连铸结晶器振动在线监测系统的研制　李培玉。等　

连铸结晶器振动在线监测系统的研制　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏｎｌｉｎｅ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ｆｏｒ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｍｏｌｄ　

李倍至　互部　邪　傻　

（浙江大学机械工程学系’，浙江杭州３１００２７；杭州谱诚科技有限公司　，浙江杭州３１００２７）　

摘要：在连铸生产过程中，为了精确同节结晶器振动参数、提高钢坯质量，利用加速度信号的双重积分获得结晶器振动参数的方　法，研制了连铸结晶器实时在线监测系统。该系统实现了对结晶器振动性能指标的自动检测。试验及现场应用表明，该监测系统可　对结晶器产生偏振以及不按照非正弦规律振动等现象进行精确监测，能够满足连铸生产现场的监测要求。　关键词：加速度传感器非正弦振动　振动监测　相位补偿群延迟　中图分类号：ＴＨ１１３．２＋．１　文献标志码：Ａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｉ一）ｎ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｌｄ　ｆｏｒ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｌａｂｓ　Ｉ　ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｄｏｕｂｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｌｄ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｌｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔＯ　ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｎｏｔ　ｕｎｄｅｒ　ｎｏｎ—ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ｒｕｌｅ，ａｎｄ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｏｎ—ｓｉ：ｍｓｏｉｄａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｐｈａｓｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ　ｄｅｌａｙ　

０　引言　

结晶器是连铸机的关键设备，其作用是使钢水均　

匀、快速地冷却，形成厚度均匀、表面良好的初生坯壳。　结晶器进行有规律的往复振动，其目的在于防止拉坯　

时坯壳与结晶器壁发生黏结，同时能获得良好的铸坯　表面　Ｊ。由于结晶器的上下振动有利于润滑油和保护　渣向结晶器壁与坯壳间渗透，因而改变了润滑条件，减　

少了拉坯摩擦阻力和黏结的可能，保障连铸得以顺利　进行　。实践表明，采用非正弦振动波形比较符合生　

产需要。非正弦振动是指结晶器在振动时，其位移量　在与正弦振动有相同值的前提下，使结晶器在上升过　程中具有比下降时间更长的振动波形　。由于振动参　

数设置不合理，或在水平方向振动较大，会导致钢坯表　面拉裂甚至漏钢事故，因此，开发一种有效的结晶器振　动在线监测系统是非常必要的。　

１　结晶器振动检测方式　

结晶器振动控制的精度与稳定性是保障连铸机稳　

修改稿收到日期：２０１０—０８—２１。　第一作者李培玉，男，１９６６年生，１９９７年毕业于浙江大学机械制造及　其自动化专业，获博士学位，副教授；主要从事工业检测、嵌入式系统应　用的研究。　定运行和安全高效生产的前提　。目前，对结晶器振　

动的幅度、频率、波形及偏振状况等参数进行准确测量　与记录的主要方法有：①人工检测；②监测油缸行程或　

电动缸的旋转角度；③位移传感器检测振动；④加速度　

传感器检测振动。人工检测采用千分尺测量振动台相　

对于基座的位移、秒表测量频率，测量精度低、可获取　的振动参数值少，不能用于在线监测。位移传感器监　测需制作三方向相互垂直的基准块，并将传感器安装　

在固定基座上　，测量安装难度：赶，且由于传感器探头　

裸露，检测结果受现场环境影响较大。　针对传统检测方式存在的不足，提出一种基于超　

低频、高精度加速度传感器的在线监测技术。该监测　技术将传感器放置在结晶器振动台上，使传感器随振　

动台共同振动，从而直接获得振动台加速度信号。同　时，通过积分模块获得速度和位移信号，并利用相位补　

偿电路对积分器引入的相位畸变进行相位补偿，还原　非正弦振动的波形，获得精确的结晶器振动加速度、速　

度和位移波形。所有参数都和实时的振幅与振频有　

关。因此，对这个参数进行实时监测是非常必要的　。　

２在线监测系统的实现　

２．１系统构架设计　

监测系统由数据采集系统和监测软件组成。数据　

５２　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．７　Ｊｕｌ

ｙ　２０１１　连铸结晶器振动在线监测系统的研制李培玉，等　

采集系统由加速度传感器、信号调理模块和积分模块　构成。监测系统结构框图如图１所示。　

２２０Ｖ　交流　电源　

ＩＩ积分模块ｌ抗混叠滤波Ｉ　Ｉ　、　ｌ　—１　信　—１　号　多通道ｌ６位数据采集卡　

工控机　结晶器振动在线监测软件　臣圃匝固口困　

ｌ　振幅　ｌＩ　拉速　ｌｌ速度波形图ｌ　Ｉ　振频　ｌｌ正滑脱时间ｌＪ位移波形图Ｉ　ｌ位移轨迹图Ｉｌ负滑脱时间ｌＩ加速度波形图Ｉ　

图１　监测系统结构框图　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

加速度传感器负责采集超低频的振动信号；信号　

调理模块可将振动信号转化成电压模式下的加速度信　号；积分模块分别通过一次积分和二次积分获得速度　

和位移信号，然后利用相位补偿器去除相位畸变，最后　得到高保真的速度信号和位移信号。　

这些信号经过Ａ／Ｄ转换成数字信号送人工控机，　利用结晶器振动在线监测软件对数据进行实时波形显　

示、历史数据管理、自动报表打印等；同时，接人现场铸　

坯拉速信号，与振动速度检测结果进行对比分析，获得　负滑脱时间、负滑脱率和振痕间距等振动参数。　

２．２数据采集模块设计　２．２．１信号调理电路设计　

信号调理电路的主要功能是将传感器信号转变为　可被采集卡识别的电压信号，同时，利用抗混叠滤波滤　

除高频信号，通过高通滤波消除地面振动等原因引起　

的超低频干扰。加速度信号调理电路如图２所示。　

图２信号调理电路图　Ｆｉｇ．２　Ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

２．２．２传感器及采集卡选型　结晶器工作时的振幅为２～１０　ｍｍ，振频范围为　

０．５～７　Ｈｚ，因此，选用的加速度传感器测量频率范围　

为０～３００　Ｈｚ，横向灵敏度＜１％，量程为３　ｇ。　

《自动化仪表》第３２卷第７期２０１１年７月　数据采集卡是将模拟信号转换成数字信号的关键　设备，ＮＩ公司的ＰＣＩ－６０１４型ＤＡＱ卡是基于ＰＣＩ总线的　

１６位多功能数据采集卡，其最高采样速率为２００　ｋＳ／ｓ，　

可通过自带的驱动程序与工控机进行通信。该数据采　集卡传输数据精确度高、数字化误差小，能够满足结晶　

器振动在线监测系统要求的精度。　２．２．３积分模块设计　积分模块由积分电路、四阶巴特沃斯滤波器及相　

位补偿电路组成。该模块实现对加速度信号的积分和　

噪声滤除，并对滤波器引入的相位畸变进行补偿。设　为结晶器振幅、　为振动位移、ｔｏ为角频率，则加速　

度函数是位移函数对时间的二阶导数，表达式为：　

＝　ｍ０．２　ｓｉｎ（ｔｏｔ＋　）＋ｃｌ＋ｇ（ｔ）　（１）　经一次积分可以获得速度信号，再次积分可以获　得结晶器的振幅，其函数表达式如下：　

戈＝一－￣ｍｔｏＣＯＳ（ｔｏｔ＋　）＋Ｃ１ｔ＋Ｃ２＋ｈ（ｔ）　（２）　

＝一　ｓｉｎ（ｔｏｔ＋　）＋÷Ｃ１ｔ　＋Ｃ２ｔ＋ｓ（ｔ）　（３）　

在电路中，由于传感器和元器件的噪声及电源纹　波等原因，所获得的加速度信号中包含ｇ（ｔ）的噪声信　

号，通过积分后则得到ｈ（ｔ）速度噪声信号和ｓ（ｔ）位移　噪声信号。同时，由于加速度传感器存在零点误差ｃ　，　

积分后在速度波形中为一次函数，位移波形中为二次　函数，会导致严重信号漂移。因此在积分后，根据结晶　

器振动工作范围，加入频率范围为０．２～５０　Ｈｚ的四阶　巴特沃斯滤波器，以滤除低频漂移及高频噪声。　

２．２．４滤波器相位补偿的实现　由于滤波器的引入，必然带来原信号波形的相位　

畸变，使非正弦信号严重失真。以四阶巴特沃斯低通　滤波器为例，其传递函数为：　

ｌ　（ｊｔｏ）１　２：　（４）　１＋（　）　ｔｏ　式中：Ｊ　Ｈ（ｊｔｏ）Ｊ　为滤波器的幅频响应；ｔｏ为滤波器的　

角频率；ｔｏ　为截止频率；Ｇ。为ｔｏ＝０时的幅频响应。　滤波后，其滞后相角为：　

△　＝一ａｒｃｔａｎ［Ｈ（ｊｔｏ）］　（５）　式中：△　为信号通过滤波器后的滞后相角；Ｈ（ｊｔｏ）为　

滤波器的传递函数。　相角随振动频率变化而变化，因此，需要对结晶器　

振动频率范围内的信号进行相位补偿，并保证信号幅　

值不变。对此，系统采用多个全通滤波器串联的方式　

进行相位补偿　。全通滤波器在调节输入信号时不会　引入幅值的失真。全通滤波器的传递函数是　：　

５３　

电源控制模块　二　＝　赫黻　连铸结晶器振动在线监测系统的研制李培玉，等　

…　㈦　

将ｚ＝ｅ　代人式（６），可得：　

＝　㈩　

式中：Ｎ（ｚ）为全通滤波器输出的信号；Ｄ（ｚ）为全通滤　

波器输入的信号；Ｏ９＝２　为归一化频率；ｏ为实数。　全通滤波器的相位补偿电路如图３所示。　

图３相位补偿电路图　Ｆｉｇ．３　Ｐｈａｓｅ　ｃｏｍｐｅｎｓ．ａｔｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

图３中，二阶全通滤波器的作用是从一个二阶带　

通滤波器的输入信号中减去其输出信号，最终得到幅　频响应上没有失真的全通滤波器。　全通滤波器的特性是其增益在全部频率范围内是　

固定的，同时，相位响应与频率线性相关。由于这些特　性，全通滤波器可以在相位补偿和信号延迟电路中使　

用。全通滤波器的相位补偿前后的群延迟向应曲线如　图４所示。　

ｌ　１　

∞１　

艘　枯　

图４相位补偿　应曲线　Ｆｉｇ．４　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｐｈａｓｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　

２．３在线监测系统软件设计　２．３．１软件监测主界面　

结晶器振动在线监测系统软件主界面主要显示监　

测中加速度传感器的运行状态和主要参数。结晶器振　动在线监测系统软件界面主要包括监测控制模块、参　

数显示模块和图形显示模块。控制模块用来控制选择　系统投入监测的时机，控制监测启停等；参数显示模块　

可以显示结晶器振动参数，如振幅、振频和偏斜率等；　

图形显示模块可实时显示结晶：器振动的波形图，并实　

时直观地显示现场工作中的结晶器的振动规律。　２．３．２历史数据管理　

历史数据管理模块的主要功能是查询特定时间段　

内结晶器振动的历史运行数据。历史数据查询可按不　

同的检索条件进行检索，其中包括设备名字检索、特定　时间内的历史数据检索和特定参数的历史数据检索　等。