（机械电子工程专业论文）超薄快速铸轧在线监测系统设计与研究.pdf

摘要 铝材是性能优良的有色金属材料，其应塌领域非常广泛。我国是锅材消 耗大国，铝材的潜在市场很大。超薄快速铸轧技术以其投入少、周期短、经 济效益显著等一系列优点将成为新一代铝加工发展的重要方向。由f 各大公 司对超薄快速铸轧技术的研究均处于工业试验阶段，对于超薄快速铸轧的技 术规律没有形成共同的认识。而准确、科学、快速的采集与监测超薄快速铸 轧过程各种【艺参数，力参数和l 乜参数，对于探索超薄快速铸轧的技术规律 原型，具有十分重要的意义。因此本文选择“超薄快速铸轧在线监测系统” 作为课题展刀：了如卜j 研究。 l 、确立了超薄快速铸轧在线监测系统的方案，是采用工控机为上位机、 单片机为下位机构成主从分机式系统。设计和实现下位单片机软硬件系统， 以r s 一2 3 2 通信标准构建了上下位机通信系统以及通信协议的发计和实现， 并且开发了上位机监控软件，实现了各类参数的可视化蛉控。 2 、根捌超薄快速铸轧 ：、l k 现场存在强烈的电磁干扰的特点，从硬件和 软件两方面研究了系统所采取的抗干扰措施和提高系统的可靠性方法。 3 、根据系统运行的实例结果逊 亍分析，讨沦各1 ：艺参数之问的耦合关 系，为确定最佳工艺参数匹配提供数据和例证。 4 、对超薄快速铸轧瓶测系统n ! 相关理论进行了研究，包括数据标定、 误差分析和处理、相关性分析以及采用线性拟合的方法建立问接测量力能参 数的数学模型。 本系统是传感器技术、计算机技术、仪器仪表技术为一体的系统的集成 和自动化技术在材料制备领域的应用。系统的实现将为探明超薄快速铸轧这 种多物理过程耦合的复杂系统的机理提供科学、准确、可靠的数据依据。设 计和实现超薄快速铸轧在线龄测系统，对于提高超薄快速铸轧过稗的自动化 水平，促进超薄快逑铸轧技术的研究和发展有着非常重要的意义。 关键词：超薄快速铸轧、数据聚集与处理、监测、单片机、通信 a b s t r a c t a l u m i n u mi sg o o d q u a l i t yn o n f e r r e o u sm a t e r i a l ，w h i c hi sa p p l i e di nm a n y f i e l d s c h i n ac o n s u m e sm u c ha l u m i n u me v e r yy e a r p o t e n t i a la l u m i n u mm a r k e ti s d e v e l o p i n g t r a n s - n o r m a lr o l l c a s t i n gt e c h n o l o g yi s an e w l yi m p o r t a n tw a yo f a l u m i n u mp r o c e s s i n g ，w h i c hi sl i t t l e - i n v e s t m e n t 、s h o r t f l o wa n de c o n o m i c a l b e c a u s et h er e s e a r c ho ft r a n s n o r m a ir o 儿一c a s t i n gt e c h n o l o g yi si ne x p e r i m e n t a l p e r i o d ，t h ep r i n c i p i eo ft r a n s n o r m a lr o l i c a s t i n gt e c h n 0 1 0 9 yi sa c c e p t e db ya 1 1 s a n l p l i n ga n dm o n i t o r i n g a i lk i n d so f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r 、 f o f c ep a r a m e t e ra n d e l e c t “cp a r a m e t e ra c c u r a t e l y 、 q u i c k l yi si m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ep “n c i p l eo f t 阳n s - n o r m a j r o l l c a s t i n gt e c h n o l o g y t h i s p a p e r r e s e a r c ho nt r a n s n o r m a l r o l l - c a s t i n go n l i n em o n i t or i n gs y s t e m ，t h em a i nj o bi sa sf o l l o w ： 1 、t h i s p a p e r c o n s t t u c tb l u e p r i n t o ft r a n s - n o r m a l r o l l c a s t i n g o n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e mi s am a s t e r s i a v ed i s t r i b u t e ds y s t e m ，t h em a s t e r c o m p u t e r i s i n d u s t r yp e r s o n a lc o m p u t e r ， t h es l a v e c o m p u t e r i s s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e l t h i sp a p e rd e s i g n e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es l a v e c o m p u t e r t h ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i sr s 一2 3 2s t a n d a r d w ed e s i g n e dt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dd e v e l o p e dm o n i t o r i n g s o f t w a r e a l lk i n d so f p a r a m e t e r i sv i s u a j l ym o n i t o r e d 2 、b e c a u s et h e r ei s s t r o n ge l e c t r o m a g n e t i s md i s t u r bi nt h et r a n s - n o r m a l r o l l c a s t i n gp r o d u c e 行e l d ，t h ep a p e rr e s e a r c ht h ec a u s eo ff b r m a t i o no fd i s t u r b a n db r i n gf o r w a r dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r em e a s u r eo fr e s t r a i nd i s t u r b t h e r e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mi se n h a n c e d 3 、 a c c o r d i n gt o t h e r u n n i n go ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，w ed i s c u s s e dt h e r e l a t i o no fb e t 、v e e nm e p a r a m e t e r ss ot h a tw e c a n p r o v i d ep r o o f sa n d d a t af o rt h e b e s tm a t c h i n go ft h ep a r a m e t e r s 4 、t h e p a p e rr e s e a r c h e ds o m et h e o r ya b o u tt r a n s n o r m a lr 0 1 1 一c a s t i n go n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m ，i n c j u d i n gs e n s o rm a r k i n g 、 e r r o ra n a l y z i n ga n d d i s p o s i n ga n d t e l a t j o n a n a j y z i n g ，t h e n s e t u p i n d j r e c tm a t h e m a t i c sm o d e lt o m o n i t o rf o r c e 生! 叁：兰型| _ 2 1 = 旦堕兰一 p 缸a m e t e ru s i n gl i n e a rm t i n g m e t h o d t h em o n i t o r i n gs y s t e mi n t e g r a t es e n s o rt e c h n o l o g y 、c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n di n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i ti sa u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya p p l y i n gi nm a t e “a l m a n u f a c t u r ef i e l d r e a l i z a t i o no ft h es y s t e mp r o v i d ep r e c i s e 、 s e i e n t i 6 ca n d r e l i a b l ed a t af o r s t u d y i n g t r a n s n o r m a l r o i i - c a s t i n gt e c h n o l o g y w h i c h i s m u l t i p h y s i c sc o u p j i n gp r o c e s s t h e d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft r a n s - n o r m a l r o l l - c a s t i n g o n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m i sb e n e f i tf o rt r a n s n o m a 】r o - c a s t i n g a u t o m a t i o n i tc a na c c e j e r a t et h er e s e a r c ho ft h et r a n s n o r m a j r o i l c a s t i n g t e c h n o i o g y k e y w o r d s ：t r a n s - n o r m a lr o l l c a s t i n g 、d a t ac o i l e c t i n g p r o c e s s i n g 、m o n i t o r i n g 、 s i n g l e c h i pm i c m c o m p u t e r 、 c o m m u n i c a t i o n ! 塑叁兰塑i 兰丝笙兰 第一章绪论 1 1 课题来源 本论文是国家重大基础研究规划项目“提高铝材质量的基础研究”、国家 计委产业化前期关键技术与装备的研制项目“铝及铝合金连续铸轧新技术与设备 的研究”和国家“8 6 3 ”项目“利用电磁快速铸轧制备高性能铝板带材”的相关 子课题一超薄快速连续铸轧在线监测系统的研制。同时作为研究生教手段的改善 而实施的振兴行动计划，己列入中南大学研究生院教改项目“快速铸轧在线监测 系统设计与实现” 1 2 本课题研究的目的和意义 随着世界经济和科学技术发展的需要，铝已成为了仅次于钢铁的第二大 需求金属。而用传统的方法生产铝带坯需要有铸造、锯切、铣面、加热、热 轧等多道工序，因此满足不了市场对铝材的迫切需求。为此，世界各国都在 进行新工艺、新技术的研究【】。超薄快速铸轧技术正是这样种金属带坯 生产新工艺，是将熔融金属直接注入两个相向旋转的铸轧辊冷却的作用下结晶凝 固并轧制成形，可将铸轧速度从l 米分提高到1 2 米分以上，带坯厚度由6 m m 减至2 3 m 以下，生产效率提高3 4 倍，是一种低投入、高效短流程、低成本 的技术。超薄快速铸轧技术以其投入少、经济效益显著等一系列优点将成为 新一代铝加工发展的重要方向。由于世界各国对超薄快速铸轧技术的研究均 处于试验阶段，因此对于探索超薄快速铸轧的技术规律和机理具有十分重 要的意义。准确、快速、科学的采集与监测超薄快速铸轧的过程和各种工艺 参数、力能参数和电参数，显得尤为重要。 目前在国内轧机监测系统还没有被普及应用，虽在某些轧钢机上有一些洲试 仪器，并取得了一定的经济效益，但那只是用它来改变过去靠人工记录数据的方 式。目前铸轧机在线监测系统仍只是提供数据记录和安全报警等一些简单的功 第l 负 ! ! 叁i ：塑! ：兰坐堕一 能。甚至有些监测系统还是靠分立的检测仪器、仪表来取得数据，靠人们的经验 来进行操作。更重要的是数据信息的后续处理l l 。 旦煎鱼囱鳆蓬垫扭土玺邃直二套塞整趁! 篡鱼壁墨撞苤! 荭箕扭基盔：垡 墨垡盘董苤盏二签2 捡测控剑丕缝。基握奎厦固筮星过鲢塾匡生笪叁麴：整丝逃 堑捡型塑撞剑! 应查堡盘塑挝厦量笪基型塑宜尘! 盘拯塑缝垫区空的堑接过程! 垦 匪土整盏墨筵墨迨! ! 萎墨查量歪篚堡捡到出蓬垫医史笪叁数! 奎选题婴塞笪旦 的星塞丑盟趁遵迭堡鲢塾重捏的圣整茎塑曲苤塞皇笪捌。堂堡垫塑的垂复丛逸! 夔塑挝堂鲎塞鲢圣苎麴堡塑魁：丛面凼婴究趁篷迭逐链扎鼓查的拯建埕堡整堂丝 錾握狸箧位友塞! 压丝垫超蓥堡逐签轧垄缝篁捌丕箕堡盘逯壁! 直重噩敫堂 盔塞竖塑王摆塞匿塞竖! 1 3 数据采集与监测系统的研究现状 1 3 1 自动检测和数据采集、监测技术的发展 自动检测技术创始于5 0 年代。当时各种过程的数据测试、采集大部分 是依靠人工测定，因此数据的采集过程中存在大量的人为误差因素，造成数 据采集的准确性不高，精度得不到保证，随着计算机技术的迅猛发展，于是 提出了自动测试技术的思想，以计算机为核心的数据采集系统强烈地冲击着 传统的数据测试领域剐。7 0 年代就出现了仪器仪表与计算机融为一体的 智能仪器，而后，随着计算机软硬件技术的发展出现了使用软件代替硬件 的“p c 仪器”，分布式测控系统也迅速发展起来。计算机数掘采集系统广泛 应用于智能仪表、工业过程测试和智能采集。下面介绍现代数据采集与监测 系统的基本组成和不同的工业结构模式。 1 3 2 数据采集与监测系统的组成 般的数据采集与监测系统见结构框图1 一l 。它是由监测对象，敏感元 件( 传感嚣) a ，d 转换计算机( c p u ) 以及d ，a 转换和输入输出设备组 成采集系统的工作方式般如下：数据采集系统是将被测量的信号转换为 计算机能识别的信号并输入计算机：数据处理是由计算机执行以测试为目的 的算法程序后，得到与被铡参数对应的测量值或者形成相应的决策与判断； 第21 i 数据输出是将处理结果送给输出设备，显示、打印或绘制成图形；完成对生 产线上数据的在线采集、监测和控制。 图l 一1 数据采集与监测系统结构框图 为面向工业生产的实际过程进行设计，根据被测信号的特性，要使数据 采集系统既能满足系统性能要求又能在性能价格比上达到最优。由图l 一1 可演化出三种不同的工业结构模式，以针对工业生产过程的不同要求，从而 按照不同的生产实际选择相应的工业结构模式。 第一种模式：智能仪器 如图l 一2 所示，智能仪器的硬件由数据采集装置和微型计算机两部分 组成( 包括键盘、c i h 、接口电路等) i ”l 【1 8 l 。与传统的仪器比较，智能仪器 是用微处理器与存储器( r a m 、r o m ) 来代替过去以电子线路为主体的结 构，用软件技术来代替电子线路实现硬件的功能。微处理器是智能仪器的核 心，它作为控制单元，控制数据采集装置进行采样并对采样数据进行计算和 数据处理，如数字滤波、标度变换、非线性补偿、数值计算等。然后，把计 算结果进行存储、显示和打印。智能仪器是当代高水平测量仪器的代表，是 在常规测量仪器的基础上发展起来的新一代测量仪器，其结构上有如下共同 特点： 1 、微处理化现在世界上流行的智能仪器中几乎都带有微处理器及其相 应的初始系统程序，微处理器在测量仪器中的使用。可以说是检测技术上的 个飞跃，是赋予仪器智能特性的核心。从目前的发展趋势来看微处理器 在测量仪器中所发挥的作用将越来越突出。微处理器在智能仪器中不但要完 成某些计算和显示，而且还要控制其对内部的操作。 2 采用总线和标准化接口长距离的通讯，采用串行数据传送方式很有 效，它节省了传送连线，降低了成本，故是最佳的方式。串行通讯方式常采 用r s 一2 3 2 接口和r s 4 8 5 接口，当然还可采用新型总线联接方式即g b i b 总 第3 磺 线。 3 仪器的面板大大改观智能仪器中淘汰了旋钮式波段开关、衰减器、 调节器之类的设备，广泛使用键盘、l e d 显示器或c r t ，它们应用l e d 显 示器的图像和画面功能来制作虚拟输入、输出设备。采用微处理器控制的仪 器不但具有检测和处理结果的功能，而且不少硬件被软件替代，从而使仪器 的体积和重量相应减小。目前，智能仪器在结构上正向模块化、积木式的方 传感器1 一 i a l f = = = 打印机 c 传感器2l 一i a ：lm - _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 l i p = 刊显示器 i 。一s ，ha ，d u u矧键盘 x1 。一 传感器3 一i a ，h ：爿存储器 传感器 数据采集器微处理器 图l 一2 智能仪器结构框图 在连续铸轧系统中，因要面对多个快速反应的测量对象且被测对象的 距离分散较远，小型的智能仪器就不能满足要求了，而且，要在小型仪器的 面板上也很难实现友好的界面。由于智能仪器在功能结构上的特点，它适应 工业现场的恶劣环境，但由于它本身受存储空间的限制，不能进行大容量的 数据存储，从而不能进行大数据量的分析和处理。为了能对数据进行分析处 理，满足用户的自定义功能，p c 仪器正是这种时候的思想产生的。 第二种模式：p c 仪器( 虚拟仪器) p c 仪器有两种类型，一种是功能确定型的p c 仪器，另一种是功能面向 用户开放的虚拟仪器【2 0 】。如图1 3 a 所示为功能确定型的p c 仪器，它是由 p c 机，功能仪器卡( 数据采集卡) 及其相应的软件组成。它与般的传统 仪器一样可独立完成各种确定的采集、测试任务。图1 3 b 是一种能由用户 编程的p c 仪器，在这种p c 仪器中，除了拥有仪器功能卡之外，还拥有 第4 页 c j 南人学坝t 位论立 l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c a l 等仪器功能的图形编辑软件和丰富的通用仪器 功能和数掘处理的软件库，它可以由用户对仪器功能重新编程( 也称“虚 拟”) 。这类仪器既可用作殷的p c 仪器，还可以通过g p i b 和v x i 等接口 与其他测控仪器设备一起组建成一个自动测试系统。p c 仪器既有多功能数 字万用表的功能，也有程控信号源、智能示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪 等仪器功能，可用于对各种信号的波形参数测试或进行数字逻辑分析以及进 行频谱分析，并且还可作为自动控制设备用于工业自动化的测控系统中。p c 仪器( 虚拟仪器) 作为新一代智能仪器，有如下特点： 图l 一3a 一般p c 仪器结构框图 图l 一3 b 仪器用户可编程的p c 仪器结构框图 第5 页 r p 南凡 叭卜号：1 诧止 1 具有更好的测量精度和可重复性 嵌入式数据处理器可以建立一些特定功能的数掘模型如f f t 和数据滤 波器等，因而淘汰了分立式模拟硬件需要随时间而定期标定的程序，满足了 工业现场的连续、快速要求。 2 测量速度快 测量输入信号的几个性能参数( 如电压、频率的上升时间) 只需要一个 量化的数据块，被测量信号的参数就能计算出来。这种具有多种测试功能结 合在一起的办法缩短了测试时间，消除或减小了传统的机架层迭式系统中， 必须把信号连接到每台仪器上来测量各个参数的方法，且测量值还受电缆长 度、阻抗、仪器校准和修正因子差异的影响。 3 减少了开关和电缆 由于所有信号共用一个公用的量化通道，故允许各种测量数据使用同一 校准和修正因子，这样就能减少了复杂的开关矩阵和信号电缆，信号也不必 切换到多台仪器上去。 4 缩短系统组建时阃 所有通用模块支持相| 司的公用硬件平台。软件驱动程序或仪器处理程序 不必单独产生。当测试系统要增加一个新的测量功能时，只需增加软件来执 行新的功能或增加一个通用模块来扩展系统的测量范围，因而系统组建时间 大大缩短。 5 用户定义测量功能 由于仪器的功能不是不可改变的固定硬件，而是可由用户级产生程序， 因此，当需要时可加入新的测量功能而不必再去购买一台新的仪器。 6 可扩展性强 为提高测试系统的性能，可以方便的加入一个通用模块或更换一个模 块，而不必再购买一套全新的系统。 p c 仪器是在很多情况下需要专用的硬件和软件支持价格极为昂贵， 而且抗恶劣环境性能较差。所以在工业生产中应用并不是很多。而由于分佃 式数据采集与监测系统有能抗恶劣环境和性价比高的优势，在工业中应用非 常广泛。 第6 页 ! ：! 查! ：竺! 兰些笙兰一 第三种模式：分布式数据采集与监测系统 如图l 一4 所示，一般的分布式数据采集与监测系统由上位机系统、上 下位机通讯系统与f 位机系统组成4 讲。分布式数据采集与监测系统的上位机 主要是实现管理功能，下位机实现监控功能，通过通讯系统连接，可以实现 远距离分布式的监控。它有如下共同特点： 上位机( p c ) j i上、f 位机通讯系统 图1 4 分布式数据采集与监测系统结构框图 l 上、下位机功能分离，使得各功能模块各司其职，功能专一。有利于 将模块批量化。 2 由于各功能模块的功能专一，因而只需要将相应功能的模块装在现 场，这样就使得整套系统的性能( 可靠性、稳定性) 大大提高。 3 积木式的结构使得人们可以根据需要自由选择其功能，提高了系统的 性价比。 4 各功能模块分离，对系统的更换、升级和维护比固定式仪器容易，而 且所须的工作量减小，维护的速度得到很大的提高。这对要求实现不停产作 业的场所极为有利。 5 良好的扩展性。对于功能的扩展，可以增加一个或几个监测子站来实 现相应的功能。 由于分布式数据采集系统是采用以微控制器组成的监测单元为下位机， 完全能适应恶劣的工业生产现场，同时通讯系统又保障了上下位机的数据和 命令的传输，可以把下位机的数据实时的存储起来，供以后分析和处理使用。 第7 贞 因而弥补了智能仪器不能进行数据存储分析处理的缺陷，又满足了工业生产 现场抗恶劣环境的要求。 1 4 本课题的主要研究内容 根据超薄快速铸轧技术的特点和对数据采集与监测系统的分析研究，结合超 薄快速铸轧的生产实际本课题的研究主要内容如下： 1 、针对超薄快速铸轧监测系统一些相关理论进行了研究，包括数据标定、 相关性分析以及采用线性拟合的方法建立间接测量力能参数的数学模型。 2 、确立了超薄快速铸轧在线监测系统的方案，是采用工控机为上位机、单 片机为下位机构成分布式系统。设计和实现下位单片机软硬件系统，以r s 一2 3 2 通信标准构建了上下位机通信系统以及通信协议的设计和实现，并且开发了上位 机监控软件，实现了各类参数的可视化监控。 3 、根据超簿快速铸轧工业现场存在强烈的电磁干扰的特点，从硬件和软件 两方面阐述了系统所采取的抗干扰措施提高系统的可靠性。 4 、根据系统运行的实例结果进行分析，讨论各工艺参数之问的耦合关系， 为确定最佳工艺参数匹配提供数据和例证。 1 5 本章小结 本章首先提出了本课题研究的目的和意义，然后概括了数据采集和监测系统 的发展现状和组成。超薄快速铸轧作为一种高性能铝板带材加工的新工艺，具有 投资小、高效率、短流程等优点，成为各国铝加工研究的新的研究燕点。作为一 种高速发展的新技术，其工艺和设备存在个不断成熟和完善的过程，这就对提 高其过程参数检测和控制提出了更高的要求。随着科学技术和计算机技术的发 展，以计算机为核心的数据采集系统进入了传统的测试领域，按照工业生产的实 际情况不同，计算机数据采集系统可以分为三种不同的模式：智能仪器、虚拟仪 器和分布式数据采集系统。在上述背景条件下拟定了本课题研究的主要内容。 第81 j ： !：塑生兰塑!：兰些堡生一 第二章超薄快速铸轧在线监测系统方案设计 2 1 超薄快速铸轧铸轧系统构成及其参数信号特点 铝工业中应用超薄铸轧系统的典型配置如图2 一l 所示。从图中可以看出，主 要设备是由熔化炉、铸轧机、剪切机和卷曲机及其他辅助机械和电气设备构成。 鼬c ；r 汕p 图2 1 超薄快速铸轧系统的典型配置图 超薄快速铸轧是一个集温度场、速度场和流场等多种物理场的强耦合复杂系 统，其工艺流程为：熔炼一凝固、轧制一卷取一冷轧一成材。由图2 一l 可以看出， 超薄快速铸轧工业现场各类设备繁多，被监测参数的信号呈现如下特征： 1 参数种类繁多，信号类别也各异有工艺参数、电参数、力参数等。其中 工艺参数包括炉温、流槽温度、前箱温度、铸嘴温度和进出口水温等：电参数包 括铸轧电机电流和电压、卷取电机电流和电压等；力参数包括轧制力、上下辊扭 矩和液压缸压力；还包括铸轧机的转速和卷取机的转速等。 2 参数分布极为分散，监测的参数分布在从融化炉一铸轧机一剪切机一卷取 机这样一条很长的生产线上，测点极为分散。例如铸轧机测量的参数包括前箱温 度、铸嘴温度、铸轧电机电流和电压、转速、铸轧力、上下辊扭矩等，卷取机测 量的参数包括卷取电机电压和电流、转速等，所以监测参数分散在不同的设备上。 2 2 1 监测系统的功能 2 2 系统方案的确定 第9 砸 ! ! 塑兰竺! 兰篁垒羔一 1 在线监视、掌握工况 在线监视铸轧机的扭矩、轧制力、电机电流、转速、轧制速度、轧制温度等， 以掌握轧机的运行状况。 2 安全生产、提高效率 在保证铸轧机安全生产的情况- f ，最大限度的发挥铸轧机的潜力，提高生产 产量和效益。 3 设定门槛、指导操作 设定铸轧机扭矩、轧制力、前箱温度、铸嘴温度、电机电流等参数的门槛值 报警。当超过门槛值时，则发出声光报警，提醒操作人员注意，从而指导操作人 员安全生产。 4 故障追踪分析 当铸轧机出现故障时，可对故障前后的各类工艺参数、电参数和力参数等进 行动态回放，快速分析产生故障的原因。 2 2 2 监测的参数及测量原理： 温度参数：炉温、前箱温度、铸嗡温度等信号的测量是由安装在铸乳机上的 镍铬镍硅凯装热电偶，经温度变送器送出信号，再通过a d 5 7 4 采集转变成数字 量送至计算机。温度变送器是采用i w s 温度变送器。温度变送器的参数如 下：量程是0 8 0 0 0 c ，输出是4 2 0 m a 1 5 v 的标准信号。原理如图2 2 。 图2 2 温度信号采集原理图 电参数：铸轧电机电压和电流、卷取电机电压和电流，电压的测量是采用 w x d 4 2 3 3 w 型号的电位器并联在电压表两端分取电压经光电隔离器来获取。 电流的铡量直接从分流器两端引出电压信号经光电隔离器，信号放大器获取信 号。原理图如图2 3 。采用以上的测量方法在测量电路和电网电路采用光电隔 离，实现电气隔离，保证系统的安全。 力参数：轧制力、上f 辊扭矩、液压缸压力，轧制力。轧制力的测量是通过 第1 0 贝 中市凡学坝1 学位论卫 在上下轴承座之间的测力装罱内壁贴电阻应变片的方式来获取信号。上下辊扭矩 是通过在传动轴上贴电阻应变片菏用滑坏装置引出信号的方法，这样就解决了从 旋转轴上取出信号到固定端口的技术难题，比采用遥铡的方法更为准确实用。原 理图见图2 4 。 e 雕 ( a ) 电压测量原理图 墨 十 羹臣 鎏1 1 平w 奇q l i 一一 ( b ) 电流测量原理图 图2 3 电压电流信号采集原理图 图2 4 力参数测量原理图 转速：铸轧机主电机的转速和卷取电机的转速测量是把光电编码器安装在电 机轴上，随电机的转动，光电编码器发出的脉冲通过整形后送单片机，定时读取 脉冲数就可计算出电机的转速。光电编码器型号是l m a 1 0 2 4 b c 2 4 f 。测量原理 图如图2 5 。 第1 l 砸 2 2 2 总体方案的确定 图2 5 转速测量原理图 根据超薄快速铸轧过程参数信号的特点和对比几种数据采集系统的特征，设 计了如下的快速铸轧在线监测系统方案：以工控机为上位机、单片机为下位机所 构成分布式的数据采集系统，通信方式采用串行通信。上位机的主要功能是数据 存储、显示、打印和数据处理等管理功能，单片机子系统则主要是负责数据采集 功能，结构框图如图2 6 。 图2 6 超薄快速铸轧在线监测系统结构框图 2 2 3 软件功能和开发工具的选择 软件包括两部分：上位机软件和下位机软件。 上位机软件系统主要实现管理与通讯功能： 1 包括与下位机的通信、信号在线采集与传送、显示和存储、在线显示轧机 工况、在线显示被测信号的时域波形图、可进行时域和频谱分析。 2 实验数据库及历史库包括：实验数据报表、被测信号的超载或报警记录报 中南凡一产伸! 学位论立 表、各类数据报表的打印输出等。 下位机软件系统主要实现采集与通讯功能：各类信号的预处理、信号实时采 集与传输、与上位机通讯实现。 本数据采集与监测系统用于超薄快速铸轧过程各类参数的监测。单片机开发 平台使用的是k - e i l c 5 l ，k e i l c 5 l 是一种高效的单片机开发语言，它兼顾了高级 语言的特点并具备汇编语言的功能，不仅具有丰富的库函数、运算速度快、编 译效率高、良好的移植性和开发周期短优点，而且还可以直接实现对硬件的控制 【2 9 】。上下位机通信使用的是m i c r o s o & 公司提供的m s c o m m 控件进行开发，由 于m s c 0 m m 控件封装了许多串行通信的底层操作，使得通信开发更为简单， 功能更加完善【3 5 l 【47 1 。上位机监控管理系统的开发是使用v i s u a lb a s i c 6 o ，s u a l b a s i c 6 ，o 是m i c r o s o r 公司最新推出的面向对象的r a i d 开发工具，用它开发出的 软件具有界面友好、使用方便的优点f 3 3 d 4 1 。 2 。3 本章小结 本章介绍了超薄快速铸轧系统的的构成和信号特点，根据超薄快速铸轧过程 信号种类多、较分散的特点，确定了超薄快速铸轧在线监测系统的方案，是以工 控机为上位机、单片机为下位机的主从分布式系统，完成对系统进行数据采集和 在线监测的功能。并介绍了软件系统所完成的功能和开发工具的选择。 第1 3 页 中| ；】；j 人学坝l 学位论史 第三章超薄快速铸轧过程监测的相关理论问题 3 1 标度变换与校准 在计算机数据采集系统中，数据的标度变换和校准是非常重要环节，因为只 有正确量纲的测量数据才是被测对象的实际量度惜l 。而真实正确的数据所进行 的相关分析，才能真实地反映超薄快速铸轧过程中地现状，以便掌握这一先进地 工艺方法。 3 1 - l 测试数据的标度变换 在计算机数据采集系统中，计算机所得到的数据与被测物理量无论在数字表 达方面还是量纲都是不一样的。物理量经传感器变成电量再经过a d 转换后得到 的数据是以某种比例与被测物理量大小相对应，并不是物理量的直接表达形式。 只有经过一定的换算才能得到与量纲相对应的量值数据。这种变换称为标度变换 或者传感器标定。标度变换与传感器的类型有关，因此标度变换要根据实际情况 用不同的方法加以解决。最常见的方法有线性变换与非线性变换两种m 旧】。 ( 1 ) 线性变换方法 当被测物理量与计算机测量数据呈线性关系时，可以用线性转换公式实现标度变 换： h 地圳糌 ( 2 叫 式中：j ，一被测物理量的测量值； 匕一量程最大值： z 一量程最小值； 。一与r m 对应的数字量； j 。一与匕对应的数字量： 。一与l ，对应的数字量。 中南人学坝l j 学位论上 ( 2 ) 非线性变换 当被测物理量与计算机数据呈非线性关系时，可以先在量程范围内实测一些 典型数据做一张数据表，然后用查表程序来实现标度变换，对中间的一些数据可 以用插值法进行计算。 本系统中的信号大部分可以通过预处理转变为线性信号，所以标度变换采用 的是线性变换。以温度参数标度变换为例，我们使用u g 3 3 仪器校准，在量程o 8 0 0 0 c 范围时。当u g 3 3 显示为0 1 时计算机测量值为2 4 6 0 ，当u g 3 3 显示为8 0 0 “c 时，计算机测量值为4 0 9 5 。代入式( 2 一1 ) 可以得到温度标度变换公式： 丁：o + ( 8 0 0 - o ) 芸善黑：o 4 9 x ( 一2 4 6 0 ) ( 2 2 ) 、 。4 0 9 5 2 4 6 0 、 式中t 一温度测量值： n 一计算机测量的数字量； 当计算机测量值输出为3 4 5 8 时代入式( 2 2 ) 可求得测量温度为4 9 0 ”c 。 采用u g 3 3 校准的结果也为4 8 8 ”c 。由此可见在量程范围内，温度传感器具有较 好的线性度，故可以采用式( 2 2 ) 来进行标度变换。其他的传感器标度变换类 似，不再重复。 3 1 2 数据的校准 在计算机数据采集的数据进行校准目的是消除零点的漂移、偏移以及传递误 差对测量值准确度的影响。一般有下面两种方法： ( 1 ) 数字校零 在被测量输入端输入零信号是，测量结果也应等于零。但是由于种种原因， 这种情况下，实际测量的结果往往不等于零，存在一个“零点漂移”量。数 字校零就是把这个。先存起来，然后把测量结果减去它，用，一。作为校准值， 这样就可消除“零点漂移”的影响。 ( 2 ) 自动校准算法 自动校准就是先在输入端输入一零信号，得到一个n ，再输入一个机内标 准得f 信号得到，那么测量实测值y 时，可用下式计算： 第1 5 页 生塑查兰! ! ! 兰丝堡兰一 l ，：r 坐 ( 2 3 ) j n ? 一nb 由于y 值是经过机内标准信号校准得，所以可有效消除各种偏移的影响。 本系统中采用数字调零的方法来消除零点的漂移、偏移以及传递误差对测量 值准确度的影响，由上面温度参数标度交换的算例可以看出，温度变换存在一个 2 ”c 零点漂移量，所以通过软件的方法可以自动减去漂移量来消除零点漂移的影 响。 3 2 数字相关分析 数字相关是研究在某一时刻获得的数据和另一时刻所得数据的相互关系或 者是一种时间函数和另一时间函数的相互关系的一种分析方法【1 7 1 ”1 。因为超薄快 速铸轧系统是温度场、流场、速度场等多种物理过程耦合的复杂系统，各种物理 场之间的参数相互影响，呈现初非常复杂的特征。所以对参数进行相关分析，既 可以研究参数本身在时域方面呈现的自相关特征，还可以研究参数之间的耦合相 关特征，为探明超薄快速铸轧过程的机理提供一定理论依据。 3 2 1 自相关分析 3 2 1 1 自相关函数 信号或者数据x ( f ) 的自相关函数足( r ) 是描述该信号某一时刻的取值和另一 时刻取值之间的关系函数。z ( f ) 在，= f 。时刻和，= f + f 时刻的在观察时j 埘t 内的 自相关函数可用式( 2 4 ) 表示： 蹦护憋* 川) 坤+ ) d r ( 2 4 ) 3 2 1 1 2 自相关数据处理方法 在计算机中自相关数据处理的过程是由计算机程序完成的，主要的步骤如 下： ( 1 ) 由采样电路系统每隔，时间采样被测信号，将x ( f 、离散化为 地1 6 贞 l ! 查兰些l 二兰j 兰j 垒墨一一 工( 0 ) ，z ( f ) ，一，x ( j k f ) 。 ( 2 )用a d c 器件将z ( f ) 量化为数字信号。 ( 3 )按照有限时阃白相关函数的运算表达式算出不同时延下的自相关函数 值，表达式为式如下： r ，( ，) = j ；蒸x ( 尼) z ( + ，) ：。，1 ，( 吖一1 ) ( 2 5 ) 式中：x ( 七) 一第七次的采样值： x ( 七十j ) 一从z ( 七) 左移个采样点，后得到的采样值 n 一时域中信号z ( i ) 的长度； m 一为延时后r ( _ ，) 的长度。 ( 4 )将计算结果画自相关函数的相关图 ( 5 ) 按相关图分析x ( r ) 的特性。 3 2 2 互相荧分析 互相关函数是分析两个不同信号的相互关系，其定义是： 尺，( r ) = 牌刍l x ( f ) y ( f + r ) 出 ( 2 6 ) 离散表达式如下： k ( _ ，) = 专篓x ( ) y ( + ) ，= o l ，m l ( 2 7 ) 在计算机中，互相关数据处理的过程是由计算机程序完成的，主要的步骤如 下： ( 1 ) 由采样电路系统每隔f 时间采样被测信号，将上( r ) 离散化为 x ( o ) ，工( 缸) ，x ( 殷) ，将，( f ) 离散化为y ( o ) ，y ( f ) ，y ( 怂，) 。 ( 2 ) 用a d c 器件将工( 吐y ( f ) 量化为数字信号。 ( 3 ) 按照有限时间自相关函数的运算表达式算出不同时延下的自相关函数 值，表达式为式如下： r 。( ) = 专蒸工( 七) y ( 女+ ) _ ，= 。 l ，( m 1 ) ( 2 8 ) 式中：x ( 七) 一第七次的采样值： y ( t + - ，) 一从x ( i ) 左移y 值的第，个采样点，后得到的采样值 n 一时域中信号工( 女) 的长度； m 一为延时后月( ，) 的长度。 ( 4 ) 将计算结果画互相关函数的相关图，按相关图分析x ( ，) ，y ( ，) 之问的特性。 数字相关分析程序流程图如图3 一l 所示。 图3 一l 数字相关分析程序流程图 ! ：! 叁! ：堕生生生一 3 3 力能参数的间接测量 由于铸轧机的传动轴是旋转的，对扭矩等力能参数的测量不方便。中南大学 冶金机械研究所多年来对于扭矩的测量成功的方法有：采用遥测的方法和用滑环 装置【“3 将信号引出的测量的方法，并配备有这两种测量方法的专用仪器设备。 在本系统中对扭矩的测量是沿用将扭矩信号用滑环装置将信号引出来的测量的 方法。这样就解决了从旋转轴上取信号到固定端口的难题。对轧制力和压力的测 量，主要是制造专用的测量装置，如测轧制力的压头等，但都存在容易损坏的问 题，所以通常采用间接测量的方法来测量力能参数。间接测量l l0 j 是指不直接采 用扭矩传感器和压力传感器对轧制力矩和轧制压力进行在线监测，而是通过对二 次信息的监测来达到对力能参数进行在线监测的目的。多年来许多从事轧机力能 参数研究人员对大量轧机进行实测，通过对大量的实测数据资料的整理和分析 时，发现电机( 主要是指直流电机) 功率的变化与传动轴的扭矩变化存在一定的 关系，而且是明显的线性关系。根据表3 一l 某实测数据绘制的图3 2 可以看出 电机功率与轧制力曲线存在明显的线性关系。因此可以采用通过测量电机功率的 方法来实现对轧制力矩和轧制压力长期在线监测。 表3 1 某轧机电机功率和轧制力实测数据m 】 功率n ( k w )2 5 8 3 1 32 9 0 0 8 54 7 3 4 3 23 2 4 6 8 43 6 1 2 1 6 轧制力p ( 1 0 k n ) ) 1 0 51 2 51 7 51 4 51 6 功率n ( k w 3 3 2 6 9 6 24 9 6 3 9 25 0 2 0 6 85 1 5 1 8 63 4 2 6 8 4 轧制力p ( 1 0 k n ) 1 51 81 8 51 91 3 囊 喜 耳 喜 第1 9 砸 刊壁收敞 一 一 一 一 一 一 碣量收数 图3 2 某轧机实测电机功率和轧制力曲线图 3 3 1 铸轧过程的力矩方程式及数学模型 依据采利柯夫理论，由电机到轧辊整个系统传动的力矩关系为 ：堕 m | m h m d i ( 2 9 ) 式中m 。电机力矩； m 。轧制力矩： m 广折算到电机轴上的摩擦力矩： m h 空转力矩： m r 一折算到电机轴上的动力矩： i 轧辊轴到电机轴的传动比： 由式( 2 9 ) 可知 胁= f ( 坛一蚴一m 胁)( 2 1 0 ) 式中毖：o 9 7 5 丝疗； 玎 坛：堡塑：壁。： 3 7 5 出3 7 5 n 。电机输入功率k w m = 叩c o s ： q 电机效率；n 电机转速： g d 2 折算到电机轴上飞轮的惯性力矩： 第2 0 页 卫 住 惦 仨 竹 高荸_【x，山r嚣舛 分析式( 2