（机械制造及其自动化专业论文）结晶器振动检测与分析系统软件开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 结晶器是连铸机的关键设备之一，结晶器振动是影响连铸生产质量和产量 的重要凶素。因此，对结晶器振动状态进行检测与分析有着重要意义和实用价 值。本课题以国内某大型钢铁企业“结晶器振动状态检测与分析”为研究对象， 在充分调研了国内外结晶器振动检测系统之后，分析了现有检测系统的不足， 并结合结晶器振动检测的实际需求，提出了一套具有实时状态检测和故障诊断 分析功能的结晶器振动检测与分析系统，并实现了系统的具体设计。 该系统分为手持端和p c 端两部分，其中手持端由下位机和上位机组成。 手持端是基于m s p 4 3 0 和p o c k e tp c 的现场检测设备，p c 端是以w i n d o w s 为操 作系统平台的数据管理分析系统。本系统不仅能够对结晶器振动进行现场检测， 同时也能够对历史数据进行分析处理，检测和分析的结果对连铸生产进行指导。 论文详细介绍了手持端系统和p c 端系统的设计。在软件设计中，采用多 线程技术、数据库系统和文件系统协同作业的数据管理方案、嵌入多种信号分 析方法，调用m a t l a b 引擎等手段使系统具有强大的功能。手持端系统能够 实时显示振动信号的时域图、频域图、特征参数值及轴心轨迹图，并根据要求 将数据进行保存；p c 端系统能够对历史数据进行管理和分析，实现了数据存取、 查询、删除、波形分析和打印等功能。该系统不仅具有嵌入式系统的便携性特 点，同时也具有强大的分析计算能力，操作简便、功能可扩展性强等优点。 最后为提高系统的实际工作能力，改进和完善系统的设计方案和功能，操 作人员对系统软件进行了多次测试实验。多次测试实验证明，本系统在振动信 号检测与分析中结果准确，运行稳定，具有广阔的应用前景。 关键词：结晶器振动，嵌入式系统，数据库，信号分析，m a t l a b 浙江大学硕i ：学位论文 a bs t r a c t t h em o u l di so n eo ft h ek e yd e v i c e so fc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ，a n dt h e y i e l da n dq u a l i t yo f c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n em a i n l yd e p e n do nt h eo s c i l l a t i o no f m o u l d t h e r e f o r e ，i ti sq u i t es i g n i f i c a n tt od e s i g na no s c i l l a t i o nd e t e c t i o na n d a n a l y s i ss y s t e mo fm o u l d t h es u b j e c to ft h i sp r o j e c ti s “m o u l do s c i l l a t i o n d e t e c t i o na n da n a l y s i s ”i nal a r g ed o m e s t i cs t e e le n t e r p r i s e a f t e rf u l l ys t u d yi n d o m e s t i ca n da b r o a dm o u l do s c i l l a t i o nd e t e c t i o n s y s t e m s ，a n a l y z i n g t h e s h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gd e t e c t i o ns y s t e m s ，a n dc o m b i n e dw i t ha c t u a ld e m a n do f m o u l do s c i l l a t i o nd e t e c t i o n ，an e ws e to fm o u l do s c i l l a t i o nd e t e c t i o na n da n a l y s i s s y s t e m ，w h i c hh a dr e a l t i m ed e t e c t i o na n df a u l td i a g n o s i sf u n c t i o n s ，w a sp r e s e n t e d t h e s p e c i f i cd e s i g nw a sf i n i s h e d t h es y s t e mw a sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：h a n d h e l da n dp c h a n d h e l dp a r tb a s e d o nt h em s p 4 3 0a n dp o c k e tp cw a saf i e l dd e t e c t i o ne q u i p m e n t ，a n dp cp a r tw a sa d a t am a n a g e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m t h i ss y s t e mc o u l dn o to n l yd e t e c tm o u l do s c i l l a t i o na tt h es c e n e ，b u ta l s oa n a l y z e t h eh i s t o r i c a ld a t a t h er e s u l t sw o u l d g u i d et h ef u t u r ec o n t i n u o u sc a s t i n g t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h ed e s i g no ft h eh a n d h e l dp a r ta n dt h ep cp a r ti n d e t a i l d u r i n gt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h em u l t i t h r e a dt e c h n o l o g y , an e wd a t a m a n a g e m e n ts c h e m eo fc o o p e r a t i n gd a t am a n a g e m e n tw i t hd a t a b a s es y s t e ma n df i l e s y s t e m ，m u l t i - s i g n a la n a l y s i sm e t h o d sa n dm a t l a be n g i n e ，w e r ea p p l i e d b a s e d o nt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t so fm o u l do s c i l l a t i o nd e t e c t i o n ，t h eh a n d h e l ds y s t e m p l a y e dt h eo n l i n ed e t e c t i n gr o l e ，w h i c hs h o w e dt h et i m ed o m a i nm a p ，f r e q u e n c y d o m a i nm a p ，a x i st r a c km a pa n dp a r a m e t e r so ft h ev i b r a t i o ns i g n a l ，a n ds a v e dt h e d a t ai na c c o r d a n c ew i t hr e q u e s t ；w h i l et h ep cs y s t e mm a n a g e dt h es a v e dd a t aa n d a n a l y z e dt h ed a t a t h es y s t e mh a d ag o o dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，e a s y - o p e r a t i o n , p o r t a b l ea n do t h e ra d v a n t a g e s t oi m p r o v ep r a c t i c a lw o r k i n ga b i l i t y , d e s i g ns c h e m ea n df u n c t i o n so fs y s t e m ， d e v e l o p e rm a d en u m e r o u st e s t i n ge x p e r i m e n t s e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h a t , d u r i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a ld e t e c t i n gp r o c e s s ，s y s t e m r u ns t a b l ya n ds u p p l ya c c u r a t e d e t e c t i n gr e s u l t s i th a dag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：m o u l do s c i l l a t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，d a t a b a s e ，s i g n a la n a l y s i s ， m a t l a b i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸江盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：y 据年6 月c 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 徐乏 签字日期：少根年6 月【。日 导师签名： 签字日期：口g 年肛日 认 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章将首先简单介绍连铸结晶器振动技术，分析当前国内外结晶器振动检测 的方法和现状；然后提出结晶器振动检测分析系统应具有的功能和特点，并阐述 研究的意义；接着探讨结晶器振动检测仪中嵌入式技术的应用，并阐述数据库技 术在结晶器振动检测分析中的重要性和必要性；最后总结本文研究的内容和结构 安排。 1 1 引言 近年来，伴随着国家经济持续稳定地发展，各行各业对于作为生产建设的重 要原材料的钢铁的产量和质量都提出了越来越高的要求。目前，连铸生产由于其 具有简化生产工艺流程，提高生产率和产品质量的优点，在钢铁冶炼中得到了广 泛的应用。2 0 0 0 年我国钢铁产量达到1 2 8 4 9 万t ，连铸比为8 4 8 1 ；2 0 0 1 年钢 产量为1 8 2 2 5 万t ，连铸比9 2 4 1 ；2 0 0 3 年钢产量为2 2 2 3 4 万t ，连铸比9 5 3 5 ；2 0 0 4 年钢产量为2 7 2 4 5 万t ，连铸比9 6 0 3 ，已进入世界先进水平。 结晶器是连铸机的关键设备之一，是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸 机心脏设备和关键设备。结晶器振动是影响连铸牛产质量和产量的重要因素，结 晶器振动参数的选择恰当与否直接关系到连铸坯生产和连铸坯表面质量的好坏。 因此，对结晶器振动状态和振动参数进行检测分析具有重要意义和实用价值。 结晶器振动检测与分析系统正是为了解决这个问题而研制的，它将使炼钢厂 结晶器振动更好的满足连铸生产的要求，节省大量炼钢原材料和时问，降低炼钢 的生产成本，从而提高钢厂的市场竞争力。因此，结晶器振动检测分析系统的研 制具有重要的现实意义。 1 2 论文研究背景和意义 1 2 1 连铸结晶器振动技术介绍 近年来，随着冶金技术的发展和相关学科的进步，尤其是计算机技术的发展 和，“泛应用，使冶金生产及控制技术发生了重大变革【。 为了提高生产效率，钢厂普遍采用连铸的牛产方式，即钢水冶炼和浇注同时 进行，当浇注接近尾声的时候，新冶炼好的一炉钢水被吊放到回转台上，上一炉 钢水浇注完毕后，新的一炉钢水被转至浇注位置，使得浇注得以连续进行，称之 为连铸【2 】。弧形连铸机是世界各国应用最多的一种机型，图1 1 为炼钢厂常见的 弧形连铸机生产流程示意图。 4 _ 】一钢包；2 巾问包；3 结晶器：4 振动装置 5 - - 狄冷却和铸坯导向装置；6 拉坯矫育装胃，7 切* 1 装置8l j 坯装置 图11 弧形连锌生产流程示意图 与传统的模铸相比，连铸不但简化了= l ：产工艺流程，提岛丁生产率和产品质 量，而且金属收得率、能耗和牛产成本也大大低于模铸。所以连铸在冶金工业中 占有f 分重要的位置”j 。 结晶器是连续铸钢中的成型殴各，属于连铸的关键设备，也是连铸机的心脏。 它的功能是将连续不断地注入到结晶器内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却， 导出热量，使之逐渐凝阎成为具有所要求的断新形状和坯壳厚度的铸坯，并使返 种芯部仍为液态的铸坯，连续不断地从结晶器卜口批拔山士，为其在以后的二次 冷却区域内完全凝固创造条件n 结晶器振动是连铸技术的一个基奉特征。在连铸过程中，结晶器和坯壳间的 相吒作用影响着坯壳的牛k 和脱模，其控制凼索足结晶器的振动和润滑。连铸在 采用固定结晶器浇注时，铸坯直接从结晶器向下拉出，由于缺乏润滑，易与结晶 嚣发牛粘结，从而导致出现拉不动或者拉漏事故，很难进行浇注。结晶器振动对 于改善铸坯和结晶器界面问的润滑是非常有效的，振动结晶器的发明引进，工业 上大规模应用连铸技术才得以实现。可以说，结晶器振动是浇注成功的先决条件， 是连铸发展的一个重要里程碑吼 在结晶器振动技术发展过程中，在振动形式及振动装置的结构上出现了多种 多样的形式，丰要可归纳为如下四种：问步振动( 矩形波) 、负滑振动( 梯形渡) 、 正弦振动和非正弦振动。日前炼钢厂结晶器振动普遍采用的是正弦波振动方式 ”j ，结晶器振动波形原理如图1 - 2 所示。 浙江大学硕1 ：学位论文 图1 2 结晶器正弦振动和非正弦振动波形图 正弦波振动的振动速度与时问的关系是一条正弦曲线，在整个振动周期中， 结晶器和铸坯均存在相对运动，它有以下特剧7 】： ( 1 ) 结晶器下降过程中，有一小段下降速度大于拉坯速度的负滑脱阶段，可 防止和消除坯壳与器壁的粘结，具有脱模作用。 ( 2 ) 由于结晶器的运动速度按正弦规律变化，则加速度必然按余弦规律变 化，所以过渡比较平稳，冲击也小。 ( 3 ) 加速度较小，有可能提高振动频率，采用高频率小振幅振动有利于消除 粘结，提高脱模作用，减小铸坯上振痕的深度。 ( 4 ) 正弦式振动可通过偏心( 轴) 轮来实现，不需要凸轮机构，制造比较容易。 ( 5 ) 凶结晶器和铸坯之问没有严格的速度关系，所以当拉坯速度变化范罔不 太大时，振动机构和拉坯机构之间联锁的重要性也不大，可以简化电气系统。 结晶器的振动使结晶器内壁获得良好的润滑条件，减少摩擦力并能防止钢水 与内壁的粘结，同时改善钢坯的表面质量和内部质量，杜绝钢坯缺陷的出现。 但结晶器的振动会使连铸坯表面形成振痕【8 9 1o 】，振痕的危害是多方面的： 振痕较深时可能在矫直时产生横裂，或严重时将引起拉漏；振痕谷底的夹渣、成 分偏析将影响轧材的成分均匀和力学性能。较深的振痕还将在冷轧或热轧带卷上 产生振痕条纹或振痕裂纹，严重影响钢的表面质量。因此为使炼出钢的表面质量 最好，就需要调整结晶器的振动状况，而决定结晶器振动状况的参数包括结晶器 的振动幅度、振动频率和振动波形平稳性等【1 1 】，所以，振动幅度和振动频率作为 结晶器振动的两个重要参数，它们的选择恰当与否，直接关系到铸坯的表面质量 和生产能否顺利进行。 如图1 2 所示，振动幅度是指结晶器在振动时，振动曲线半波的行程，或上 6 浙江大学硕士学位论文 下运行总行程的l 2 ，通常振幅的范围为3 - 8 m m 1 0 1 。振幅大小关系到铸坯表面振 痕深浅。振幅小，结晶器内钢液面波动小，对操作和液面控制都有利，同时对减 小拉裂与减轻铸坯表面振痕、提高铸坯表面质量都很有利。振动频率是指结晶器 振动时单位时问内振动的次数，常用的结晶器振动频率为0 5 h z 8 h z t l o a 2 1 。随着 结晶器振动频率的提高，负滑脱时问就减少，因而铸坯的振痕深度也减少。相应 的，铸坯表面质量就越好【引。 凶此，结晶器振动具有振动幅度小，振动频率高的特点。此外，结晶器振动 还存在着横向的振动，即所谓的偏振【8 l3 1 。偏振主要由振动机构4 个偏心轮轴之 问的振幅及相位偏差过大引起。偏振过大，容易引起漏钢事故，对铸坯表面质量 影响较大。 结晶器振动检测与分析系统需要对结晶器振动的幅度、频率和波形平稳性等 参数进行实时检测，预防生产事故的发生；同时对振动参数和波形进行分析，对 未来的连铸生产提供指导作用。 1 2 2 结晶器振动检测方法现状分析 结晶器振动检测的主要目的是选择合适的振动参数，使冶炼出的铸坯表面质 量最好，这就需要对振动幅度、振动频率和振动波形平稳性，进行现场观察和调 整，并根据要求对保存数据进行分析，为以后炼钢做依据。目前国内外对于结晶 器振动检测丰要有以下三种方法 j 4 , 1 5 , 1 6 】： ( 1 ) 在线检测方法 上世纪八十年代以后，国外开发研制了许多状态在线检测系统，例如本特利 一内华达( b e n t l yn e v a d a ) 公司开发的3 5 0 0 系列状态检测系统，以及在2 0 0 3 年 5 月投入使用的恩泰克公司为武钢集团开发的x m 状态检测系统 1 4 1 。近二十年来， 国内的哈尔滨工业大学，清华大学，北京大学，西安交通大学以及浙江大学等单 位也都陆续研制了在线状态检测系统。这些在线状态检测系统根据功能大致可分 为两类：第一类是基于采集站的检测系统，这些检测系统除了具有高速精确的采 集器外，还带有配套的数据分析与管理软件进行实时的信号分析。这种系统应用 面广，目前使用的在线检测系统多为此类；第二类是基于l a n 和i n t e m e t 的分 布式在线检测系统，这类系统不仅具有完备的在线检测、信号处理功能，同时还 能够利用网络优势实现资源共享，以及工业现场与控制中心的远程信息交互。 结晶器振动检测若采用在线检测的方法，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，并且可以全面的记录 下各种连铸坯表面质量最好时结晶器振动参数状况，为下次炼钢生产做参考。但 是在线检测方法对结晶器振动幅度的检测，一般都采用位移传感器【1 5 a 6 。采用位 移传感器的优点是直接得到位移信号，频率下限可接近直流，缺点是拆装较复杂， 7 浙江大学硕：l ：学位论文 需将传感器外壳固定在机架上。由于炼钢现场工作环境湿度大、温度高，位移传 感器的寿命比较短。并且在线检测设备硬件方面大多采用基于p c 平台加上各种 采集控制卡的方式，而传统的商用p c 平台稳定性差、不够坚固耐用，防尘、防 震、防电磁干扰的效果差，且由于集成度不高，显示器、鼠标、键盘都要通过线 缆与主机进行连接，导致各种线缆杂乱无章，不仅影响美观和工作效率，而且也 容易出问题，极不适合在生产线上使用。而大型在线检测系统虽采用专用的控制 平台，但需要专用的软件，成本高，开发周期长。例如前面提到的本特利公司研 制的x m 系统开发周期长达三年半时间【1 6 】。 以上的各种凶素使结晶器采用在线检测方法有一定难度。结晶器振动的在线 检测在国内尚属空白，国外所采用的在线检测系统目前报道的仅一例，即比利时 的“m o t e k t o r 系鲥1 丌。该系统可在线检测振幅、振频、铸速、负滑脱时间等 关键参数，传感器为专用的，原理不详。 ( 2 ) 半便携式检测方法 半便携式系统工作方式通常为检测人员在现场安装传感器，通过电缆线把各 路传感器采集的信号传入主控室中的数据采集卡，数据采集卡再通过u s b 接口 把数据送给笔记本电脑，最后由安装在笔记本电脑中的检测分析软件对采集上来 的数据进行处理、记录。 一般在钢厂中的结晶器设备，需要检测的时问相对较少，对每套结晶器设备 都实时在线检测不但花费大，也没有必要。若采用半便携式系统进行定时或不定 时的检测对一般的结晶器振动参数检测来说就能满足要求。 可见，半便携式检测系统相对在线检测系统来说具有较大的优势。半便携式 检测系统成本低、适用面广、系统构成灵活，有较好的扩展性和通用性，它能弥 补在线式检测系统的地域性局限等不足【1 6 】。但是，半便携式检测系统和在线检 测系统一样存在着设备硬件体积大、集成度低、使用不方便、且每次检测时都要 在现场安装传感器并布置电缆线等缺点。而炼钢现场环境湿度大、温度高，电缆 线一旦损坏，将给检测带来极大不便。这些不利的因素都给半便携式检测方法在 结晶器振动检测中的应用产生了不小的阻碍。 ( 3 ) 传统人工检测的方法 传统人工检测方法就是检测人员用千分尺测量结晶器振动幅度、用秒表测量 振动频率的方法。目前在炼钢厂对结晶器参数的测量就用这种方法，检测人员在 连铸坯表面质量相对最好时刻，用千分尺对结晶器振动的位移作大致的测量，同 时用秒表记录结晶器振动时问。采用传统人工检测方法对一般的结晶器振动检测 而言也能达到要求，并且传统人工检测方法操作简单，检测成本相对于在线检测 和半便携式检测都要低的多。但是，传统检测方法测量的值存在较大误差，无法 得到详细的振动参数及波形曲线，对实际炼钢生产的指导意义不大。 8 浙江大学硕f ：学位论文 基于上述三种检测方法在结晶器振动检测中的特点以及不足，在连铸生产的 工程实践中迫切需要开发一种既能满足现场检测的便携性要求，又具有强大的数 据分析功能，界面友好、操作方便并易于扩展、性能可靠、开发简单的振动检测 与分析系统。而本课题所介绍的结晶器振动检测与分析系统正是对此进行的尝 试。 1 2 3 系统的功能和特点 根据结晶器振动特点和振动检测要求，需对结晶器振动幅度、振动频率、轴 心轨迹等参数以及振动波形进行在线检测和离线分析，所以研制的结晶器振动检 测与分析系统由手持端系统和p c 端系统两部分组成，手持端系统主要实现在线 检测功能；p c 端系统主要实现历史数据分析功能。整个系统的具体功能如下： ( 1 ) 手持端系统能够实现双通道振动加速度数据的高速实时采集，并能实 时显示时域图、频域图和轴心运动轨迹图以及相关特征参数大小，来 判断结晶器的工作状态； ( 2 ) 根据用户需求，手持端系统能够实现历史数据的及时保存和记录； ( 3 ) p c 端系统能够完成历史数据的管理，将各个结晶器的数据存储在数 据库中，建立每个结晶器的运行状态档案，并可以实现结晶器的工作 状态趋势分析； ( 4 ) 根据用户的要求，p c 端系统能够对某一时刻的时域图、频域图及轴 心轨迹图进行显示，实现历史回放； ( 5 ) p c 端系统能够完成振动信号的相关特性分析、幅频特性分析、功率 谱分析、倒频谱分析和小波分析等，并通过波形图、表格等方式表达 上述分析结果以更有效地提取振动信号中的故障信息； ( 6 ) p c 端系统还支持振动信号各种波形图打印。 根据手持端系统现场检测分析结果，发现振动的不平稳或小幅度失控，从而 避免在钢水凝固成铸坯过程中铸坯表面形成振痕等产品质量问题；同时，根据 p c 端系统分析结果，合理地调节振动及工艺参数，提高振动参数的精确度，为 提高拉速及连铸机的工作效率创造条件。 结晶器振动检测与分析系统与现有的振动检测方法相比，具有以下特点： ( 1 )既有嵌入式系统的便携性优点，又具有p c 强大的运算分析能力； ( 2 ) 低功耗、低成本，人机交互界面友好，操作简单方便； ( 3 ) 采用模块化的设计方法，扩展性强，应用软件易于版本升级和二次开 发； ( 4 ) 集数据采集与分析于一体，功能丰富。 9 浙江大学硕士学位论文 1 2 4 系统研究的意义 在现代钢铁企业中，结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机心脏 设备和关键技术，结晶器振动是影响连铸生产质量和产量的重要因素。本论文以 国内某大型钢铁企业“结晶器振动状态检测与分析”为研究对象，在充分调研了 国内外结晶器振动检测系统之后，分析了现有检测系统的不足，并结合结晶器振 动检测的实际需求，提出了一套具有实时状态检测和故障诊断分析功能的结晶器 振动检测与分析系统，并实现了系统的具体设计。 本系统的成功研制，为结晶器振动检测和分析提供了可靠的工具，现场操作 人员可以利用系统的手持端在炼钢现场对多台分散的结晶器设备进行检测记录， 预防事故发生；同时也能够在p c 机上对历史数据实现全面分析，合理地调节振 动及工艺参数，它的研制不仅能够预防生产事故的发生，而且对于提高连铸生产 质量和连铸生产效率具有重要的现实意义。 1 3 嵌入式技术在系统中的应用 1 3 1 嵌入式系统定义和特点 根据电气工程师协会i e e e 的定义，嵌入式系统是“控制、监视、或者辅助 设备、机器和车问运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h e o p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r y0 1 p l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中 可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前 国内一个被普遍认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件 可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统【1 8 1 。 嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比具有以下几个重要特点【1 9 捌： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源 相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，软件系统和硬件的结合非常紧 密，一般要针对硬件进行系统的移植。同时针对不同的任务，往往需 要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不 要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面有利于控制系统成 本，同时也利于实现系统安全。 ( 4 )高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。软件要求固化存 储，以提高速度，软件代码要求高质量和可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌 l o 浙江大学硕士学位论文 入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为 了合理的调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口， 用户必须自行选配r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，实时操作系 统) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开 发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不 具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序 功能进行修改，必须有一套相应开发工具和环境才能进行开发。开发 时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，月标机作为最 后的执行机，开发是需要交替结合进行。 1 3 2 嵌入式技术在数据采集和处理领域的应用优势 简单地说，数字信号处理技术是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的 方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，藉以达到提取信息 和便于应用的目的 2 1 2 2 。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、 设备尺寸小、速度快等突出优点。自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透 到数据采集、处理领域之后，该领域的面貌发生了日新月异的变化。在数据采集 和数字信号处理的许多应用领域中，对于便携式多功能的智能设备的需求也越来 越大。这类便携式和智能化的数据采集和处理设备应该具备以下优点：可以将 数据的采集、处理、分析等多种功能集于一体，实现软硬件方面的资源共享； 便于操作和携带的特点使采集方式更加灵活和及时；采集的数据可实现数据的 快速显示和传输；该类设备便于开发，功能扩展性好。 嵌入式技术具有的耗电低、体积小、可靠性高、灵活方便等优点，为便携式 数据采集和信号处理装置的实现提供了良好的平台。在硬件方面，嵌入式微处理 器可提供的各种接口资源十分丰富，可根据需要灵活定制。在软件方面，嵌入式 操作系统越来越成熟，多任务和实时的特性得到普遍应用，相应的开发工具支持 也更加完善。在网络方面，现代嵌入式操作系统和嵌入式c p u 都支持t c p i p 等 网络协议结构，嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将 成为互联网的主要终端之一。因此，嵌入式技术日前的迅速发展，新的软硬件技 术层出不穷，使得利用嵌入式技术开发的便携式产品成本不断降低，为嵌入式系 统在数据采集和处理技术的应用创造了有利的条件【2 3 1 。 1 3 3 振动检测分析系统中嵌入式技术的应用 随着嵌入式技术的迅速发展，将其运用到便携式仪表中，是目前仪器仪表开 发的一个方向，从某种程度说，这样的一台仪表相当于一台小型p c 机，利用应 用软件开发工具来实现采集数据的分析和显示，而且可以比较容易地进行系统升 浙江大学硕1 ：学位论文 级和对分析软件的功能扩展。从目前国内外仪器仪表的市场看，基于嵌入式技术 的产品多为消费品类，例如p d a 、m p 3 、手机等，而在工业仪表中的应用相对 较少，这是由于工业用仪表要具有很强的实时性和抗干扰性，这就为仪器的硬件 设计提出了更高的要求。 结晶器振动检测与分析系统的手持端系统要求对现场振动信号进行实时波 形显示，进行一定的在线分析，如进行f f t 变换，了解振动信号的幅频特性， 从而对设备运行状况进行一定的分析，这样的分析软件如果只依靠单纯的单片机 实现，必然会带来编程复杂的问题。因此，在振动检测故障诊断的工程实践中迫 切需要一种界面友好、操作方便、功能强大并易于扩展、性能可靠、开发简单的 仪表。它不仅能够在现场进行实时振动测量、频谱分析并显示结果，而且能够根 据需要将振动信号进行存储，以便进一步分析处理和历史数据的回放。 采用嵌入式技术，对振动检测分析系统中手持端进行设计和开发，是一次大 胆而有意义的工程尝试。嵌入式技术为系统开发提供了大量的工具和函数库，减 少了二次开发的工作量。手持端系统设计的目标是：设计一种便携式振动检测分 析系统，实现多通道振动数据的实时采集、波形显示、频谱分析和数据存储，同 时能够实现和p c 机的通讯，使得p c 端系统能进一步进行数据处理工作，并提 供更多的显示方式和更全面的波形分析。 1 4 数据库技术对连铸生产的重要性 数据库是存放了大量的数据和信息，并能做相关数据处理的一个仓库软件。 数据库技术是计算机科学技术中的重要领域，也是应用最广的技术之一，而且己 经成为电子信息系统的重要核心技术【2 4 1 。随着计算机技术的不断发展，信息管 理自动化程度的不断提高，数据库在信息管理中作用日益重要，数据库技术的应 用范闱正在从统计、管理等领域迅速扩大到工程实践中。 1 4 1 数据库概述 数据是数据库中存储的基本对象。可以对数据做如下定义：描述事物的符号 记录称为数据。描述事物的符号可以是数字，也可以是文字、图形、图像、声音、 语言等，数据有多种表现形式，它们都可以经过数字化存入计算机。数据库是以 一定的组织方式存储在计算机中按照某种规则相互联系的数据的集合【2 5 1 。它按 照信息的自然联系来存放数据，也就是把数据本身和实体问的描述都存入数据 库，用各种存取方法来对数据进行各种组合以满足各种应用。一旦数据被存储至 数据库，用户可以方便地使用各种条件来查询这些信息。数据在数据库中存储的 方式决定了根据多个条件来查找信息的难易程度。此外，数据库还应该便于数据 的添加、修改和删除。描述、管理和维护数据库的程序被称为数据库管理系统。 数据库是大量数据文件的集合，但并非这些文件的简单相加，而是将其信息 1 2 浙江大学硕上学位论文 重新组织，以去掉其重复多余部分，增加数据关系的描述，并能以多种组合方式 为各种应用服务。因而数据库具有如下特点【2 5 】【2 6 】： ( 1 ) 冗余度最少，故可避免数据的不一致性 ( 2 ) 数据的物理存储独立于应用程序，因而数据的扩充、修改不需要修改 应用程序 ( 3 ) 提供统一的操作( 增、删、更新、检索) 手段 ( 4 ) 有保证数据的安全、完整和保密的机构 ( 5 ) 数据可在记录或数据项上定义地址，使用时可按地址取得有关记录的 数据项，不必把整个文件调入内存，减少对内存的需用量。 1 4 2 振动检测分析系统中数据库的应用 数据库作为存储数据的仓库，是管理信息系统开发和设计的核心和基础。从 小型的单项事务处理系统到大型复杂的信息系统，都需要先进的数据库技术来保 持系统数据的整体性、完整性和共享性。数据库把信息系统中大量的数据按一定 的模型组织起来，提供存储、维护和检索数据的功能，使信息系统可以方便、及 时、准确地从数据库中获得所需的信息。数据库设计是信息系统开发和建设的重 要组成部分【27 | 。 当人们收集了大量的数据后，应该把它们保存起来以供进一步的加工处理， 进一步的抽取有用的信息。在连铸生产中，振动参数的选择恰当与否直接关系到 铸坯成型的速度和质量。通过分析结晶器振动情况，选择合理的振动参数，从而 提高连铸坯表面质量，提高连铸的生产速度。对结晶器振动情况进行分析，需要 以大量的历史数据为基础，只有拥有真实、可靠的数据，才能保证分析的准确。 为此，在结晶器振动检测分析系统的p c 端系统中，引入了数据库技术，将手持 端保存的历史数据不断存入数据库，为系统的分析提供数据支持。 在结晶器振动检测系统中，使用数据库技术进行数据存储的优势在于： ( 1 ) 便于对数据的保存和管理，通过数据库形式存储数据，并利用数据库 的成熟技术，可方便地对数据库中的各种数据进行增加、删除、修改、浏览、查 询和打印报表等操作，增强了数据对技术人员的透明度，并极大简化了操作人员 对数据的访问过程和管理、维护数据的难度； ( 2 ) 便于对历史数据进行分析计算，选择合适的振动参数和工艺参数，对 未来的连铸生产起到一定的指导作用； ( 3 ) 利用开放的数据库连接技术可在目前很多流行的编程语言( 例如c ， c + + ，b a s i c ，d e l p h i ，j a v a 等) 和编程软件中实现对各种数据库的访问，使异种 编程语言在数据库的基础上实现统一； ( 4 ) 采用数据库技术管理数据，当需求发生变化时，数据库易于修改和扩 充，对整个系统的影响较小，改动也相对简单。 浙江大学硕士学位论文 1 5 论文研究内容和结构安排 本论文以国内某大型钢铁企业“结晶器振动状态检测与分析”为研究对象， 负责开发这款集数据采集、检测、存储和分析于一体的结晶器振动检测与分析设 备。结合结晶器振动检测的需求，该系统分为手持端和p c 端两部分，其中手持 端由下位机和上位机组成。手持端是基于m s p 4 3 0 和p o c k e tp c 的振动检测仪， 使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 作为开发工具，能够实时显示振动信号的时域图、 频域图、特征参数值及轴心轨迹图，并根据用户需求将数据进行保存，传到p c 端的数据库中。p c 端的数据管理系统能够对历史数据进行保存、信号处理、波 形显示和打印，为质量分析提供数据，系统分析的结果将对未来的连铸生产进行 指导。 本系统的成功研制，为结晶器振动检测和分析提供了可靠的工具，现场操作 人员可以利用系统的手持端在炼钢现场对多台分散的结晶器设备进行检测记录， 预防事故放生；同时也能够在p c 机上对历史数据实现全面分析，合理地调节振 动及工艺参数，它的研制对于提高连铸生产质量和连铸生产效率具有重要的现实 意义。 全文共分为6 章： 第一章介绍了连铸结晶器振动技术，分析了当前国内外结晶器振动检测的方 法、现状和意义；提出了结晶器振动检测分析系统应具有的功能和特点；最后探 讨了结晶器振动检测与分析系统中嵌入式技术和数据库技术的应用。 第二章阐述了国内外结晶器振动机构的理论，分析了结晶器正弦振动和非正 弦振动的振动波形和振动参数以及振动参数的确定，说明了结晶器振动检测与分 析系统的作用。 第三章介绍了结晶器振动检测与分析系统的总体架构，分别阐述了手持端和 p c 端的设计，简单说明了上位机软件和数据库管理系统的需求分析，提出了采 用多线程、模块化的软件设计思路。 第四章介绍了多线程技术理论及其具体应用；在对文件系统管理数据和数据 库管理数据方法比较的基础上，确定采用文件系统来管理上位机的数据和采用数 据库来管理p c 机端的数据；介绍了多种信号分析方法的应用以及对于v c 和 m a t l a b 混合编程的尝试；重点描述了系统各组成模块的功能、具体实现方法 及相互间的联系，并对上位机与下位机、p c 机问的通信机制进行了研究。 第五章进行了系统软件测试实验，验证了本系统实现的准确性和可靠性。 第六章总结了论文的研究工作并对未来的研究进行了展望。 1 4 浙江大学硕 ：学位论文 第二章连铸结晶器振动分析 本章将首先对结晶器振动机构进行介绍，然后分析结晶器正弦振动和非正弦 振动的振动规律，最后将讨论结晶器振动检测与分析系统的应用。 2 1 结晶器振动机构简介 结晶器的振动是由振动装置来实现的，振动机构是振动装置的核心。结晶器 对振动机构的要求主要有两点：一个是使结晶器按一定的速度规律振动，二是使 结晶器准确地沿着一定的轨迹振动【3 1 1 。在传统的振动规律下，如梯形、正弦等， 满足后一个要求比前一个要难很多，所以振动机构一般都是以实现结晶器振动轨 迹的方法来称呼的。目前，应用较多的是机械振动装置和液压振动装置，它们在 应用上各有优缺点：机械振动装置具有可靠性高，技术成熟、加工制造比较容易， 操作维护简单、整体投资低等优势，液压振动装置控制精度高，振动波形、振幅 和频率可以在浇铸过程中随意调整；机械振动装置能够实现按正弦振动曲线振 动，而液压振动装置则可以实现按正弦和非正弦振动曲线振动。 下面介绍目前国内外的常用的结晶器振动机构。【3 1 】【3 2 】 ( 1 ) 长臂振动机构 在弧形连铸机中，它是把结晶器安装在一个与连铸机圆弧半径相同的振动臂 上。这种振动机构的振动轨迹在理论上是准确的。但如果振动臂较长，则凶加工 制造误差、受热膨胀、受力变形而使结晶器产生较大的振动轨迹误差。所以它只 适用于圆弧半径较小的连铸机上。 在连铸发展的初期这种机构被用于生产，但随着连铸机圆弧半径的增大而被 其他振动机构所代替。不过，由于连铸技术的发展，近年来出现了所谓“超低矮 型”连铸机，该机型的基本圆弧半径较小，如r = 3 m ，采用多点矫直，如矫直 点数为7 1 9 。由于基本圆弧半径较小而使长臂振动机构又重新获得了应用【3 3 】。 ( 2 ) 导轨式振动机构 导轨式振动机构避免了长振动臂，结构也比较简单，因此早期应用较多，它 可以实现弧线运动，也可以实现直线运动。但是由于导轨不易获得充分润滑，又 不易保持清洁，所以磨损较严重，影响运动轨迹精度，因而逐渐被其他振动机构 所代替。虽然近年来导轨式振动机构又在罗可普连铸机上得到了应用，但是导轨 式振动机构所固有的缺点在生产中依旧暴露无遗，使一些生产厂家不得不对其进 行改造 3 4 】。 ( 3 ) 差动齿轮振动机构 差动齿轮振动机构是我国6 0 年代中期开发并应用于生产的弧线轨迹振动机 构。结晶器固定在由弹簧支撑的振动框架上，用凸轮或偏心轮强迫框架下降，利 浙江大学硕士学位论文 用弹簧的反力使其上升。振动框架的内、外弧侧面，装有齿条，分别与节圆半径 相等的小齿轮相啮合。装在小齿轮轴上的扇形齿轮有不同的节圆半径，内弧侧的 节圆半径较大，相互啮合的扇形齿轮摆动时，就使与其相连的两个小齿轮产生不 同的线速度。反映在振动框架两侧的齿条上，其上下运动的线速度也不一样，因 而可使结晶器产生弧线运动，由于它结构复杂，齿轮和导向件磨损较严重等原因 而未能得到推广。但差动原理却在后来的四偏心机构上得到了应用。 ( 4 ) 四连杆振动机构 它是一种双摇杆机构，它的两个摇杆可以装设在连铸机的外弧侧，也可装设 在内弧侧，如图2 1 所示。后者适用于小方坯连铸机，前者适用于板坯连铸机， 便于拆装二冷区的扇形段。当使两摇杆a d 和b c 平行且等长时，四连杆振动机 构可用于直弧形或立式连铸机。不论是装设在连铸机的内弧侧还是外弧侧，四连 杆机构a b c d 中的c d 连杆在某一瞬间的运动是绕瞬心o 的转动。因此，只要 使两摇杆a d 和b c 的延长线交于连铸机的圆弧中心o ，由于结晶器的振幅与圆 弧半径相比很小，因此瞬心位置变化所造成的运动轨迹误差很小。一般在给连铸 机圆弧半径、结晶器振幅及四连杆机构参数的合理约束条件下，通过优化设计， 能够使板坯连铸机结晶器振动轨迹误差a r 0 1 m m ，小方坯的a r 0 0 2 m m 。 图2 - 1 四连杆振动机构 由于四连杆振动机构的摇杆长度较短，凶此结晶器运动的轨迹精度受温度、 载荷