（机械设计及理论专业论文）连轧机力能参数在线监测系统研制开发.pdf

中南大学工程硕士论文 摘要 轧机的设备故障和轧件的质量缺陷问题是钢管生产的技术难题，有效地监测 轧机运行状况对提高钢管质量、预防和避免事故的发生有重要意义。本文吸取了 大量国内外轧机在线监测的先进技术，针对某连轧管机组生产工艺的特点和机械 设备的运行特征，研制开发了连轧管机组力能参数在线监测系统，并以此为研究 主线，对以下几个问题进行了较为详细的研究： 1 在系统分析电阻应变式传感器的电桥原理以及温度补偿特性的基础上，选 定了压力传感器的设计方案：在系统分析计算机数据采集、数据转换和主要功能 电路和传感器与计算机接口问题、接口功能、接口的类型以及实现方式的基础上， 选定了数据采集卡和工业控制计算机。 2 对压力传感器进行了结构设计、标定、密封与防护，标定的应变随压力的 变化规律符合生产实际的规律。并利用a n s y s 有限元分析软件模拟了压力传感器 的全程标定过程，解决了压力机量程有限的问题。 3 采用l a b v i 阱编程开发软件进行了总体设计，采用多线程技术解决了监测 系统的实时性，采用数据库技术有效管理了原始数据和历史数据。 4 以无缝钢管连轧机组为对象建立了一套在线监测系统，对在线监测系统进 行了实时控制曲线采样分析，证实了该在线监测系统的有效性。 从现场安装投入运行至今，系统运行稳定，能有效地监视设备运行状态，提 高了设备的管理水平和产品质量，同时为合理调整轧制工艺参数提供了科学依 据。 关键词连轧，无缝钢管，在线监测，数据采集与分析 主要查兰三堡堡圭丝塞 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ 。_ _ _ - _ _ 。一 a b s t r a c t t h ef a c i l i 哆m a l 劬c t i o no fr o l l i i l gm i ua 1 1 dm 2 l s sb l e m i s ho fm l l s t e e la r et e c h n i c a lp r o b l e m ms t e e lm a n u f a c t u r e i t sv e r y 吼p o 纰tt o e 妇陌c t i v e l ys u r p e r v i s eo n - l i i l e s t a n l sf o ri m p r o v i l l gm eq u a l i 够o fs t e e l p i p ea n dp r e v e m i l l go ra v o i d i l l g a c c i d e m t h ep a p e ra b s o r b sal o to f a “a n c e dt e c h n i q u eo fo n - l i n es u r p e i s i o n ，d e s i 印sa 1 1 dd e v e l o p sas e to f c o n t i n u o u sm l l m 争s e a m l e s ss t e e lp i p eo n l i l l es u p e r v i s i o ns y s t e ma i m i n g a tm a n u f k t u r et e c m c a lc h a r a 巳r i s t i c so fc o m i i l u o u ss t e e lt u b eu n i t ，a n d 眦c h a r a c t e r i s t i co fm e c h a i l i c a le q u i p m e m a n d 也e nr e g a r d i n gi ta sa m a i nl i n e ，s e v e r a lq u e s t i o i l sh a v eb e e ns t u d i e di i ld e t a i l 1 b a s e do nt h e a l l “y s i s o fe l e c t r i c 毋b r i d g e p r i n c i p l e a i l d t e m p e r 砌ec o m p e i l s a t e ，d e s i 盟p r o j e c to fp r e s s es e n s o ri sc h o o s e d a n d o nm ea i l a l y s i so fc a l c u l a t o rd a t a c o l l e c t i n g ，d a 协 c o r e r s i o n ，m a i n m n c t i o ne l e c t r i cc 疵u i ta n dm ep r o b l e m ，f h c t i o n ，s 够l ea n dr e a l i z i n g m e t h o do fm ei m e r f a c eb e t w e e ns e n s o ra n dc o m p u t e r ，d a t ac o l l e c t i v ec a r d a 1 1 dc o m p u t e ri ss e l e c t e d 2 c o n s t m c t i o nd e s i g i l ，d e m a r c a t e ，s e a la n dd e f b n di sp m c e e d e d ，a n d m es 仃a i nc h a n g ep r i n c i p l ea l o n gw i t hm e p r e s s u r ei sm a t c h e db a s i c a l l y w i t l l 吐l er e a lp r a c t i c e a n dm ef e ms o 栅a r ea n s y si su s e dt oi m i t a t e m e p r o c e s so f m e 、 ，：h o l ed i s t ；m c em a r k ，s o 也a tt l l ep r o b l e mo f m el i m i t e d d i s t a n c ei i lp r e s s u r em a c l l i n ei sr e s o l v e d 3 1 h el a b ws o 脚a r ei sa d o p t e dt op r o c e e dt h et o t a ld e s i 弘，a i l d t l l em u l t i t h r e a d m gt e c h n i q u ei s “l o p t e dt os o l v et 0m er e a lt i m es y s t e m ， a 1 1 dd a t a b a s et e c h n i q u ei sa d o p t e dt 0m a n a g ee 往b c t i v e l yt 1 1 ep r i m i t i v e d a t aa 1 1 dm e1 1 i s t o r yd a 诅 4 t a k e nc o n t i z l u o u sr o l l i n g s e 锄1 e s ss t e e l p i p e 够 e x p e r i m e m o b j e c t ，ao n 1 i l l es u r p e r v i s i o ns y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d i th 够b e e n p r o v e db y t h ec o n 臼o lc u r v et h a t 出eo n l 缸es y s 钯【i li i l 出i sp 印e ra r em o r e u s e m l t h es y s t e mr e a l i z eo n l i n e s u r p e r v i s i o nt o s u c hp 蝴e t e r sa s r o l l i n g f o r c e ，e l e c t r i c a lc u r r e m ，r o t a t es p e e d ，a n dp r e s e r v a t i o n ，i n q u i r ya n d a i l a l y s e o f h i s t o r y d a t u m、) l r i mm e 缸n c t i o no f s t o r a g e ，s i 印a l u 主塑查兰三矍堡主丝壅 a i l a l v s i s ，c h a r a c t e r i s t i cd i s t i l l ，s t a = c u sd i s t - m g u i s h ，d a 协m a n a g e m e m a n d s o u n da l a n n f r o m i n s t a l l a t i o no n s p o t t i nn o w ，t h es y s t e mm n s s t a b i l i t y t h u s 吐1 es u p e r v i s el e v e l sa i l dp m d u c tq u a l 埘a r ei 唧r o v e d ，a n d d r o v i d e ss c i e m i f i c a lg i s tf o r r e 邪o n a b i ea 由u s 缸n e mm 1 1 i 1 1 9p a r 锄e t e r s k e yw 0 剐d s c o n t i i l u o u sr o l l i n g ，s e a m l e s st u b e ，o n - l i l l es u p e r v i s e ，d a 纽 c o l l e c t i o na i l da n a l y s i s i 中南大学工程硕士论文 第一章 概述 第一章概述 1 1 无缝钢管连轧机运行现状 为了获取高质量和高效益的轧制加工产品，轧机也不断向现代化、大型化发展。早在 1 8 4 3 年就发明了在两机架组成的连轧机上轧制无心管坯，最早的连轧机组发明于1 8 8 2 年 在法国洛林一- 艾斯考公司的诺尔( n a r d ) 厂，至今已有百余年历史。由于受电气传动技术及 张力减径技术的限制，直到2 0 世纪初叶长芯棒连轧管机并没有多大的发展。1 9 4 9 1 9 5 0 年两套设有张力减径机的单体传动的连轧管机组在美国l 0 r a i n 厂和g a r y 厂投产后，该机 组才获得进一步发展。此后的4 0 年娶约有2 5 台连轧管机组投入运行。在八十年代投入运 行的连轧管机组就有1 2 套之多德国m d h 公司在总结米尔海姆l 撑、2 拌连轧管机组( r k l ， r k 2 ) 设计、生产经验的基础上，向中国宝山钢铁总厂提供了成套的属于全浮棒连轧工艺 的连轧管机组。该厂子1 9 8 5 年建成投产；意大利因西公司设计制造的第一套限动芯棒连 轧管机于1 9 7 8 年在b e 唱锄。投产，此后又有十余套的m p m 机组投入运行。意大利 i t a l i m p i a i l t i 公司向天津无缝钢管公司提供成套的m p m 机组；德国m d h 公司向衡阳钢管 有限公司提供半浮芯棒连轧管机的主要设备，该机组于1 9 9 5 年底投产。至此连轧管机组 历经了第一代( f a s s e l 机) ，第二代( f o f a n ) 及第三代( 以r k 2 为代表的连轧管机) 而发展到现 在自动、半浮连轧工艺并存的第四代，连轧技术发展的四个阶段如表1 1 所示 我国冶金工业8 0 年代引进了五套德国西门子公司生产的钢管半浮连轧机系统，这是 8 0 年代的新技术。由于它的监控系统性能不全，至今，这五套系统在生产过程中，分别 发生了设备事故、出现了产品质量问题。轧制的钢管质量存在的主要缺陷是： ( 1 ) 双缝( 痕) ：裂纹成对或单个地以对角形式轧进管壁。 ( 2 ) 折叠：张减后钢管出现的在钢管内壁的凹缝。此缝可以贯穿整个长度；有时只在张 力较大的表面出现裂纹 ( 3 ) 小孔( 拉裂) ：沿管壁各种成菱形的横向裂纹 ( 4 ) 横向扎屑：沿钢管表面以有规律的间隔突出；经常成线；经常出现相同的缺陷 ( 5 ) 纵向轧屑：沿钢管长度方向，连接、无扭，成线出现；每根钢管只有一条线 ( 6 ) 疤痕和折叠：在钢管内部不对称的片状缺陷 中南大学工程硕士论文第一章 概述 ( 7 ) 卷边：在钢管内表壁厚增加，沿钢管轴向单个或成对出现 表l i 连轧管技术发展的四个阶段 发展阶段年代主要特征代表轧机 1 9 1 1 年俄国产的4 6 1 0 8 交流马达组传动连轧管机 第一代连轧管机 1 9 0 4 年 全浮动长芯棒轧制1 9 3 9年美国 组( f s e l ) 1 9 3 9 年 热轧管仅用作冷拔坯料p i t t s b u r g h s t e e l 品种规格少、质量差、生产率低p r o d u c t sc o 两套4 0 6 5 连轧管机 1 9 4 0 年 采用长芯棒连轧美国地球钢管公司的2 6 架 1 9 4 8 年 3 、4 同上单独传动连轧管机 第_ 二代连轧管机 全浮长芯棒连轧 组( f o m ) 1 9 4 9 年 直流电机单独传动 配有张力减径机，扩大品种规格的范 1 l o 曙i n 厂的连轧管机 一1 9 6 0 年 2 g a r y 厂的连轧管机 围 设计月产量达3 0 0 2 0 0 0 0 吨 全浮长芯棒连轧 1 9 6 1 年 直流电机单独传动 1 9 7 0 年 配有多机架，单独传动的张力减径机， 以德国米尔海姆的r k l 机 第二代连轧管机 品种规格增至4 0 5 0 0 种 组为代表 月产量达扣5 万吨 组( r k 2 ) l 4 项同上 1 9 7 0 年 过轧及张减理论研究卓有成效 以德国米尔海姆的r k 2 机 一1 9 7 8 年 采用“竹节控制”和“c e c 控制” 组为代表 采用电子计算机 工艺上，限动芯棒连轧工艺趋于成熟 第四代连轧管机 1 9 7 8 年以 采用连铸坯 l 日本住友，八幡厂 组( m p m m r k s 后 采用锥形穿孔机2 中国天津钢管公司 亡艺)毛管长度增加，外径范围扩大3 衡阳钢管厂连轧机组 年产量可达6 肛1 0 0 万吨 ( 8 ) 内表结疤：在钢管内表面成条状，不规则的划痕，没有裂纹。 ( 9 ) 壁厚减小：在钢管内表面，壁厚局部或频繁地不均匀减少，导致壁厚小于要求的最 薄壁厚，壁厚快要穿破。 轧机传动系统发生的故障如下； 轧辊断裂轧辊表面反复受加热和冷却作用，常常产生沿圆周方向的热裂纹，另外， 轧钢时的冲击弯曲应力造成疲劳龟裂，逐渐扩展，最后由冲击造成脆性破断，破断的位置 多在轴颈处或辊身孔型圆角处； 2 中南大学工程硕士论文第一章概述 万向接轴断裂万向接轴是主传动系统中由齿轮座把扭矩传到轧辊的主要传动件，它 承受从轧辊反作用的冲击性扭矩( 轧制力矩) 和强烈扭振，长期扭振疲劳往往引起万向接 轴在虎口( 叉股) 处或在扁头发生断裂； 梅花套破裂由于冲击扭矩和扭振作用在梅花套和轴上，梅花套断裂也是常发生的故 障之一； 齿轮座故障齿轮座部件和零件中常发生故障的有人字齿轮的点蚀、剥落、齿轮轴断 裂、轴承破裂等，轴承故障包括滑动轴承轴瓦破碎和滚动轴承的各种故障； 减速机故障轧钢机主传动系统的减速机的大齿轮轴、小齿轮轴和滚动轴承的故障与 前述齿轮座故障相似，例如首先在齿根处发生初始裂纹，再发生同样的脆性破坏。齿轮故 障有磨损、胶合、点蚀、剥落、塑性变形和轮齿折断等。减速机滚动轴承也经常发生故障： 压下螺栓故障在轧制过程中，由于经常调整压下装置中压下螺栓的螺母，结果常发 生螺母过度磨损、螺栓压弯等事故；一 - 。 机架开裂机架经常受冲击轧制力的作用，目前由于铸造和加工过程中形成的内部缺 陷、安装过程中产生的损伤、熟处理不当引起的内应力和机架设计过程中的失误造成的机 架内部的局部应力集中等多种原因，使机架在工作中出现初始裂缝，裂缝在这个裂缝源的 基础上，在恶劣的载荷条件下很快扩大发展，形成严重机架开裂的故障： 由上面众多设备故障和质量缺陷可见，对轧机进行力能参数在线监测，实时掌握轧机 性能，对保证产品质量和安全生产有十分重要的意义。 1 2 轧机在线监测系统的研究现状 轧制力是轧机最主要的技术参数之一，获取轧制力信息除作为轧机生产过程的状态 识别、效能判定、产品开发及技术管理等环节的科学依据外，对保证安全生产、防止设备 重大事故、优化轧制规程、实现生产过程自动化和最优控制、提高设备的技术装备水平等 都具有重要意义，因此轧制力成为轧机工况在线监测系统最主要的参数之一。 由于现有理论的局限性，轧制过程中许多参量的确定往往由于缺乏可靠的理论解析 方法而带有明显的不确定性迄今为止，国内外确定轧制力最可靠的方法仍是依靠直接测 量。 中南大学工程硕士论文 第一章概述 近几年，一些科研单位对中( 厚) 板轧机进行了多次现场综合测试，包括工艺参数、力 能参数、电参数和振动参数等。测试的数据对生产起到了一定的指导作用。但是，现场综 合测试仅仅对当时所采集的数据进行分析研究，随着生产产量和产品品种的不断增加，这 种测试所提供的数据远远不能满足现场的要求。为此，近年北京科技大学开始研究轧机工 况在线监测系统，特别是工控机技术的迅速发展，使得轧机工况在线监测系统在现场长期 使用成为可能。该系统于2 0 0 0 年9 月1 6 日通过教育部专家鉴定，其成果达到国际先进水 平。 ， ， 中( 厚) 板轧机轧制力参数属于典型的非电物理量，其近代测量方法广泛采用非电量 电测法，其中机一电转换环节就是基于不同物理效应工作的各种测力传感器。它们都属于 _ 2 0 世纪5 0 年代以后开始发展起来的高新技术范畴。就轧制力参数的测量而言，轧制力传 感器的传统类型主要有电阻应变式、电感式、电容式和压磁式等几种。 目前，国内外广泛采用的轧制力传感器主要是电阻应变式和压磁式两大类。1 0 兆牛级 以上的轧制力传感器主要用于中( 厚) 板轧机、大型连轧机等。中( 厚) 板轧机应用的支承式 传感器体大沉重，需要高性能的优质合金材料，制造工艺复杂，技术难度较大，价格昂贵。当 前这种支承式传感器只有少数国家有专业厂家和系列产品，其中在国际上以k e l k 公司和 a b b 公司为代表的分别生产应变支承式传感器和压磁支承式传感器。我国自1 9 5 8 年起已 着手研制1 0 兆牛以上的支承式传感器，但多属单件研制且寿命较短。迄今为止，国内尚无 专业厂家和系列产品。老的中( 厚) 板轧机大部分尚无轧制力在线监测系统，而现代化中( 厚) 板轧机所用的支承式传感器主要是进口产品。 上述情况促使国内外围绕支承式传感器的轻型化问题进行有益探索。6 0 年代以来出 现了分流测量的构想，7 0 年代，苏、美、加、德等国研制了称为应变杆或引伸计的附着式 传感器。与此同时，我国也开展了相应的研究工作，1 9 6 4 年在轧机上进行了附着式传感器 的模型试验。1 9 8 0 年在四辊中( 厚) 板轧机上完成了附着式传感器的工业试验并开展了相 关理论和应用技术的系统研究。随着计算机技术和仪表智能化芯片的发展，2 0 0 0 年首次在 某中板轧机上应用附着式传感器，实现了轧制力在线智能监测和a p c 控制。 国内外学者在轧机在线监测系统方面的研究与探索，为某钢管厂连轧管机组建立一 套力能参数在线监测系统提供了理论依据。 4 中南大学工程硕士论文 第一章 概述 1 3 课题研究的意义 连轧无缝钢管的质量问题涉及到连轧无缝钢管机组整个生产过程中各个工艺环节的 控制和调整，其中连轧管机组本身的工艺控制就是影响其质量的重要因素之一。在生产过 程中，连轧无缝钢管存在双缝痕、折叠、卷边和壁厚减小等缺陷，这些缺陷与轧制力能参 数的实际变化情况密切相关。因此通过轧制力能参数在线监测系统进行实时监控，可以对 轧机不同工艺条件下所承受的负荷进行分析，查出产生缺陷的原因并及时改进；实行轧制 力能参数在线监测后，可结合设备的实际情况，开发出新品种，为获取高质量和高效益的 加工产品，提高企业的竞争力。另外，轧制力是轧制过程中的一个最重要、涉及最为频繁 的参数，它反映了整个机械系统运行的重要信息，在生产过程中，常因轧制力过大，造成 设备故障，甚至损坏。因此，对轧机轧制力能参数在线监测，可实现超限报警，防止发生 设备故障或事故，减少企业的经济损失；同时可通过数据分析，为轧机设计提供依据。 1 4 论文的选题及研究内容 1 4 1 论文的选题 。 某钢管集团公司使用的8 9 连轧管机组是国外引进设备，它的运行原理和结构设计先 进合理。但是，在设备状态监测与故障诊断方面还未达到国外9 0 年代水平，对常见的运 动参数( 如轧制速度和振动) 、结构强度参数( 如应交) 、环境参数( 如轧制温度) 均没有 设置监测系统，更没有故障诊断资料库( 故障历史档案、故障判断准则、故障处理方法等) ， 设备的运行状态仅凭工人经验判定，难以及时准确地预见机器当前的工作状态和将来的运 行趋势，导致设备非正常或事故停车，造成经济损失。因此该集团公司与中南大学合作， 针对半浮芯棒连轧无缝钢管机组研制了轧制力能参数在线监测系统，对轧机运行状况实施 在线监测。 1 4 2 论文的研究内容 本论文将对建立连轧无缝钢管在线监测系统做以下研究： 1 文献综述。分析国内外轧机在线监测系统的研究现状和技术路线，提出本文的研究 目的。 5 中南大学工程硕士论文 第一章 概述 2 研究在线监测系统的传感器、数据转换与采集、计算机接口等几个主要组成部分， 为在线监测系统的建立提供理论依据。 3 对在线监测系统的硬件设备进行设计与选择。着重对压力传感器进行设计，从结构 特点、密封与防护、温度补偿等方面入手，设计出适应现场生产的压力传感器。并选定合 适的数据采集卡和工业计算机。 4 对在线监测系统的软件进行设计，对开发平台、系统的实时性和数据的管理等方面 进行分析，使软件的设计与硬件的设计真实有效。 5 对在线监测系统的实时监控曲线进行采样分析，验证该系统的可行性和有效性。 6 中南大学工程硕士论文第二章 在线监测系统研究的理论基础 第二章在线监测系统研究的理论基础 在工业生产现场，力能参数的产生往往是动态的。为了掌握机械设备的运行状况，需 要及时跟踪这些参数，以此为根据对设备采取相应的控制策略。在线监测应用范围很广泛， 已经渗透到了工业、农业、交通运输、航空航天、国防能源、化工等各个领域。 通常在线监测系统由以下几部分组成： ，( 1 ) 传感器传感器直接获取被测物体的运动参数，并把它转换成便于传送的物理 量，出于传输方便考虑，一般都是转换为电参量，传感器是进行在线监测的基础； ( 2 ) 信号处理单元信号处理单元对传感器采集的信号进行放大、整形、a d 转换等， 信号处理单元是在线监测的桥梁； ( 3 ) 计算机计算机对各种参数进行运算、处理，并完成最后结果的显示和打印功能。 计算机是在线监测的核心。 2 1 电阻应变式传感器的基本原理 根据本课题的研究内容和目标，采用电阻应变式传感器。电阻应变式传感器的工作原 理是基于电阻应变效应的。电阻应变计安装在被测构件表面上，当构件受力时而产生变形， 电阻应变计的敏感栅随之产生相同应变，其电阻值发生变化，用仪器测量此电阻变化即可 测量出构件表面沿敏感栅轴线方向的应变。 2 1 1电阻应变式传感器的电桥原理 传感元件把各种被测非电量转换为r 、l 、c 的变化后，进一步转换为电流或电压的变 化，进行处理、记录和显示。电桥测量电路进行这种转换的最常用的方法是采用直流电桥 放大，如图2 1 所示。 图2 1 电桥示意图 7 中南大学工程硕士论文第二章在线监测系统研究的理论基础 图2 1 中岛、r z 、r 3 、凡* 桥臂电阻直流电桥的特性方程是利用电桥对角端负荷电 流i 与各桥臂参数和电源电压的关系式建立的。图2 1 中a b 两端的开路电压和内阻分别 为： 础杀蒜 q 山 ( 玛+ r ) ( r 1 + 恐) 。 r = ! 蔓鱼暑宰车墓i i 曩铲 伫之， ( r l + 皿2 ) ( 恐+ r 4 ) 、 利用等效电源定理，可得： j ，：u 一 坠二垦墨2 g 3 ) 。 丑，( r 1 + r 2 ) ( r 3 + r 4 ) + r l 五2 ( r 3 + 墨) + r 3 r 4 ( r 1 + r 2 ) 电桥平衡时i ，= o ，有： r l r 4 一r 2 r 3 = o 或丑l r 2 = 五3 凡( 2 - 4 ) 电阻应变计工作时，其电阻变化很微小，引起的不平衡电压极小，不能用它来直接推 动指示仪表须加以放大。重要的是电桥输出电压，一般放大器的输入阻抗较电桥的内阻要 高得多，可认为电桥输出端处于开路状态。 2 1 2 温度补偿原理 2 1 2 1 产生温度误差的原因 ( 1 ) 敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。电阻与温度的关系可由下式表示： 置= 凡( 1 + c 匕f ) = r o + r o c r ( 2 - 5 ) e 。= r f r o = r o c 吐f ( 2 6 ) 式中，r 。为温度t 时的电阻值，r 。为温度t o 时的电阻值，t 为温度的变化值，艮 为温度变化t 时的电阻变化，d 为应变丝的电阻温度系数即表示温度改变l 时电阻的 相对变化。 ( 2 ) 试件材料与应变材料的线膨胀系数不一样，使应变丝产生附加变形而造成电阻变 化，由于应变丝与构件是粘接在一起的，应变丝被迫变形而产生电阻变化，当然，它除了 和温度变化有关外还与应变计本身的一些性能参数及被测构件的线膨胀系数有关。 电阻应变计由于温变引起的电阻变化，与试件应变造成的电阻变化几乎具有相同的数 量级，故必须采取适当的措施加以解决。 3 中南大学工程硕士论文第二章 在线监测系统研究的理论基础 2 1 2 2 温度补偿方法 温度补偿方法有电桥补偿方法、辅助测温元件微型计算机补偿法及应变计自补偿法 而电桥补偿法是一种最常用，效果也较好的补偿法。在被测试件上安装工作应变计，在 另外一个与被测试件材料相同，但不受力的补偿件上安装一补偿应变计，与被测试件处于 完全相同的温度场内。测量时，使两者接入电桥的相邻臂上，由于补偿片与工作片完全相 同，且都贴在同样材料的试件上并处于同样温度下，由此，温度变化使工作片产生的电阻 变化与补偿片的电阻变化相等，电桥输出与温度无关，从而补偿了应变计的温度误差。有 时也可不专门设补偿件，而将补偿片贴在被测试件上，使其既能起到温度补偿作用，又能 提高灵敏度。 2 2 计算机辅助测试系统 计算机辅助测试是在线监测的核心。随着计算机技术的发展，它在测量领域的应用 也在不断扩大，它是在线测量的一大飞跃并具有许多传统测量方法不能比拟的优越性。 所谓计算机辅助测试( c o p u t e ra i d e dt e s t 简称c a t ”。) ，就是在计算机的辅助下完 成对连续模拟信号的采集、处理和显示的过程。由于计算机可快速对所测的数据进行分析 和综合处理( 甚至是实时处理) ，因此，采用计算机技术的测试系统就极大地提高了测试效 率。它在测试系统中对传感器特性能自动作非线性校正或温度校正，可以最大限度地发挥 测试设备的潜力，在保证测试结果仍具有较高精度情况下降低对设备的要求，促进了测试 仪器和测试系统向实时性和智能化发展的进程，因此，计算机辅助测试技术是在线监测能 否顺利实施的关键。 计算机辅助测试系统模型如图2 2 所示h o 。 图2 _ 2c a t 结构模型 9 中南大学1 = 稃硕士论文第二章在线监测系统研究的理论基础 计算机在这个测试系统中处于核心地位，它的主要作用包括。： ( 1 ) 控制测试过程： ( 2 ) 产生可编程激励信号。加在被测件上： ( 3 ) 采集响应信号，并进行预处理、变换、储存； ( 4 ) 数据处理，对响应信号进行各种数学逻辑运算，做出判决和估值； ( 5 ) 以各种方式输出测试结果； ( 6 ) 监控报警，对测试对象和测试系统本身进行监控，必要时做出报警； ( 7 ) 测试管理，建立测试档案。 计算机辅助测试有三个基本任务：输入矢量x ，输出矢量的响应y 和测试结果z 的获 得。首先，根据测试算法编制出测试软件，经计算机运行后产生测试矢量，该矢量作为 被测系统的输入矢量x 加到其原始输入端，经过被测系统响应后输出其响应y ，计算机接 受响应y 后，即进行计算和比较判断，从而得到一个测试结果z ，然后在显示器上显示或 通过打印机打印。 2 3 数据转换与采集技术 在科学实验研究和生产过程的自动化控制领域，采用各种智能仪表和以传感器一微机 为核心的实时、在线的测量、处理与控制系统是2 0 世纪8 0 年代以来的一个重要时代特征。 然而，自然界中的许多现象与信息绝大多数都是连续变化的模拟量。而计算机只能识别和 处理离散型的数字量，所以，必须建立模拟量转换为数字量的变换装置( a d ) 才能充分 发挥计算机具有的一系列优异性能。当然，人们在各种情况下采集的数据类型千差万别， 数据采集系统也是多种多样，其基本的数据采集系统如图2 3 所示。由于微克子技术和计 算机的迅猛发展，以传感器一微机为核心部件组成的数据采集系统应用领域正在不断扩 大。 在对采集的数据进行处理作出判决分析之前，须进行各种变换和预处理，包括数据的 分路和编辑、数据格式的变换、调制和解调、冗余码的编码和译码、a d 和d a 转换、各 种滤波等，其目的是便于数据的收发和传输，提高数据的可靠性和准确性。所采集的信号 中包括三种信号：对数据处理有用的信号、无用信号和噪声。 1 0 中南大学工程硕士论文第二章 在线监测系统研究的理论基础 模拟信号或计算机存储器里存储的数字信号进入数字系统后，须进行数字处理才能得 到所希望的结果。数字处理与模拟处理相比，有稳定、重复性好等优点，另外由于容易实 现各种算法，数字处理方法能实现模拟处理所不能实现的数字处理功能。传感器信号的处 理主要是进行信号的转换、去除噪声、信号的判断、检出、信号成分的分析、信号合成和 再现等。特别是在电磁场影响厉害、噪声成分多或传感器自身特性不好使检出结果不稳定 的场合，运用数字信号处理技术更为必要。 理 圈2 3 基本数据采集系统框图 2 3 1 数据采集 2 3 1 1 采样定理 采样是将随时间连续变化的模拟信号按一定的时间间隔抽取其瞬时值，从而把一个连 续时间函数信号变成每隔一定时间间隔才有函数值的离散信号样本集。典型的数据采集 采样系统如图2 - 4 所示。系统包括4 个主要过程：采样一量化一数字处理一恢复。采样 的重要问题之一是利用有限的样本值能否无失真地恢复原始信号；应该如何选取采样频 率? 这就涉及到采样定理的问题。 图2 4 典型数据采集采样系统 模拟 i 中南大学工程硕士论文 第二章在线监测系统研究的理论基础 采样定理是c e s h a n n o n 在1 9 4 8 年根据信号的频谱结构，为准确地恢复原信号，揭 示信号的最高频率与采样速率之间的关系，即原信号与采样点之间所遵循的规律建立起来 的 采样定理具体表述为：一个具有有限能量的带限信号f ( t ) ，其最高频率分量为f - ， 则该信号在时域内完全可由一系列时间间隔_ r 的等于或小于f i 2 的采样点所确定，即蜘： 加，= 莹c 奶专筹署 ， 式中f 以常称为奎斯特频率。 关于采样定理可以从物理概念上作如下的解释：由于一个频带受限制的信号波形不可 能在很短时间内产生独立的实质性变化，它的最大变化速度受最高频率分量w 的限制， 因此，为了保留这一频率分量的全部信息，要求在一个周期的间隔内至少采样两次。 输入信号经过采样以后尚需将其变换为数字形式，量化就是将连续模拟信号变换为一 组离散值的过程。 2 3 1 2 数据采集的主要功能电路 2 3 1 2 1 测量放大器 待测参数变化经传感器转换为电信号的变化后，还要经过信号调节，能满足二次仪表 指示、记录、存储、传输或转换等要求。因此，信号调节器是传感器和后续模拟电路的接 口。它的功能是将传感器输出原妒的受到多种噪声源干扰的低电平信号加以放大、处理、 抑制噪声且统一格式，使之成为迳合二次仪表等后续装置要求的高电平电流( 4 2 0 m a ) 或 电压( 0 1 0 v ) 信号。 测量放大器是信号采集与调节系统输入端的第一个电路，其主要功能是高精度放大、 测量信号和抑制共模干扰，提高信噪比和信号质量，它的主要性能指标为： 。( 1 ) 高输入阻抗( 1 0 1 2 1 0 1 4 q ) ； ( 2 ) 低偏流( 舭“d n 州h 一一蓄 申- 识c 。n t r 0 1s y i t ”i 扣识d “- c - ，“- ；l p 争识d i t 曲t o 1 b ；l 寥 护积d t “dt 0 1 b ，j 落 争娘h n ”d e t - 口管 蠡加积f l m c i dd h l 蠡 錾 牟f 职f l n m l 1t m 秘 融积f i 1t o o l 秘 审_ 识p u z yk g i ct o 翼 錾 毋“r 明t 。l b “鍪 l * 萌i _ m c m - 纛 扣积h i t m “c n 爹 皇 睁识埘ic 恤t mt o p 审_ 娘m 啪c p 1 1 e 潮镕镕w 镕镕 喇攀r翻。”# 静a 穆；一。j 。一。一。一一“m o 图4 一1 1姒t l a b 界面 图4 1 2功率谱 中南大学工程硕士论文 第四章在线监测系统的软件设计 图4 一1 2 的上图为时域信号，下图为功率谱图。需强调的是，分析完数据后，m a t l a b 需要关闭。 5 ) 鼠标左键单击退出，将关闭系统。 以上操作为系统的全部功能，监测完成后，单击系统菜单中的退出，将退出此软件。 退出此软件后，系统回到n t 系统，单击开始菜单，在弹出的菜单项中单击关闭系统， 关闭计算机。整个操作完成。 5 本章小结 本章详细叙述了连轧机轧制力能参数在线监测系统的软件设计过程，提出了采用 l a b v i e w 编程开发软件进行总体设计，采用多线程技术解决监测系统的实时性，为在线监 测系统软件设计提供依据；采用数据库技术有效管理原始数据和历史数据，为数据分析和 故障分析提供前提条件。最后系统地阐述了在线监测系统功能设计与应用情况，说明该系 统的硬件和软件设计真实有效，达到了预期目标。 4 l ! 壹盔堂三堡堡主堡塞笙至兰 垄堡鉴型墨竺塞堕堕丝坌堑 第五章在线监测系统实时监控分析 从实时监控轧制过程中轧制力能参数的变化规律，可以及时发现轧制过程中出现的异 常现象，及时分析实际原因并对轧制工艺进行相应调整。本章将主要对在线监测系统实时 监控曲线进行分析。 5 1 典型在线监测系统实时监控曲线分析 5 1 1 典型在线监测系统实时监控曲线采样 图5 一ll # 测点典型监测记录曲线 图5 一l 的上图为时域曲线，可以看出在记录时段内轧了5 根钢管，轧制压力约为6 0 吨。下图为该信号的功率谱特性曲线，可以看出最左边的峰值很大，它反映的是轧制频率， 该频率很低( 小于l 赫兹) 。最右边的峰值也较大，它反映的是信号中包含的毛刺，即噪 音部分，频率为8 0 0 赫兹。 中南大学工程硕士论文第五章在线监测系统实时监控分析 o1o o2 0 03o o4 0 05 0 06 d o7o oa o o _ 1o 图5 22 # 测点典型监测记录曲线 图5 2 的上图为时域曲线，可以看出在记录时段内轧了5 根钢管，轧制压力约为5 5 吨。下图为该信号的功率谱特性曲线，可以看出左边的峰值很大，它反映的是轧制频率， 该频率很低( 小于1 赫兹) 。右边的峰值与图5 一l 相比小了很多，这是因为信号中包含的 毛刺较少。 中南大学工程硕士论文 第五章在线监测系统实时监控分析 01 a d初 3 。0彻5 口d鲫7 0 08 。0 x 1 酽 f l ! l 瓞0 饥 o1 加3 。0 4 0 ds 。06 。07 d 08 口0 图5 33 # 测点典型监测记录曲线 在图5 3 中，上图为时域曲线，可以看出在记录时段内轧了5 根钢管，轧制压力约为 l o o 吨。下图为功率谱特性曲线，可以看出左边的峰值很大，它反映的是轧制频率，该频 率很低( 小于1 赫兹) 。右边的峰值也较大，它反映的是信号中包含的毛刺和信号的陡峭 程度，频率为8 0 0 赫兹。 中南大学工程硕士论文第五章在线监测系统实时监控分析 i 一 卜j 气。i r i ： f i | i l i ：? 0 - 刊jlj r t 叫 1 _ r ，竹 0仰肋3 。04 0 d5 。0鲫7 0 d锄 x 1 6 i j i 1 ，礼、，a 山。j 砖敏 01 a 02 d 03 0 d4 0 05 d 0e 0 07 d 08 d 0 图5 44 # 测点典型监测记录曲线 在图5 4 中，上图为时域曲线，可以看出在记录时段内轧了5 根钢管，轧制压力约为 1 0 0 吨。下图为功率谱特性曲线，可以看出左边的峰值很大，它反映的是轧制频率，该频 率很低( 小于1 赫兹) 。右边的峰值也较大，它反映的是信号中包含的毛刺和信号的陡峭 程度，频率为8 0 0 赫兹。 ! 堕奎堂堡堡主丝奎笙至兰垄垡堕型墨竺壅堕些丝坌堑 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 o - 一 i - - 一- 。 i ；一一一；：，：一j 一一i 一j 一1 8 一一一一一一j - 一一一一- 一一- - 一一i 一- 。j 一 i iii i l r _ 。l 。卜一? 。水 。 ： ： 配i 一i i i i ? ? i 。i 船 o1 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 图5 55 # 测点典型监测记录曲线 在图5 5 中，上图为时域曲线，轧制压力约为5 0 吨。 b u _ - - - - - - _ - - - - _ - - - 1 - 一 -il- 。l “ !；，_ ； h ， 、j i i i - “ip 、 i l 4 0 ；二；1 - 一1 ；一；4 一冬一；- r ；一一 l l! l lll ； | ； ； 2 0 l 二一卜，一 一 - ； l 一一 斗+ 一- ii ；! ； l ；li _ o l ；。- ：二：= ：王二：之= = = = = 二量。= 。l ! = ：；二土二；一 图5 66 # 测点典型监测记录曲线 中南大学工程硕士论文 第五章在线监测系统实时监控分析 0仰动3 0 d和5 。de 。d7 。d锄 o1 a d 劲3 0 04 0 05 。de 0 d7 0 08 口0 图5 77 # 测点典型监测记录曲线 在图5 6 中，上图为6 l 测点时域曲线，可以看出在记录时段内轧了5 根钢管，轧制 压力约为5 0 吨。下图为该信号的功率谱特性曲线，变化规律与前面各图相似 在图5 7 中，上图为7 # 测点时域曲线，可以看出在记录时段内轧了5 根钢管，轧制 压力约为6 0 吨。下图为该信号的功率谱特性曲线，变化规律与前面各图相似。 中南大学工程硕士论文 第五章在线监测系统实时监控分析 图5 88 # 测点典型监测记录曲线 在图5 8 中，上图为8 # 测点时域曲线，可以看出在记录时段内轧了5 根钢管，轧制 压力约为6 0 吨。 。5f 焉矿茹f 志广1 荔i 捃矗r 志广o i： ： ： - l： ： l - 一 - 一 。 。一 i： ： ? ? ? ? ? ? ? 一式 ! ! ! ! ：。；! 一! 。一。：一一，i 。一一j 一。j 一一。! 出墨! ! 图5 99 测点典型监测记录曲线 o o 0 o o 0 0 o 0 o o 剧 劓 2 c ：l 啪 枷 o o o o o 狮 伽 中南大学工程硕士论文第五章在线监测系统实时监控分析 01 0 02 。03 。o4 0 05 0 06 0 d 7 0 0 8 0 0 01 0 0猫3 。0 4 0 05 。0 6 。d 7 0 08 口0 图5 一1 01 0 # 测点典型监