（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的板坯连铸机结晶器振动装置远程监测系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着工业自动化的发展，计算机控制技术在工业生产和管理中获得了广 泛应用，传统数据采集系统已不能适应现代工业网络化发展的需要。工业以 太网技术和i n t e m e t 技术的迅速发展以及两种技术的紧密结合，使得工业自 动化系统体系结构和操作管理方式发生了很大变化。在这一背景下，速度更 快、功耗更低、通信功能更强的嵌入式远程数据采集系统得到迅速发展。通 过i n t e r n e t 对工业现场情况进行远程监测已成为一种新的自动化系统运作模 式。 课题以唐山国丰钢铁股份有限公司薄板厂建成并投产了1 ”和2 两台中薄 板坯连铸机为监测对象，以现有连铸机设备为基础进行现代化技术改造。在 分析结晶器及其振动装置的基础上，综合其各部分工艺参数的特点和要求， 建立了用于现场的振动监测系统。监测系统能对一个或多个结晶器振动装置 进行监测，实现多通道振动信号的采样、数据处理和显示等功能。本系统以 3 2 位a r m 7 t d m i s 处理器为核心，嵌入式实时操作系统g c o s i i 为软件开 发平台，通过串行通信p p i 协议的方式与现场的p l c 控制设备连接；通过以 太网通信方式与远程控制中心的p c 机进行通信，实现采集数据的远距离传 输、存储和处理。监测现场的嵌入式数据采集系统利用实时操作系统i t c o s i i 进行任务之间的切换和通信，保证了系统的实时性、可靠性和稳定性，并具 可扩展性。 本文详细介绍了系统的总体设计，硬件电路设计和相应应用程序设计。 硬件开发是以主控模块的a r m 7 处理器l p c 2 2 1 4 芯片为核心，通过在 l p c 2 2 1 4 芯片上扩展r s 4 8 5 接口和网络接1 ：3 ，将现场的p l c 控制设备连接 到i n t e r n e t ，实现了p l c 和远程监测主机之间的网络通讯。软件开发是在主 控模块中以o c o s n 实时嵌入式操作系统为平台。在实验室对系统进行了测 试，试验表明系统设计达到了预期要求。 关键词：结晶器振动装置；a r m ；可编程逻辑控制器；远程监测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e r sc o n t r o lt e c h n o l o g y i ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，t h et r a d i t i o n a l d a t a c o l l e c t i n gs y s t e mc a l l tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i n d u s t r yn e t w o r k t h er a p i dd e v e l o p m e n ta n di n t e g r a t i o no fi n d u s t r i a le t h e m e t a n di n t e r n e tt e c h n o l o g yh a v em a d et h ea r c h i t e c t u r ea n do p e r a t i o nm e t h o d so f i n d u s t r i a la u t o m a t i cs y s t e mi m p r o v es i g n i f i c a n t l y i nt h i se a s e ，e m b e d d e dr e m o t e d a t ac o l l e c t i n gs y s t e mw i t hah i g h e rs p e e d 1 0 w e rp o w e ra n ds t r o n g e rr o b u s ti n c o m m u n i c a t i o nh a sw i t n e s s e da r a p i dd e v e l o p m e n t i th a sb e c o m ea k i n do fn e w w o r kp a t t e r no fa u t o m a t i cs y s t e mw h i c ht h ei n d u s t r i a lf i e l dd a t ai sm o n i t o r e d r e m o t e l yb yi n t e r n e t t h e1 8 a n drm e d i u mt h i ns 1 a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n er e b u i l d e db y t a n g s h a ng u o f e n gi r o na n ds t e e lc o ，l t d m e d i u mt h i ns l a bw o r k si nt h i s p a p e ra r et a k e na st h em o n t o r i n gt a r g e t ，b a s e do nt h ee a s t e r si ne x i s t e n c e ，t a k i n g m o d e r nt e c h n o l o g yr e b u i l d i n g ，a n dd e s i g n sa n de s t a b l i s h e sar e m o t em o n i t o r s y s t e mf o rs l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e t h eb a s i ce x p e r i m e n t a lm o d e li s c o m p l e t e d ，w h i c hi sb u i l to nt h ea n a l y s i so ft h ec o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l d s s t r u c t u r e ，t h ef i e l d w o r kr e q u i r e m e n t s ，s y n t h e s i so fi t st e c h n i c a lp a r a m e t e r s 。 c h a r a c t e r i s t i c e a c hm o n i t o ru n i tc a l lm o n i t o rs e v e r a lm a c h i n e sc o n d i t i o na tt h e s a m et i m e i tc o l l e c t sa n da n a l y s e sv i b r a t i o na n ds w i t c hs i g n a l sf r o md i f f e r e n t c h a n n e l s ，a n dd i s p l a i e sv a r i o u sp l o t sa n dc h a r t so fs i g n a l sm o n i t o r e do n l i n e ，a n d p r o c e s s e s a l a r me v e n t sa n d h i s t o r y d a t a a u t o m a t i c a l l y t h e 3 2b y t e s a r m 7 t d m i sm i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e dr e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e ml l c o s i ia r ea d o p t e dt od e s i g nt h ee m b e d d e dd a t ac o l l e c t i n gs y s t e mw h i c hc a n c o m m u n i c a t ew i t hp ci nt h er e m o t ec o n t r o l l i n gc e n t e rt h r o u g hs e r i a lp p ip r o t o c o l o re t h e r n e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s t h et o t a l l yn e w d e s i g nc o n c e p t i s e m p l o y e di nd e s i g n i n gt h e e m b e d d e dd a t ac o l l e c t i n g s y s t e m t h er e a l t i m e s y s t e mi su s e dt og u i d et h es w i t c h i n ga n dc o m m u n i c a t i o no ft h er e a lo p e r a t i n g s y s t e mp c o s i i ，w h i c hh e l p st oe n s u r et h er e a lt i m ef e a t u r e ，r e l i a b i l i t ya n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 s t a b i l i t yo f t h es y s t e m t h i st h e s i s p r e s e n t s t o t a l d e s i g n o ft h e s y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g na n d p r o g r a m m e sd e s i g n t h ed e s i g no fh a r d w a r eb a s e do na r m 7l p c 2 2 1 4 p r o c e s s o r ，e x t e n d e df r o mt h ee m b e d d e dp r o c e s s o ri no r d e rt oc o n n e c tt h ep l c i n t ot h ei n t e r n e t b yr s 4 8 5a n dn e t w o r ki n t e r f a c e s e s t a b l i s h e st h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h er e m o t eu p p e rc o m p m e ra n dt h el o w e rp l c t h e d e s i g no fs o f t w a r eb a s e do nr e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mo f “c o s i i t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e st h em e t h o do ft e s t i n g ，a n dt h es y s t e md e s i g na c h i e v e s p r o s p e c t i v er e q u i r e m e n tb yd e s i g n i n ga n dt e s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：m o u l do s c i l l a t i n g ；a r m ；p l c ；r e m o t em o n i t o r i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的提出 第1 章绪论 近年来，随着冶金技术的发展和相关学科的进步，计算机技术发展和广 泛应用，冶金生产及其控制技术发生了重大变革【l 】。特别是随着计算机网络 i n t e m e t 的发展，网络化的设备状态监测及故障诊断系统已经成为企业设备管 理的发展方向。设备状态监测网络化使设备监测分析人员和专家们不再局限 于在工业现场对设备进行状态监测，完全可以通过企业i n t r a n e t 或i n t e m e t 对设备运行状况进行远程状态监测和故障诊断。 在冶金工业中，连铸是指将液体金属经过一组特殊的冷却和支撑装置连 续的浇铸成一定断面形状的铸坯的过程 2 1 。连铸浇铸技术的应用，彻底改变 了钢铁冶炼车间的生产流程和物流控制，为车间生产的连续化、自动化和信 息技术的应用，以及为大幅度改善环境和提高产品质量提供了条件。板坯连 铸生产属于连铸生产的一种方式，板坯是炼钢连铸产品中尺寸较大、技术难 度很高的产品，也是热轧生产的主要来料源。 结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机“心脏”设备之一。 它的功能是： ( 1 ) 形成一个薄而灼热且无裂纹的固态凝壳； ( 2 ) 形成成品形状； ( 3 ) 以很高的速度从注流中吸热； ( 4 ) 促使非金属夹杂与正在凝固的坯壳相分离； ( 5 ) 达到合适生产率而不发生拉漏【3 】。 结晶器将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导 出热量，使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯。并使 这种芯部仍为液态的铸坯，连续不断的从结晶器下口拉出，为其在以后的二 次冷却区域内完全凝固创造条件。 结晶器振动装置的主要功能是使结晶器按照给定的振幅、频率和波形偏 斜特性沿连铸机外弧线运动，其目的是便于“脱模”，防止铸坯在凝固过程中 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 与结晶器铜壁粘结，出现粘挂漏钢事故，使从结晶器出来的铸坯具有一定厚 度的均匀坯壳，在机械应力和热应力的综合作用下，既不会被拉断，也不致 产生歪扭变形和裂纹等质量缺陷【4 】。 目前国内外冶金界努力的方向是实现高效连铸技术，高效连铸是以高拉 坯速度为核心，生产高质量、无缺陷的高温铸坯，实现高连铸率、高作业率 的技术。实现高效连铸的主要因素之一是能够对连铸机结晶器工作时状态和 参数进行监测，不仅指在结构上对结晶器进行改造，而且是指在现有结晶器 的结构上，能够将设备状态发挥到最佳，对其振动状态进行监测，将拉速提 高、负滑动时间减小、振痕减少、振痕深度变浅等等，使得整个设备达到最 佳状态。既而对连铸结晶器振动设备进行监测可随时掌握结晶器的运行状态， 了解结晶器振型随拉速而改变的规律及各项偏差与拉速的关系，并可判断传 动系统磨损、导向系统偏差等设备故障，对铸坯的质量和铸速的提高有着重 要的意义【5 1 。 铸坯表面质量在很大程度上取决于振动曲线的波形、振幅和频率。最通 用的波形是用机械方法或液压方法产生的，即使是同一台连铸机结晶器振动 装置的振动幅值和频率也不是完全相同的。在同一台连铸机中，对于不同的 钢种，可以有不同的振动方法，但一般来说，一旦确立了最佳振动方法，就 希望保持这种方法不变。这就要求定期的检查并纠正振动装置的物理状态和 振动曲线的波形。就拿连铸机生产过程中最常见的质量缺陷“漏钢”为例，板 坯连铸机一次典型的漏钢事故所造成的损失达数十万美元。漏钢大致可以分 为粘结漏钢、纵裂漏钢、夹渣漏钢等。其中以粘结漏钢最为常见，占漏钢总 数的一半以上。例如在武钢某连铸机漏钢原因分析中【6 1 ，全年总共1 7 次漏钢 事故中粘结漏钢就有9 次。而在粘结漏钢产生原因中，由于结晶器振动偏差 而产生漏钢占了6 次，从数据中足可以看出结晶器振动状况对连铸生产顺利 进行的重要影响，如下图1 1 及表1 1 武钢某连铸机2 0 0 2 年漏钢情况汇总。 4 一一一8 q 。“i 罗 i 司 凡见难 蔼 a 夹钢卷遭裂纹粘结振痕 图1 1 武钢某连铸机漏钢分类 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 1影响粘连漏钢各因素比例 粘连漏钢次数结晶器振动偏差 保护渣性能不良液面波动 962l 随着国内冶金工业的迅速发展，不少企业都开始引进国外先进设备和技 术。对于连铸机中至关重要的结晶器更是纷纷出巨资购入，聘请国外专家安 装并调试。但是，由于国外技术的保密政策，对于结晶器许多关键技术上的 难题在企业是很难找到技术人员能够解决。在生产过程中结晶器一旦出现故 障将直接影响生产，严重会造成停机。因此，企业就不得不再次高薪聘请国 外专家或国内专家专程远道而来的解决问题，不仅花费大量的金钱，同时也 耽误了生产进度，无形中增加企业的生产成本、降低了利润，给企业的发展 带来了不良的影响。另外，在生产现场结晶器振动装置具有频率低、相位精 度高的特点，工作环境高温高湿，在线检测难度比较大。更严重的是，对于 结晶器内部钢水的液面检测通常采用放射性元素钴( g 0 6 0 ) ，如果操作人员靠 近将会给身体健康带来巨大的伤害，在国内的一些企业曾有类似的事故发生。 故而能开发一套在不改变原来结晶器振动装置任何结构的基础上，在企业原 有结晶器振动装置上加装远程髓测系统以保证结晶器处于正常的工作状态， 对于企业员工、企业乃至国民工业的发展都具有重大意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 连铸结晶器振动装置监测技术 结晶器按铸坯断面形状分为方坯( 大方坯的断面边长大于2 0 0 m m 、小方 坯的断面边长小于1 5 0 m m ) 、板坯( 指厚度比超过2 5 ：1 的铸坯) 、矩形坯、圆 坯和异形断面结晶器。 方坯连铸机的振动装置主要是采用机械振动( 正弦振动曲线) ，而板坯连 铸机的振动装置主要采用机械振动( 正弦振动曲线) 和液压振动( 正弦和非正 弦振动曲线) 【7 l 。从效果上看，液压振动由于其控制精度高，机械结构简单， 设备重量轻且振动波形、振幅和频率可以在浇铸过程中随意调整而受到广泛 的重视。 在欧美许多国家液压振动技术在大板坯连铸机振动装置上得到普遍应 用，液压振动有着机械振动所实现不了的优越性。由液压驱动对结晶器的振 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 幅和频率直接控制，可采用任何振动曲线，并可在线随机任意设定振动波形、 振幅及频率。液压振动可产生非正弦振动曲线，这种振动曲线对生产工艺很 有好处i s 】。美国共和工程钢公司已向奥钢联工业设备公司( v a i ) 订购d y n a f l e x 结晶器液压振动设备，用于安装在该公司的一台六流小方坯大方坯连铸机 上。v a i 所提供的d y n a f l e x 结晶器液压振动技术包括已获得专利“c a s c a d e ” 型振动引导系统。 在国内，随着连铸铸坯热送装置及直接轧制技术的发展，生产节奏大幅 加快，为了提高企业的生产效率，实现高效连铸的目标，需要工艺、设备、 生产组织和管理、物流管理、生产操作以及与之配套的炼钢车间各个环节的 协调与统一而高精度、长寿的结晶器振动装置是高效连铸关键技术之一， 这其中包括振动装置硬件的优选及结晶器振动形式、振动工艺参数的软件优 化。因此一些较大企业开始出资引进国外先进设备和技术。 ( 1 ) 西安重型机械研究所( 西重所) 经过数年理论研究与试验，研发出国内 第一套具有全部自主知识产权的液压振动装置。目前己在宝钢集团上钢五厂 薄板坯连铸机、唐钢集团第一炼钢厂板坯连铸机、攀钢集团炼钢厂大方坯连 铸机上得到良好应用1 9 ； ( 2 ) 由奥钢联( v a i ) 提供的液压非正弦振动器技术于l9 9 5 年在a r m c o m a n f i e l d 厂薄板坯连铸机上首次投入运行。实践证明，液压伺服系统是可靠 的，灵活的，液压伺服驱动的振动装置可以产生非正弦振动波形、正弦振动 波形和其它任意的波形振动，实现控制过程监控，实时显示，并可根据拉坯 速度的变化自动调节振动参数，便于实现结晶器振动操作的优化，它能为每 一次浇铸设置最佳的振动参数，并且振动参数可以在线调节【1o l ； ( 3 ) 2 0 0 4 年攀枝花钢铁集团公司增建的了2 “板坯连铸机，该机采用达涅 利公司开发的结晶器和结晶器液压振动i n m o ( i n t c g r a lm o t i o n ) 系统。i n m o 结晶器是d a n i c l i 的一项专利技术，它是结晶器和振动机构组合成一体，振动 质量小，提供相对于铸流中心线的结晶器振动的精确导向，可获得零误差导 向系统，再配上液压振动装置，即可在所有浇铸条件下获得良好的铸坯表面 质量【1 1 】； ( 4 ) 2 0 0 5 年4 月宝钢研究院建成兼顾板坯、薄板坯生产试验的多功能连 铸试验平台，同时与国内协作单位共同研究，开发了国内首台适用于板坯连 铸的结晶器电液伺服振动系统，通过半工业化试验环境下的优化研究，预期 将形成设备和工艺相结合的成套技术，并拟将这一技术推广应用于市场【1 2 j ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 5 ) 2 0 0 5 年邯郸钢铁集团公司c s l 4 薄板坏连铸机是从德国西马克公司引 进的先进设备，其结晶器振动台采用了由伺服控制液压驱动短四连杆机构， 可获得高频小振幅振动，具有很高振动精度及运行可靠性【”l ； ( 6 ) 武汉钢铁集团公司第一炼钢厂2 x 5 流小方坯连铸机生产线上采用了 电液伺服系统驱动的结晶器振动装置，该装置可根据连铸工艺实时调节振幅、 频率、波形等振动参数，是当前比较先进的驱动方式【h l 。 由于国内对液压装置研究比较薄弱，技术不成熟，在国内使用连铸机结 晶器液压振动装置往往也是依赖国外技术，由国外技术人员对其设备安装与 控制，并对技术保密而且对于后期设备功能更新的费用也是极其昂贵。因此 目前国内一些高校和研究机构也开始对结晶器液压振动装置进行研究。 ( 1 ) 北京科技大学机械工程学院对连铸机结晶器电液伺服系统展开研 究。同期开发的连铸结晶器振动计算机测控系统主要由工控机、数据采集板 和相应软件的组成。采用i n t e l 8 0 5 8 6 1 6 6 m h z 工业控制计算机。配有h y - 6 0 5 0 光电隔离d a 板( 1 l o v 输出) 和h y - 6 0 4 0 光电隔离a d 板( 1 0 v 输出) 【”】： ( 2 ) 北京科技大学同北京冶金设备研究院、济南钢铁公司合作开发了铸 机半径为4 5 0 0 m m 弹簧板式四连杆结构的结晶器的液压振动实验装置，并对 其进行研究【16 】； ( 3 ) 武汉科技大学机械自动化学院研究的电液伺服驱动的连铸机结晶器 激振系统。该系统与传统的直流电机或交流变频电机驱动偏心凸轮的结晶激 振系统相比，电液伺服驱动的连铸机结晶器激振系统具有能实现非正弦振动、 易于实现计算机控制、布置方便和可以实现多流连铸机共用泵站节能及群控 等优点。该研究采用计算机控制的电液伺服结晶器激振系统，可以方便地产 生各种振动规律，实现控制过程监督、实时显示并根据拉坯速度实时修改振 动参数，提高连铸坯质量和提高金属收得率，从而实现连铸过程的自动化1 1 7 】； ( 4 ) 燕山大学机械工程学院运用机理建模的方法，综合考虑伺服阀流量 非线性和负载结构谐振，建立了液压伺服系统的数学模型，并设计了变结构 控制器，对同类产品设计具有一定的借鉴意义【l8 1 。 连铸机结晶器振动状态的监测分为离线与在线两种机制。离线监测一般 用做安装与调试设备的手段。在线监测可随时掌握设备的运行状态，了解结 晶器振型随拉速而改变的规律及各项偏差与拉速的关系，并可判断传动系统 磨损、导向系统偏差等设备故障，对铸坯的质量和铸速的提高有着重要的意 义。由于结晶器振动具有频率低、相对精度高等特点，工作环境湿度大、温 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 度高，在线检测有一定难度。 在日本有很多连铸机配备有振动装置的监测控制系统，如日本钢管公司 福山厂6 号机，有振动波形监视系统。或者是配备了一体化控制系统，如日 本川崎铁水岛厂4 号机；而欧洲相对而言比较少，芬兰罗德洛钢铁公司6 号 机采用了奥钢联的d y n a f l e x 振动装置，可以在线动态调节。德国的西马 克公司的连铸机产品则比较少的配置在线监测控制系统【1 9 】。 在国内，为解决板坯连铸机生产过程中存在的质量、技术、设备等问题， 借鉴国内外连铸技术研究先进经验，宝钢与西安重型机械研究所等单位合作， 设计并制造了国内第一台多功能板坯连铸机试验平台。该实验平台可兼顾板 坯、薄板坯的连铸试验完成板坯连铸结晶器液压振动系统状态监测试验研究， 同时还设定了表面温度检测、结晶器摩擦力检测、结晶器瞬时热流检测和一 冷区大( 轻) 压下的力检测等功能，可满足不同功能的试验要求【2 们。 2 0 0 2 年同济大学信息与控制工程系对宝钢炼钢车间四套结晶器进行了 基于p l c 的结晶器检测系统设计。现场有四套结晶器检修台，检修台的电气 控制柜距离控制台较远。根据现场的控制要求和实际操作的需求，采用一套 带有远程通信功能的y a s k a w a ( 日本安) 1 1 ) c p 3 5 0 0 h 可编程控制器来控制这 四个工作台，实现现场检测和电气控制分离，在不影响实时控制的前提下降 低了布线成本1 2 “。 2 0 0 2 年北京冶金设备研究院同攀枝花钢铁集团公司合作设计并完成了 板坯连铸机的结晶器振动状态在线监测系统。该系统并应用于攀钢1 3 5 0 r a m 板坯连铸机结晶器上。该系统硬件由传感器系统、变送系统、采集系统和工 控计算机系统组成1 1 9 1 。 2 0 0 3 年燕山大学机械工程学院推出基于预测控制理论的连铸结晶器振 动监控系统。该系统是基于预测模型、滚动优化实施并结合反馈校正的优化 控制算法。预测控制对模型的精度要求不高，适应于时滞对象或非最小相位 系统，跟踪性能良好，比传统的最优控制、自适应控制更适应于复杂工业过 程控制【2 2 】。 2 0 0 4 年浙江大学仪器科学与工程学系采用虚拟仪器技术对连铸机结晶 器振动装置在线监测进行了研究。该系统采用了对结晶器的振动( 1 0 h z 以内 的正弦振动) 进行实时监测和诊断，系统可对结晶器的振动频率、振动幅值、 负滑动时问、负滑动率等参数进行不间断地监测、记录，以得到结晶器运行 时满足各种分析与诊断功能要求的数据1 2 3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 0 0 6 年由武汉科技大学机械自动化学院同武汉钢铁集团公司第一炼钢 厂合作完成的结晶器液压伺服振动系统状态监测与故障诊断系统。该系统由 d y n a f l e x 振动p c 机、p l c 、主控制器( m c u ) 、从控制器( 铸流控制器s c ) 、 液压伺服系统等组成，工作原理是：通过d y n a f l e x 振动p c 机采集连铸工艺 参数，经运算得到的振动参数以5 s 的循环周期从振动p c 机传送到主控制器 ( m c u ) ，主控制器再将这些参数分配给从控制器( 铸流控制器s c ) ，从控制器 每隔1m s 将最新参数传送给伺服控制单元p l 6 ，同时振动液压缸的行程通过 位移传感器反馈到伺服放大板p l 6 与从控制器输出指令信号比较得到误差信 号，然后由伺服放大板p l 6 上电流负反馈放大模块功率放大后驱动电液比例 伺服阀控缸构成闭环控制系统1 1 4 】。 同年武汉科技大学自动化学院又推出基于l a bw i n d o w s c v i 的结晶器液 压振动在线监测控制。该系统把l a bw i n d o w s c v i 应用于炼铁厂结晶器液压 振动监测，由于对结晶器采用正弦非正弦振动，系统能实现针对不同的钢种 和工艺环境，设置不同的浇注参数，从而确定特定拉速下的振频、振幅系统， 正负滑脱时间及所选择的振动曲线以达到实际生产要求 24 1 。 综上所述，从以上国内外连铸机结晶器振动装置监测技术的发展现状来 看，对于连铸机结晶器液压振动装置的监测往往都是采用结晶器液压伺服振 动装置本身固有的位移、压力等传感器提供的状态信息。如果在生产实际过 程中需要改动原固有的振动装置传感器参数，则必须依赖于原装置的生产厂 家；而且，国内不少企业选用的结晶器液压振动装置的监测设备都是从国外 一些名牌企业引进，这些企业又是通常对于这一领先技术采取严格保密政策， 不会将液压伺服振动系统除设备本地显示器外的状态信息向外提供。国内企 业在本地是很难找到相应的技术支持人员，能够依据实际生产状况来改变结 晶器振动状态或维修结晶器故障；另外，即便在同一企业也会存在多条生产 线，结晶器振动装置的监测设备都存在本地机中。如果其中一条或多条生产 线的结晶器振动装置出现故障，现场技术人员就不得不亲身实地的去勘查设 备以致发现故障找出原因。而且前文中也曾提到，结晶器液面检测通常采用 放射性元素钻( g 0 6 0 ) ，技术人员靠近将对身体健康有巨大伤害。因此，如何 给未配置监测设备的连铸机结晶器振动装置增加一套监测系统并实现其远程 监测功能是具有重大而又深远的意义。 1 2 2 基于i n t e r n e t 的远程监测技术 基于i n t e m e t 的远程监测诊断研究工作最早是从医学领域开始的，1 9 8 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 年在美国提出开放式的远程医疗系统的概念，包括远程诊断、专家会议、信 息服务、在线监测和在线学习几个部分【2 5 l 。 远程医疗诊断采用的系统体系结构、信息传输方法和异地专家会诊组织、 实现的形式都可以为远程监测诊断借鉴和采用，但由于投入的科研经费少、 人力不足等原因，工业领域的远程监测诊断工作进展较慢。1 9 9 7 年首届基于 i n t e r n e t 的工业远程监测诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工大学主办，会议 讨论了远程监测诊断系统连接开放式体系、诊断信息规程、传输协议，会后 很快建立了一个限于合作者问的远程诊断示范体系t e s t b e d 。该系统采用嵌入 式w e b 组网，用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 实现远程信息交换和诊断推理。 密执安大学也在积极开展针对机械加工的远程监测诊断和制造系统的研究工 作，并在i n t e m e t 上建立了一个宣传站点1 2 6 1 。许多大公司在他们的产品中加 入了i n t e m e t 功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行状态监测系统 d a t a m a n a g e r 2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e t d d e ) 的方式向远程终端发 送设备运行状态，n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b v i e w 中新 增加了i n t e r n e t 模块，可以通过w w w 、e m a i l 、f t p 方式发送测试数据。 国内就目前可查阅的资料来看，西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨 工业大学都在向国外先进水平看齐，已开始或准备开始从事工业领域的远程 监测诊断研究工作。目前为止，西交大和上海交大的远程监测诊断中心已基 本上建立。华中理工大学也于1 9 8 9 年初开始了前期研究工作，并于同年1 1 月在i n t e m e t 上设立了一个远程诊断宣传站点。华中理工大学何龄松教授的 个人站点r e m o t ed i a g n o s i sh o u s e 也详细的介绍了远程故障诊断，并列出了 一些远程产品1 2 7 1 。 1 2 3 基于状态监测与诊断系统的虚拟仪器技术 状态监测与故障诊断系统包括信号的预处理、采集、分析以及后处理。 传统意义上的振动监测系统往往是由传感器、电荷放大器、采集分析仪等一 系列复杂设备组成。其繁杂的操作程序，即使是专业人员操作也经常由于主 观或客观的偶然因素造成测试结果的不准确。从8 0 年代起，外国已有专用的 仪器，如h p 3 5 6 2 ，b k 2 0 3 2 等，它们分析精度高、功能多，但价格昂贵，操 作复杂。国内大多是模拟式和数字式仪表，功能比较单一。多年来对振动信 号的采集处理及设备的诊断工作都集中在各高等院校、研究机构等部门，设 备诊断理论和信号分析技术远远没有真正走进工厂的大门，也远不能适应企 业大工业化生产的需要。伴随着p c 机性能的提高和监测诊断技术的不断发 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 展，虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 形式的状态监测与故障诊断系统正是适应了 实际生产的需要而产生面向企业实际的高科技产品1 2 5 】。 所谓虚拟仪器，就是利用现有的p c 计算机，加上特殊设计的仪器硬件 和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能 的新型仪器。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器显示功能来模拟传统仪器 的控制面板，以多种形式表达输出检测结果：利用计算机强大软件功能实现 信号数据的运算、分析和处理；利用1 1 0 设备完成振动信号的采集、测量与 调理，从而完成各种测试功能一种计算机仪器系统。计算机的显示器类似传 统仪器的操作面板，输入设备( 如鼠标，键盘) 相当于传统仪器的功能按钮【2 9 1 。 国外对虚拟仪器研究最突出的是美国，如n i 公司的l a b v i e w ， l a b w i n d o w s 虚拟仪器开发平台；h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件； h e m d a t a 公司的s n a p m a r t e r 平台软件等都是国际上公认的虚拟仪器开发软 件平台1 3 “。1 9 8 8 年虚拟仪器产品陆续在国际市场上问世，当时有5 家制造商 推出3 0 种产品。到1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂达到9 0 余家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品。国内也取得较大的发展，如北京振通研究所的振通9 0 9 ， 北京东方振动研究所研制的智能信号数据采集系统等，但它们与国外仪器相 比还存在差距，主要体现在没有自己的专用开发平台，开放性差 3 1 1 。 1 2 4 远程嵌入式振动监测系统 远程嵌入式振动监测系统是故障诊断技术与网络通信技术、嵌入式系统 技术、虚拟仪器技术相结合的产物。它不仅能监测到机械设备的电气信号， 而且当用户设备出现故障时，现场设备嵌入式监测系统通过i n t e m e t 与远程 故障服务中心的诊断系统建立通信连接，现场设备嵌入式监测系统将获得的 实时数据传输到远端的诊断服务中心，经上位机虚拟仪器的分析、比较、判 断后得出诊断结论，诊断服务中心将诊断结论和处理方法发送给设备现场监 测工作站，指导设备用户进行维修处理【3 2 1 。 对于设备制造供应商而言，具有以下优势： ( 1 ) 提供更及时有效的服务： ( 2 ) 大量减少人员长途出差； ( 3 ) 对用户设备可迅速进行故障诊断； ( 4 ) 提高全球规范服务的能力； ( 5 ) 提高维修服务工作的效率： ( 6 1 降低人员成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 对设备最终用户而言，具有以下优势： ( 1 ) 不仅能够监测机械设备振动信号，还能监测到机械设备的电气信号； ( 2 ) 大大提高监测、诊断系统的便携性和通用性； ( 3 ) 加快维修需求的响应能力； ( 4 ) 可更快地进行故障诊断和排除故障； ( 5 ) 停机维修费用降低； ( 6 ) 可缩短因设备故障而造成的设备停机时间【3 3 】。 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。嵌入式系统是一种将底层硬件、 实时操作系统和应用软件相结合的专用计算机系统。嵌入式系统是对对象进 行自动化控制，而使其具有智能化并可嵌入对象体系中的专用计算机系统， “嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和 嵌入式应用软件等几大部分组成i ”】。 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用的处理器 的最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通 常把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式 系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。 嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m c u ) 、中高端的嵌入式微 处理器( e m p u ) 、嵌入式d s p 处理器( e d s p ) 和高度集成的嵌入式片上系统 ( s o c ) 。 几乎每个大的硬件厂商都推出了自己的嵌入式处理器，因而现今市面上 有1 0 0 0 多种嵌入式处理器芯片，其中以a r m ，p o w e r p c ，m c 6 8 0 0 0 ，m i p s 等使用得最为广泛。 2 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备是指在一个嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器以外 的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设 备的功能可分为以下3 类： ( 1 ) 存储器类型：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态存储器 ( d r a m ) 、非易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。其中，f l a s h ( 闪 存) 以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等优点在嵌入式领域得 到广泛的应用： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 2 ) 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有广泛的应用， 但是以下几种接1 3 ，其应用最为广泛，包括r s 2 3 2 接e l ( 串1 2 ) 、i r d a ( 红外 线接口) 、s p i ( 串行外设接口) 、1 2 c ( 现场总线) 、u s b ( 通用串行接口) ， e n t e m e t ( 以太网接口) 和并口： ( 3 ) 显示类型：c r t ，l c d 和触摸屏等外围显示设备。 3 嵌入式操作系统 在嵌入式应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要具备相应的 管理存储器分配，中断处理，任务问通信和定时器响应，以及提供多任务处 理等功能的软件模块集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大 提高了嵌入式系统的性能，方便了嵌入式应用软件的开发设计。 当今流行的嵌入式操作系统包括v x w o r k s ，l i n u x ，l a c o s i i ，d e l t au s ， p s o s 等。每一种嵌入式操作系统都有自身的优越性，我们需要根据自己的 实际应用来合理选择。 4 嵌入式应用软件 嵌入式系统的软件开发的特点是：以面向过程为主，代码的利用率高， 代码的规模小，实时性强。过去的嵌入式系统软件开发，大多从汇编开始， 并以汇编语言开发为主。这样的开发只能做简单的控制和算法，而应用需求 复杂时，开发周期将大大增加，不利于新产品的快速面市。随着嵌入式系统 硬件的不断发展，如处理器主频提高，存储器容量扩大，硬件体积减小等特 点，嵌入式系统的软件开发也发生了一些变革【3 5 l 。 嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件 平台的，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精 度的要求。嵌入式应用软件和普通的应用软件有一定的区别。由于嵌入式应 用对成本十分敏感，因此为减少系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外， 尽可能地减少嵌入式应用软件的资源消耗也是不可忽视的重要因素。这就要 求嵌入式应用软件不但保证准确性、安全性、稳定性以满足应用要求，还要 尽可能地优化【珀j 。 1 3 课题的任务和目标 本课题是针对唐山国丰钢铁股份有限公司中薄板厂于2 0 0 5 年8 月和9 月分别建成并投产了两台中薄板坯连铸机生产实践中的问题而提出。该厂两 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 台中薄板坯连铸机结晶器都是由奥钢联( v a i ) 负责初步设计，大连重工起重 集团( d h i d c w ) 负责总承包，根据奥钢联提供的基本数据，进行基础自动化 部分三电系统的设计、编程、制造及现场调试工作。目前，工厂的每台连铸 机结晶器监测设备的状态数据存在本地控制计算机的存储器中，整个工厂的 设备状态数据分布在各个监测点上，较为凌乱。为了统一集中化管理整个企 业设备信息，急需一套具有远程监控功能的系统来完成对整个企业设备的网 络化管理；另外，由于两台连铸机结晶器均由奥钢联引进，向外输出结晶器 振动装置配置参数的接1 3 都采取了保密的政策。若要达到远程监测该结晶器 振动装置的目的，就必须另外加装传感器：再者，结晶器液面检测通常采用 放射性元素钴( g 0 6 0 ) ，技术人员靠近将对身体健康有巨大伤害。因此，本文 依托该厂原有p l c 控制系统网络结构，在不改变原有振动装置任何结构的基 础上，设计了基于a r m 的板坯连铸机结晶器振动装置远程监测系统。 通过对嵌入式系统扩展网络接口和r s 4 8 5 接口，利用p p i 协议和 p r o f i b u s 中规定的令牌环协议将p l c 与i n t e m e t 相联，突破了串行通信速 率的限制，节省了采用高端p l c 实现网络测控的经费投入。此外，在从p l c 采集数据功能的实现过程中，避开了以往使用p l c 自由端口通信需要改写 p l c 梯形图的问题，而直接利用p l c 厂家制定的通信协议来实现数据交换， 无需对p l c 编程，方法简单可靠，成本低廉。系统采用模块化结构设计的思 想，分为主控模块、采集模块和通信模块。在主控模块中选取以a r m 7 t d m i s 处理器为核心，在远程主机上建立由l a b v i e w 开发的振动监测平台。整个 监测平台提供现场系统参数设置和管理、数据采集和管理、振动信号的显示 和分析等功能。 本系统解决了唐山国丰中薄板厂1 “和2 4 中薄板坯连铸机结晶器液压伺服 振动装置远程监测这一难题。该系统具有不改变原有振动装置的任何结构， 只是在