構I包括了固定座26、氣缸22以及連接杆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主要用於將執行機構可靠固定在鋼包4附近；氣缸22以及連接杆27主要用於將加速度傳感器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分別用於採集環境振動信號和鋼包4振動信號；隔離彈簧24用於將鋼包4振動信號與環境振動信號進行一定的隔離，減少環境振動信號對鋼包4振動信號的幹擾；接觸頭25主要用於連接加速度傳感器28與鋼包4表面，防止直接接觸導致加速度傳感器28由於溫度過高而損壞。防塵外殼21防止飛濺出來的鋼渣對整體機械結構的損壞。系統模塊組成與電氣連接示意圖如附圖3所示。工業現場處理控制單元作為現場控制的核心部件，與其他的單元相連。工業現場處理控制單元一方面分別接收工業現場控制單元2和前端傳感器執行機構I的輸入信號，進行處理後傳輸給工控機。另一方面，工業現場處理控制單元根據工控機的輸入信息轉化為開關量信號輸出給工業現場控制單元2，完成對前端傳感器執行機構I的伸縮控制。軟體處理算法流程圖如附圖4所示。系統控制單元通過工業現場處理控制單元對傳感器信號進行AD採樣後獲得數位訊號，首先通過巴特沃斯帶通濾波算法獲取有效信號區間(3(Γ90Ηζ)內的信號，然後再通過基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波算法將鋼包振動信號中的環境振動信號剔除，從而提取出與吹氬強度相關的有效振動信號，最後通過振動信號的強度來判斷吹氬的強度信息。本實用新型使用了如下的軟體功能模塊:在工業現場處理控制單元中內置了巴特沃斯帶通濾波算法模塊，該模塊用於提取數位訊號中處於3(Γ90Ηζ頻率範圍內的有效振動信號。在工控機中內置了基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波算法模塊，該模塊用於剔除包含於鋼包殼體表面振動信號中的環境振動信號。在工控機中內置了吹IS強度-振動信號比對模塊，該模塊用於根據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。監控的具體實現方法是:(I)通過加速度傳感器28、加速度傳感器23分別採集鋼包4殼體表面振動信號和環境振動信號；以數據採集卡對兩路加速度傳感器採集的信號進行AD採樣，獲得數位訊號;(2)通過巴特沃斯帶通濾波算法提取所獲數位訊號中處於3(Γ90Ηζ頻率範圍內的有效振動信號，再通過基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波算法將包含於鋼包4殼體表面振動信號中的環境振動信號剔除，提取出有效的振動信號；(3)根據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。本實用新型中所使用的各功能模塊或功能裝置均為現有技術，可從市場公開採購，或者由軟體編程人員根據生產裝置實際情況進行編制。故對其具體結構、性能等參數不再贅述。最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的一個具體實施例。顯然，本實用新型不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本實用新型公開的內容直接導出或 聯想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種基于振動信號的鋼包吹氬強度監控系統，包括系統控制單元，其特徵在於，還包括前端傳感器執行機構和工業現場控制單元；其中， 前端傳感器執行機構包括設於固定座上的氣缸，連接杆的一端與氣缸相接，連接杆上設有一個加速度傳感器；連接杆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設接觸頭；氣缸、連接杆、連接杆、隔離彈簧和兩個加速度傳感器均位於防塵外殼中，防塵外殼底部與固定座實現連接； 工業現場控制單元是系統的前端控制構件，包括氣缸控制電磁閥和伸縮控制開關，用於前端傳感器執行機構的氣動控制和開關輸入操作； 系統控制單元包括工業級液晶顯示器、工控機、工業現場處理控制單元和電源管理單元；工業現場處理控制單元通過電纜分別連接至工業現場控制單元、前端傳感器執行機構和工控機；電源管理單元分別通過電纜連接至工業現場處理控制單元、工業現場控制單元和工控機；前端傳感器執行機構由工業現場處理控制單元實現供電。
2.根據權利要求1所述的鋼包吹氬強度監控系統，其特徵在於，在所述工業現場處理控制單元中內置了巴特沃斯帶通濾波算法模塊，該模塊用於提取數位訊號中處於3(Γ90Ηζ頻率範圍內的有效振動信號。
3.根據權利要求1所述的鋼包吹氬強度監控系統，其特徵在於，在所述工控機中內置了基於LMS的自適應抗幹擾抵消濾波算法模塊，該模塊用於剔除包含於鋼包殼體表面振動信號中的環境振動信號。
4.根據權利要求1所述的鋼包吹氬強度監控系統，其特徵在於，在所述工控機中內置了吹氬強度-振動信號比對模塊，該模塊用於根據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。
專利摘要本實用新型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控系統。該系統包括系統控制單元、前端傳感器執行機構和工業現場控制單元；其中，前端傳感器執行機構包括設於固定座上的氣缸，連接杆的一端與氣缸相接，連接杆上設有一個加速度傳感器；連接杆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設接觸頭；氣缸、連接杆、連接杆、隔離彈簧和兩個加速度傳感器均位於防塵外殼中，防塵外殼底部與固定座實現連接。本實用新型解決了傳統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；安裝維護方便，不改造原有設備，不影響煉鋼生產。
文檔編號G05B19/418GK203144445SQ201320113368
公開日2013年8月21日 申請日期2013年3月12日 優先權日2013年3月12日
發明者李培玉, 呂攀 申請人:杭州譜誠泰迪實業有限公司