（机械制造及其自动化专业论文）手持式结晶器振动检测系统研制.pdf

浙江大学硕上学位论文 全文摘要 本文以连铸机结晶器振动检测技术为研究背景，在充分调研了国内外对结晶 器振动的监测与故障诊断系统之后，分析了现有检测手段的不足，有针对性地提 出手持式结晶器振动检测系统的需求，研制了一套以加速度振动传感器作为应用 前端，以m s p 4 3 0 、a r m 7 的“双c p u ”结构作为硬件平台，以u c o s 嵌入 式操作系统进行上层任务调度的手持式结晶器振动检测系统。该系统具有低成 本、低功耗、简单易用的特点。可以实现结晶器振动参数的检测，实现结晶器振 动形式的检测，协助现场工程师得到钢坯的生产参考。 本系统对整个现场监测的任务进行合理的划分，包括上位机、下位机和传感 器。其中，上位机包括移植了u c o s 一操作系统的s 3 c 4 4 b o x ( a r m 7 ) 主模块、 s d r a m 存储模块、f l a s h 存储模块、液晶显示模块、u s b 通讯模块等，承担实 时数据的处理、采集信号的实时动态显示以及历史数据的上传等；下位机包括电 源管理模块、信号滤波处理模块、运放调理电路模块、m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器模 块、串口通讯模块，承担信号的采集、预处理以及上传实时数据等；传感器采用 内装i c 压电加速度传感器，灵敏度高，安装方便，稳定可靠，便于实现巡检。 论文简要介绍了嵌入式系统的相关概念，并根据结晶器振动检测系统的需求 进行了软硬件平台的设计；简要介绍了系统硬件平台的调试开发环境。 论文重点阐述了系统硬件平台的电路设计和调试、上下位机通讯的软件设 计、上位机的启动设计以及系统与p c 机的u s b 通讯设计。 最后论文对整个研究工作进行了总结和展望。利用手持式结晶器振动检测系 统，可以替代现场利用游标卡尺、秒表标定结晶器振动参数的手段；协助现场工 程师准确地获得结晶器振动特征值，形成生产参考，及时发现振动的异常，采取 相应的措施。 关键词：结晶器，手持，振动检测，嵌入式系统，上下位机，u s b 通讯 浙江丈学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sd e t e c t i o nt e c h n o l o g yo nc o n t i c a s t e rm o l dv i b r a t i o na ss t u d y b a c k g r o u n d a f t e rf o l l yr e s e a r c ho nd e t e c t i o na n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m so fm o l di n d o m e s t i ca n da b r o a d ，a n ds h o r t a g e so fp r e s e n td e t e c t i o nm e t h o d s ，a g a i n s td e m a n do f h a n d h e l dm o l dv i b r a t i o nd e t e c t i o ns y s t e m ，as e to fs p e c i f i cs y s t e mi sd e v e l o p e d i t c h o o s e sa c c e l e r a t i o nv i b r a t i o ns e n s o ra sf r o n t - e n d ，e m b e d d e dp r o c e s s o r sm s p 4 3 0a n d a r m 7d u a l - c p ua r c h i t e c t u r ea sh a r d w a r ep l a t f o r m ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m u c o s i ia sh i g h l e v e lt a s ks c h e d u l i n gm e t h o d t h i ss y s t e mc a r lr e a l i z em o l d v i b r a t i o np a r a m e t e rd e t e c t i o n ，v i b r a t i o nm o d ed e t e c t i o n , a n dh e l pf i e l de n g i n e e rg e t r e f e r e n c eo f b i l l e ts t e a lp r o d u c t i o n t h es y s t e mm a k e sr e a s o n a b l et a s kd i v i s i o nf o rt h ew h o l ef i e l di n s p e c t i o n , i n c l u d i n gu p p e r - l e v e lp o s i t i o nc o m p u t e r , l o w e r - l e v e lp o s i t i o nc o m p u t e ra n ds e n s o r u p p e r - l e v e lp o s i t i o nc o m p u t e rc o n s i s t ss 3 c 4 4 8 0 x ( a r m 7 ) m a i nm o d u l ew i t h u c o s i ip o r t e d ，s d r a m ，f l a s hs t o r a g em o d u l e ，l c dd i s p l a ym o d u l e ，u s b c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，a n di tt a k e sr e s p o n s i b i l i t yi nr e a l t i m ed a t ap r o c e s s i o n ，s i g n a l r e a l t i m ed i s p l a ya n dh i s t o r yd a t au p l o a d i n g ；l o w e r - l e v e lp o s i t i o nc o m p u t e rc o n s i s t s o fp o w e rm a n a g e m e n tm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，f i l t e rm o d u l e ，o p e r a t i o n a m p l i f i e ra d j u s t i n gc i r c u i tm o d u l e ，m s p 4 3 0 f 1 4 9m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) m o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，a n di tt a k e sr e s p o n s i b i l i t yi nd a t aa c q u i s i t i o n ， p r e p r o c e s s i n ga n dr e a l - t i m ed a t au p l o a d i n g ；p i e z o e l e c t r i ca c c e l e r a t i o ns e n s o rw i t hi c i sc h o s e n ，i th a st h e s ea d v a n t a g e s ：h i 曲s e n s i t i v i t y , e a s yi n s t a l l a t i o n ，h i 【g hr e l i a b i l i t y , a n de a s yr e a l i z a t i o no f p a t r o li n s p e c t i o n t h i sp a p e rs i m p l yi n t r o d u c e sc o n c e p t i o n sr e l a t e dt oe m b e d d e ds y s t e m ，h o wt o c h o o s ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e p l a t f o r m ；a l s od e v e l o p i n g a n d d e b u g g i n ge n v i r o n m e n to f h a r d w a r ep l a t f o r m t h i sp a p e rf o c u s e so ne x p o u n d i n gh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g na n ds y s t e m d e b u g g i n g , d e s i g no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e r - l e v e la n dl o w e r - l e v e lc o m p u t e r , u p p e r - l e v e lp o s i t i o nc o m p u t e rb o o t i n ga n dd e s i g no fu s bc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n p ca n de m b e d d e ds y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e sc o n c l u s i o na n dl o o k sf o r w a r dt ot h ef o t u r eo fw h o l e r e s e a r c h t h eh a n d - h e l dm o l dd e t e c t i o ns y s t e mc a ns u b s t i t u t ef o rs q u a r ec a l i p e ra n d s t o p w a t c hf o rc a l i b r a t i n g v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm o l d ；f i e l de n g i n e e rc a n p r e c i s e l yo b t a i nt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm o l dt of o r mp r o d u c t i o nr e f e r e n c e ， d i s c o v e rv i b r a t i o ne x c e p t i o ni nt i m e a n dt h e ni m p l e m e n tc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e k e y w o r d s ：m o l d ，h a n d - h e l d ，v i b r a t i o nd e t e c t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ， u p p e r l o w e r - l e v e lp o s i t i o nc o m p u t e r ，u s bc o m m u n i c a t i o n 学号坦鱼g 型 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。据我所知，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，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机构的 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。 一躲渤切司右期：炒0 7 年2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘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，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：矽毗洞磊 签字日期沙7 引月f 2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：聋差每诧缓磊( 十研) 币务调电话 通讯地址：硼：，斯棚寡季乐畦i6 一籀柚b 编 护 年多月卜日 f “go 卜；。 弓f o 一， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章以连铸机结晶器振动检测为课题背景，调研了国内外对结晶器振动的监 测与故障诊断现状，分析了现有检测手段的不足，提出了基于结晶器振动检测的 手持式上下位机结构的系统应用设计方案。该方案弥补了对结晶器振动检测手段 的不足，既可以满足实时振动轨迹的显示、分析要求，又可以有效提高性价比。 1 1 引言 近2 0 年来，随着机械工业的迅速发展，现代机械设备正朝着轻型化、大型 化、重载化、高速化、连续化和高度自动化等方向发展，出现了大量由于噪声、 振动、强度、结构、可靠性以及材料与工艺等问题引发的设备损坏事件。当一些 关键设备发生故障或异常时，不仅物质财富遭到破坏，服务被迫中断，甚至连工 作人员的生命也会受到威胁，机械设备的可靠性与安全性已经成为保障经济效益 和社会效益的一个关键因素。因此如何有效地对这些关键设备进行状态监测和预 测性维护，已成为大家共同关心的问题。 1 2 结晶器设备在连铸机上的关键作用 随着连续铸造技术的飞速发展，连续铸造目前已经成为现代化炼钢厂成熟的 生产技术。其中高速连铸技术是国内外冶金界努力的方向。高速连铸是以高拉坯 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。 实现高速连铸的前提条件是有效控制漏钢和铸坯质量【“。 连铸机是机械化程度高、连续性强的生产设备。高速连铸设备有立式连铸机、 立弯式连铸机、弧式连铸机以及椭圆形连铸机。而弧形连铸机是连铸生产中使用 最多的一种机型。图1 1 所示为某炼钢厂于2 0 0 4 年5 月1 8 日投产的直弧形连续 弯矫连铸机的连铸过程示意图。该连铸机是由奥钢联( v a i ) 提供基本设计，中 冶连铸、比利时维苏威公司、武钢设计院和武钢自动化公司联合设计完成。 该弧形连铸机的生产工艺为：钢液从钢包1 通过长水口流入中间包2 ，再进 入结晶器3 ，冷却后凝固成特定截面的铸坯5 ，通过滚轮向外拉出后切削成规定 长度的板坯。 结晶器作为连续铸钢中的铸坯成型设备，是连铸机的心脏设备和关键技术。 结晶器底部由引锭头承托，引锭头与结晶器内壁四周严格密封。注入结晶器的钢 液受到强烈冷却后，迅速形成一定形状和坯壳厚度的铸坯。当结晶器内钢液浇注 到规定高度时，启动拉矫机，结晶器同时振动，拉辊央住引锭杆以一定速度将带 液芯成型的铸坯拉出结晶器，进入二次冷却区。继续喷水冷却，直至完全凝固， 铸坯经矫直后，脱去引锭装鼍，再切割成定尺长度，由输送辊道运走。这一生产 过程是连续进行的1 2 j 。 浙江= 学硕士学位论文 1 钢包2 中间包3 结晶器4 振动装置 5 二次冷却装置6 拉坯矫直机7 铸坯8 切割设备 图1 1 弧形连铸机连铸过程示意图 1 3 结晶器振动技术的发展与研究 连铸结晶器振动是常规连铸的基本特征，在连铸发展的历史上，只有当采用 了振动的结晶器之后，连铸生产的工业化才得以实现。 最初的连铸机结晶器是静止的，在拉坯过程中坯壳极易与结晶器壁发生粘结， 从而导致“拉不动”或“拉漏”事故。因此，静止不振动的结晶器限制了连铸生 产的工业化。直到1 9 3 3 年现代连铸的奠基人德国的西格弗里德容汉斯 ( s i e g f l i e dj u n g h a n s ) 开发了结晶器振动装置，并成功地应用于有色金属黄铜的连 铸。1 9 4 9 年s 容汉斯的合作者美国的艾尔文罗西( i r v i n gr o s s i ) 获得了容汉 斯振动结晶器专利的使用权，并在美国约阿勒德隆钢公司( a l l e g h e n g l u d l u m s t e e lc o r p o r a t i o n ) w a t e r v l i e t 厂的一台方坯连铸试验机上采用了振动结晶 器。与此同时，容汉斯振动结晶器又被用于西德曼内斯曼( m a n n e s m a n n ) 公司胡 金根( h u c k i n g e l l ) 厂的一台连续铸钢试验连铸机【3 1 。 容汉斯振动的结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使其在钢连铸中迅速得 到了广泛应用。从此，结晶器振动便成了连铸机的标准操作。 1 3 1 结晶器振动的机理 在连铸过程中，如果结晶器是固定的，就可能出现坯壳被拉断而造成漏钢。 图1 2 a 表示结晶器内坯壳的正常形成过程 4 】。 浙江人学硕士学位论文 a b c a c b a 一刁8 a )b )c ) 1 一钢液注流；2 - 结晶嚣；3 坯壳 v 拉速v m 结晶器振动速度 图1 2 坯壳拉断和粘结消除过程 如不发生意外，铸坯就被连续拉出结晶器。倘若由于润滑不良，坯壳的a 段与结晶器壁粘连，而且c 处坯壳的抗拉强度又小于a 段的粘结力和摩擦力， 则在拉坯力的作用下，c 处的坯壳被拉断。a 段粘在结晶器壁不动，b 段则继续 向下运动，此时钢液将填充在a 、b 段之间形成新的坯壳，b 段则继续向下运动， 此时钢液将填充在a 、b 段之问形成新的坯壳，如图1 2 b 所示，把a 、b 两段连 接起来。倘若新坯壳的连接强度足以克服a 段的粘结力和摩擦力，a 段随铸坯 被拉下，坯壳断裂处便可愈合，拉坯即可继续进行。但是在新坯壳的生长过程中， b 段仍在不断向下运动，而且新生坯壳的强度又较弱，这就无法使a 、b 两段牢 固地连接起来；当铸坯b 段被拉出结晶器时，便会发生漏钢事故，如图1 2 c 所 刁i o 如图1 2 b 所示，铸坯已与结晶器壁发生粘结时，若结晶器以速度圪向下振 动，且大于拉坯速度矿，此时振动则起到强制脱模作用，可以消除粘结。若 结晶器以速度圪向上振动时，坯壳可能在结晶器壁粘结点处被拉裂，此时钢液 自动充填到断裂处，并开始形成新的坯壳。当结晶器又开始向下振动时，若圪 y ， 因振动作用又可将断裂处压合。若圪= 矿，即结晶器与铸坯同步下降，在此期间 新的坯壳将得以增厚，可以将断裂处连接起来。当结晶器再次向上振动时，新坯 壳己具有足够的强度可将粘结部分拉离结晶器内壁，从而起到脱模和消除粘结的 作用。 在连铸结晶器振动技术的发展过程中，相继出现了同步振动、负滑动振动、 j 下弦振动、非正弦振动等多种振动方式。结晶器的振动波形( 速度曲线) 从矩形 浙江大学硕士学位论文 波、梯形波、正弦波直到近年来出现的非正弦波，波形的每一次演变和发展都对 连铸工艺和铸坯质量产生了重大影响。特别是非正弦振动的出现使拉坯速度有了 大幅度提高，其中最有代表性的是日本钢管公司福山厂5 号板坯连铸机，由于采 用了非正弦振动使板坯的拉坯速度提高到2 5 m m i n ( 米分钟) ，最高达到3 r r d m i n ， 同时显著地提高了铸坯表面质量、减小了粘结性拉漏。因此，结晶器非正弦振动 已被连铸工作者确认为发展高效连铸的关键技术p l 。 1 3 2 结晶器振动参数与生产质量的关系 结晶器按一定的振动模式( 如非正弦波速度模式) 相对铸坯做振动。结晶器 的振动可以减少结晶器铜板和铸坯坯壳之间的摩擦力，有助于脱模。这是通过将 保护渣从弯月面引入坯壳和结晶器铜板之间的间隙来实现的【4 】，如图1 3 所示： i 拉坯 图1 , 3 结晶器振动功能图 保护渣加入到结晶器内钢液的上表面。保护渣熔化后会渗入到结晶器和坯壳 之间的空隙中。这种渗入对连铸过程是很重要的，因为必须保证坯壳和结晶器之 间润滑良好、而且传热均匀。 保护渣的消耗量过低，会使坯壳和结晶器之间发生粘结，产生漏钢。而保护 渣的消耗量又很大程度上取决于振动参数的设置。 结晶器振动有两个重要参数振动幅度和振动频率。结晶器在振动时，从 平衡位置运行到最高( 或最低) 位置或者从最低( 或最高) 位置上升( 或下降) 到平衡位置所移动的距离，即为振动幅度( 简称振幅) ，通常用符号a 表示，单 位为1 t l l n 。从工艺角度讲，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、提高表面质量都很有利。以前， 4 十引1 鞠振纵虾 浙江大学硕十学位论文 结晶器的振幅多为l 啦! 5 m m ，近年来，振幅日趋减小，通常采用3 8 m m ，有的已 减小到2 m m 。而振动频率( 简称振频) 是指结晶器每分钟振动的次数，通常用符 号f 表示，单位为1 m i n ( 次分钟) 。从工艺上看，振频越高，铸坯处于较大的动 状态中，这对防止粘结、脱坯都有利。近年来，振动频率趋于增高。据调研，有 的结晶器振动频率高达4 0 0 , - 5 0 01 m i n ，但在实施中可能会遇到问题。以前的结晶 器振动频率多为3 0 - - 6 01 m i n ，近年来多采用1 0 0 - , 2 0 0l r a i n l 4 j 。 另外，结晶器的振动可能存在偏振( 偏振主要由于连杆偏心轮振动机构4 个 偏心轮轴之间的振幅及相位偏差过大引起的，但在液压振动方式下这种情况不明 显) ，结晶器纵向和横向同时振动使轴心运动轨迹偏离严重，使结晶器出口处坯 壳受到较大应力产生裂纹，也容易产生漏钢事故。所以，保持结晶器偏振最小， 对表面质量的提高和避免漏钢事故的产生都十分重要。 正是由于以上结晶器的振动特点，炼钢厂越来越重视振动的工艺效果【g 9 】： 1 结晶器振动的负滑动时间瓦影响铸坯表面的振痕深度，即两者在一定范围 内成增函数关系。咒越长，振痕越深。增加振频、减小振幅，减少瓦可降低振 痕平均深度。 2 保护渣的消耗量与结晶器振动的f 滑动时间成增函数关系，正滑动时间越 长，保护渣消耗量越大。高频振动时，降低振幅可增加正滑动时问，有利于增加 保护渣的消耗量；低频振动时，增加振幅可增加负滑动量，有利于增加保护渣消 耗量。有文献报道，当结晶器振动频率低于2 0 01 m i n 时，保护渣的消耗量在 0 3 k g m 2 左右，是保证铸钢，坯表面质量，避免在板坯浇铸时出现纵裂的理想 数值。 表1 1 新、i i t 振动参数 表1 1 给出了某炼钢厂1 号板坯连铸机上进行试验时的参数【7 1 。该连铸机为两 流板坯铸机，其中1 号流采用以往的振动参数，2 号流采用新的振动参数以进行对 比。试验中浇铸的钢种为a 低碳铝镇静钢和中碳集装箱用钢，结晶器长度为 9 5 6 m m 9 4 0t o n i ，铸坯厚度为2 1 0 m m 。试验分两步进行，第一步试验中振幅由 3 5m l l 减d , 至l j 2 91 t l r f l ，第二步试验振幅进一步减d - , 至1 2 5m m 。表1 为采用的 新、旧振动参数对比，1 号板坯连铸机振动采用j 下弦振动波形，负滑动时间死由 浙江人学硕上学位论文 式( 1 1 ) 计算得出。 巧= 涨一扣“( 器 式中 1 一一负滑动时间，单位s 7 c 一拉速，单位l i l ，m m _ ，一振频，单位1 m i n a 一振幅，单位n l l n 。 o2 o 0 8 o 1 0 o 1 2o1 4o 1 6o 1 8o 2 u 兀 s 图1 4 振痕深度与负滑动时间对应关系 由图1 4 可以看到，对于钢铸坯，在第一步试验中，振幅由3 5m n l 减少 到2 9i a i n ，频率由1 0 51 m i n 提高到1 2 01 m i n 后，振痕的平均深度由0 3 9 m m 降 低到0 2 9m m 。当进一步将振幅减d , n 2 5 m m ，频率提高到1 4 01 m i n 时，振痕 平均深度没有随着进一步降低，反而较第一步试验的铸坯振痕平均深度增加， 由0 2 9m i l l 上升n o 3 4 5n l n l 。对于a 钢铸坯，在第一步试验中，振幅由3 5m n l 减 少到2 9i t i i l l ，频率由1 2 51 m i n 提高到1 4 0l r a i n 后，振痕的平均深度没有减少， 反而由旧振动参数时的0 3 5 m m 增加到0 3 8 m m 。当第二步试验进一步将振幅减小 到2 5l n l n 时，振痕平均深度增加到0 3 8 9n l n l 。 基于上述几点，为控制铸坯的振痕深度，希望瓦短：而为保证结晶器的润 滑效果，增加保护渣的消耗量，希望正滑动时间长。因此钢厂都提出了针对结晶 器振动的参数控制、结晶器设备的监测、预报等要求，以保证铸坯的表面质量， 避免漏钢事故的发生，使炼出钢的产量和质量最好。 5 4 3 ” 振痕平均深度m 浙江大学硕+ 学位论文 1 3 3 结晶器振动检测技术的发展现状 结晶器作为连铸车间的心脏设备，结晶器的工作状态直接影响到铸坯的表面 质量以及漏钢的发生率。结晶器的振动位移、振动频率和相位差等参数是反映结 晶器振动状态的主要工艺参数。其实际值与理想值的偏差不仅直接影响板坯质量， 也制约着板坯连铸机速度的提高。因此，国外自7 0 年代末开始重视对结晶器振动 状态的监测研究。其技术关键在于传感器类型与检测制度两方面。 1 ) 根据结晶器振动需检测低频位移的特点，一般采用l v d t ( 1 i n e a rv a r i a b l e d i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r ) 型传感器。近来也有报道采用( 三向) 加速度计经二次积 分后得到位移的检测方案。采用l v d t 的优点是直接得到位移信号，频率下限 可接近直流，缺点是价格昂贵，拆装复杂，需将传感器外壳固定在机架上，不利 于现场的巡回检测。采用加速度计的优点是拆装方便，机架上无需固定任何附件， 缺点则是信号经积分后，o 5 h z 以下信号无法保证，相位精度也有所降低。文献 【5 在实验的基础上，对两类传感器的测量效果进行了对比。当振动频率为0 5 h z 时，加速度传感器实测频率相对误差为0 2 3 ，实测振幅经l o 次平均所得到的 标准差为0 5 1m r n ，相对误差为4 7 。当振动频率升高时，加速度传感器的测 量误差随之减小。文献 6 的实验也得出了相似结论。 2 ) 检测制度主要分为离线检测和在线检测。一般的板坯连铸机都配备振动 台离线检测装置，作为安装前调试设备的手段。由于这种检测是根据示波器同步 记录的若干振动曲线，通过人工读取的方法进行识别，因此，离线检测和识别本 身就已存有误差，更难反映设备的实际运行状况。目前国内外大都采用这种离线 检测方法。在线检测系统是8 0 年代以来的产物，例如本特利一内华达( b e n t l y n e v a d a ) 公司开发的3 5 0 0 系列状态检测系统，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 状态检测系统以及哈尔滨工业大学等单位联合研制 的3 m d i 、3 m d i i 、3 m d i i i 系统，杭州谱诚科技等单位研制的v s d 2 0 0 0 连铸 钢包下渣自动监测系统等。这些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。结晶器振动检测采用在线检测的方 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，全面的记录下各种钢产量和质量最佳时结晶器振动状况，为下 次炼钢做出实际指导。并且可判断传动系统磨损、导向系统偏差等设备故障，对 板坯的质量和铸速的提高有重要的意义。但由于结晶器振动频率低、精度高，检 测点振动频率间的相位差甚微，且其工作环境湿度大、温度高、安装位移传感器 等诸多技术难关，结晶器振动的在线监测在国内尚属空白。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 ”系统该系统可在线检 测振幅、振频、铸速、负滑动时间等关键参数，传感器为专用的，其原理不详。 国内r a m o n 公司生产的振动监测系统虽然可用于方坯、板坯结晶器运行状态 7 浙江人学硕上学位论文 在线监测，但它是用液压缸振动源处的振动状态近似作为结晶器的振动状态。这 种理想状况随着各种机械参数的变化( 如设备安装、磨损、水平破坏、液压油油 质变化等等) 出现各种变异，这些变异会在铸坯成型过程中通过铸坯的质量反映 出来。很多的现场质量事故表明，用这样的理想参数来制定振动台的控制策略是 有很大缺陷的。而且该系统庞大，安装也存在一些问题，成本也高。如果利用台 面( 结晶器) 的实际振动状态来制定控制策略将使结晶器以更为精确的振动来进 行生产，这将为提高产品质量、产量和降低拉漏率，降低综合生产成本创造条件。 3 ) 所以在连铸现场通常的做法是人工经验检测法，在调整了振动台振动参 数，同时得到了理想的铸坯之后，现场工程师来测量此时实际结晶器的振动轨迹， 即作为今后的生产参考。主要的手段是利用秒表测量振频，利用游标卡尺等测量 结晶器的振幅。比如生产某钢种的一组工艺参数为：拉速”= 1 3 m m i n ，振频 f = 9 7 6l m i n ，振幅a ：7 6 m m 。如图1 5 所示为工程师对结晶器振动状态进行 现场检测。 图1 5 结晶器的现场检测 人工经验检测虽然成本低，也比较直观，但这种方法测量的值会存在较大误 差，很难反映设备的实际运行状况，对实际生产的指导意义不大。 因此，有必要开发一种便携、直观、可靠、针对性强而且低成本的结晶器振 动检测校准仪器。工程师只要对其进行定时或不定时的检测，而不需作连续地在 线检测。 1 3 4 手持式结晶器振动检测系统研制的必要性 随着现场测试需求的增多，手持式状态监测与故障诊断仪越来越受到现场工 程师们的青睐。国内外这类仪器也有很多，比如：北京振通的机械故障诊断仪 存储测振表9 1 1 c 、北京京航h g - - 2 5 0 x 袖珍式测振测温仪、德国普鲁夫科技开发 与生产的v i b s c a n n e r ( 机器状态监测与诊断仪) 、日本r i o n 公司生产的s a 7 7 手持振动分析仪等。在现场应用中，手持式检测仪器具有以下几方面的优势： 1 1 满足苛刻的现场环境。监测机械设备状态的现场环境往往比较复杂、恶 劣，根本就不适合一些较大的系统长久在那里监测；采用手持式仪器可以实现巡 浙江大学硕上学位论文 检，而且手持式设备可以电池供电，不会受现场环境电源插座的限制。 2 1 便携性、易用性、多功能性。现场测试工程师经常需要带着监测仪器巡 回进行测试、检查，因此，对于他们来说，仪器的便携性及多功能性就非常重要。 手持式设备重量轻，便于携带，能够集在线与离线功能为一体，操作简单，不依 赖于现场测试工程师的技术水平高低。 3 1 低成本的开发，更新快，时间短。例如前面提到的本特利公司研制的在 线监测系统) 口系统的开发周期长达三年半时间。手持式仪器充分利用嵌入 式技术，可以使开发周期降至半年左右，而且容易更新。 当然，与大型在线监测设备相比，不能全面的反应和改善目标设备的运行状 态，但当进行随机巡检时，可以方便获得影响设备性能发挥的一些关键参数，确 保设备安全有效的生产，适用面广。目前市场上出现的这些手持式数据采集系统 可以分为两类： n 基于单c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 的数据采集器，包括单片m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) ，d s p ( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e ) 等，该类设备要么利用片内a d ，要么外扩a d 作为数据采集前端部分， 后端放到p c 机端或是自身c p u 作一些简单的处理，功能比较单一。比如北京 京航的h g - 3 5 系列数字采集故障诊断系统，该数据采集器仅能对现场数据采集， 必须结合w i n d o w s 系统下配套的分析管理软件才能进行常规分析和故障诊断。 单c p u 系统受其硬件资源、算法和速度的限制，主要完成振动信号时域特征的 测量，并且测试精度低，实时性差，数据存储容量小，一般无故障诊断功能，只 能借助于p c 机对采集过来的数据进行处理。 2 1 基于主从式双c p u 的数据采集、分析器，包括单片m c u + d s p ，单片 d s p 或m c u + a r m 或m i p s 等。实际上前者是用d s p 简单的替代了单c p u 结 构的p c 机，或者是用a r m 或m i p s 处理器代替了p c 机，在上面进行较p c 机 简单的一些数据处理或显示。该类系统可以充分利用前端c p u 的数据采集和后 端c p u 的数据处理能力，这种结构现在已经得到了广泛的应用，目前是市场上 最多的一类。基于d s p 与m c u 的主从式双c p u 结构系统，可以充分利用d s p 强大、快速的数据处理能力和通用微控制器m c u 控制能力强的优势，可以完成 对振动信号的数字滤波、时域特征检测、频域特征检测，但是缺乏友好的人机交 互界面，也缺少有效的数据管理与存储功能，对复杂的多任务处理就会显得吃力。 基于d s p 与a r m 或m i p s 等的主从式双c p u 结构系统，虽然可以充分利用在 主处理器( a r m 或m i p s 等) 运行的操作系统管理数据和开发人机界面，但是 在成本、功耗、开发周期方面有所欠缺，而且d s p 的成本相对普通m c u 要高， 本身体积大，开发难度也较大。比如日本理音( r i o n ) 公司的s a 一7 7 手持振动 分析仪，该仪器不仅能采集数据，还具有时域分析、频谱分析、幅值概率密度等 功能，但是也必须与p c 机配套的软件相结合才能进行故障诊断。而基于m c u 9 浙江大学硕十学位论文 与a r m 等的主从式双c p u 结构系统，弥补了上述缺陷，成为此类仪器的首选。 但目前应用于结晶器振动检测的手持分析仪器还比较少见。因此研制一款针 对现场巡回检测的、低成本、低功耗、功能多样而且简单易用的双c p u 结构手持 检测系统就格外有现实意义。 值得注意的是，t e x a si n s t r u m e n t s ( 简称t i ) 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机是一 种超低功耗的混合模拟控制器，体积小，特别适合于低功耗的手持式仪器设计。 它具有1 6 位r i s c 结构，6 0 k b 的f l a s h 存储器，内置一个自带采样保持的a d 转换 内核，具有1 2 b i t s 分辨率，最高采样速度可达2 0 0 k b p s ，配胃有8 路外部通道与4 路内部通道，可以非常方便地与其它外设接口。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的正常工作电压 1 8 v 3 6 v ，具有超低的工作电流，在低功耗待机模式的电流可以低至0 7 u a ，唤 醒时间仅需6 u s ，每个端口的漏电流小于5 0 n a 。这些优点都给低功耗设计带来极 大的方便【“，1 5 ，l “。 s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x 为手持设备提供了高性 价比和高性能的微控制器解决方案。采用a r m 7 t d m i 内核，0 2 5 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和存储编译器，它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成 本和功耗敏感的应用。同样s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种新的总线结构，即 s a m b a i i 2 0 1 ( 三星a r mc p u 嵌入式微处理总线结构) 。最高6 6 m h z 的工作频率 能够使a r m 处理器运行于u c o s i i 、u c l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信 息处理。以嵌入式实时操作系统为依托，可以实现全面的状态显示和故障诊断。 我们结合m s p 4 3 0 单片机超低功耗、事务控制能力强、简单易用的优势和高 性能s 3 c 4 4 b o x 运行精简的嵌入式操作系统的优势，就能够弥补目前手持式仪器 的不足。 当采用该系统检测时，可以替代现场利用游标卡尺、秒表标定结晶器振动特 征的手段；辅助现场工程师准确地获得结晶器振动特征值，形成生产参考，或及 时发现结晶器振动的异常，采取相应措施。改善了对大型监测设备的依赖度，改 善了现场工人目测的不稳定性，有效地降低了成本。 1 4 论文研究的内容、创新点及本论文的结构 1 4 1 论文的研究内容 本论文的研究工作是在某炼钢厂“结晶器设备检测需求以及结晶器振动参数 更正”的背景下进行的，目的是研制一款基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器和a r m 7 系列s 3 c 4 4 b o x 的手持式振动检测系统。该系统能够实现： 1 结晶器的振动参数( 振频，振动幅度及轴心轨迹) 检测。 2 结晶器振动形式的检测。 3 结晶器故障预判，协助形成生产参考。 1 0 浙江大学硕上学位论文 本设计遵循上下位机模块化设计，分为下位机数据采集系统和上位机数据处 理系统两大部分，并提供与p c 机的串口和u s b 接口，上位机引入嵌入式操作 系统，完成多任务的调度，提高系统的安全性与稳定性。因此论文着重在以下几 个方面展开。 1 ) 结晶器振动的特点和检测指标。 2 ) 下位机作为采集卡，完成传感器输出信号的预处理；通过串口与运行 u c o s i i 操作系统的s 3 c 4 4 b o x 上位机进行数据通讯。 3 1 上位机的自主开发尝试，使得到一满足系统功能需求的简易“p d a ”。 4 1 上位机与p c 机的u s b 通讯，实现历史数据的上传。 5 ) 精巧的手持式结构，便携、操作方便、低成本、低功耗。 1 4 2 课题的创新点 论文所研究的课题针对于国内结晶器设备检测与故障诊断的现状，有如下几 点创新之处： 1 ) 一种低成本的上、下位机解决方案，撇开对市场上p d a 产品的依赖。因 为目前流行的手持检测仪器，其上端处理多是借助于厂家的p d a ，如惠普公司 的h p 5 5 5 0p d a ，采用s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 的r z l 7 1 7p d a 等，一方面受知识产权 的限制，另一方面也受到产品替代的限制。 2 1 采用工作频率6 4 m h z 的a r m 7s 3 c 4 4 b o x 作为上位机c p u ，扩展功能 模块，并在其上运行嵌入式实时系统u c o s i i 进行任务调度，使系统短小精悍。 3 ) 鉴于a r m 芯片不擅于信号采集，相对m c u 器件效率低下。本设计采用 低功耗的m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为下位机m c u ，集成1 2 b i t d 转换器，完成三通道的 数据采集和转换，有利于提高采集质量和系统效率。 4 ) 系统采用锂充电池供电，并能通过u s b 接口进行充供电。 5 ) 可以较精确地获得结晶器的振动特征值，辅助制定生产参考。弥补了当 前结晶器检测手段的不足。 1 4 3 论文的组织结构 本论文按照以下结构组织： 1 1 第一章论述了结晶器设备在连铸生产过程中的关键作用，介绍了结晶器 振动技术的发展、振动机理以及振动参数对生产质量的影响，针对结晶器振动状 态检测仪器的缺失，指出研制手持式结晶器振动检测仪的必要性，引出论文的研 究主体和创新点。 2 ) 第二章首先根据结晶器振动检测的特点概括了手持式振动检测系统的软 硬件需求，然后结合嵌入式技术在手持式设备中的应用，针对市场上几种流行的 嵌入式处理器和嵌入式操作系统，提出了基于a r m 7 + m s p 4 3 0 的上、下位机嵌 浙江丈学硕 学位论文 入式系统，并给出了该设计的总体架构。 3 ) 第三章建立了系统硬件开发的调试环境，包括宿主机i d e ，调试信道以 及目标板。采用上下位机对比论述的方式，对整个系统的硬件设计和组成进行了 详细地论述。 4 ) 第四章是结晶器振动检测系统上下位机功能模块的软件实现，其中涉及 上位机b o o t - l o a d e r 的定制，上下位机数据通讯的实现方法，包括下位机a d 采 样、数据发送和上下位机的串口通讯，最后是振动检测系统的测试实验情况。 5 ) 第五章着重阐述了系统上位机与p c 机之间的通讯实现，介绍了 s 3 c 4 4 b o x 利用u s b n 9 6 0 4 芯片进行u s b 固件开发的流程，并以实例讲解了在 w i n d o w s 环境下该设备驱动程序的使用以及通讯测试。 6 ) 第六章是论文的结论与展望，在这一部分中，对整个论文进行了总结并 对相关技术进行了展望。 1 2 浙江大学硕上学位论文 第二章手持式结晶器振动检测系统的总体架构及软 硬件平台设计 本章首先根据结晶器振动检测的特点概括了手持式振动检测系统的软硬件 需求，然后结合嵌入式技术在手持式设备中的应用，根据市场上流行的几种嵌入 式处理器和嵌入式操作系统，提出了基于a r m 7 + m s p 4 3 0 的上、下位机嵌入式 系统，并对该设计架构进行了简单地描述。 2 1 手持式结晶器振动检测系统的需求 以某炼钢厂的一组生产参数( 表2 1 ) 为例： 表2 1 钢坯生产工艺参数 其中振动形式波形如