冶炼过程喷溅特征信号采集系统设计

韩顺杰++曾景宇++孙延平++蔡洪旺++李连峰

摘 要

本文设计了一种以LabVIEW为开发平台的冶炼过程喷溅特征信号采集系统。通过对采集系统的硬件选型及上位机程序的设计，验证了虚拟仪器在采集系统构建上的有效性。该系统操作方便、运行稳定，能够实现对冶炼过程中表征喷溅特征信号的高速采集、实时显示及信号存储，为冶炼过程喷溅预测提供了依据。

【关键词】冶炼过程 特征信号 采集系统 LabVIEW

在冶金行业中，氩氧精炼法被广泛采用。但在铁合金的冶炼过程中，由于冶炼温度高，反应激烈，AOD炉时常会发生喷溅事故。喷溅事故会造成生产设备的损坏，给工厂带来巨大的经济损失，严重时甚至会造成工作人员的伤亡。为了预防喷溅事故的发生，需要对冶炼过程进行检测和诊断分析。利用软测量技术发现冶炼过程中的吹炼噪声信号和氧枪振动信号可以作为表征喷溅发生的特征信号。因此，对冶炼过程中产生的冶炼噪声信号和氧枪振动信号进行采集，是冶炼过程喷溅预测的前提条件。

然而，传统的检测声音和振动信号的物理仪器检测可靠性和准确性差且成本高，在实际的应用当中受到了很大的制约。随着计算机技术的飞速发展，出现了有别传统仪器的虚拟仪器。虚拟仪器将传统仪器的信号采集、信号处理、信号结果输出功能移植到计算机上，通过数据采集卡并由软件对信号进行分析处理。本文基于LabVIEW虚拟仪器平台设计了一套冶炼过程特征信号采集系统，实现了冶炼过程中特征信号的采集、显示与存储。

1 冶炼过程喷溅特征信号采集系统的总体设计

数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。系统的整体结构图如图1所示。

采集系统中信号调理模块配合音频传感器与振动传感器，进行声音和振动信号的检测与信号调理。数据采集模块对传感器信号进行高速采集。数据采集卡通过PCI接口与工控机相连接，构成采集系统的硬件平台，利用LabVIEW虚拟仪器开发平台构建采集系统的上位机管理系统。

2 采集系统的硬件设计

2.1 音频传感器

在对冶炼工艺的研究中发现冶炼过程中的噪声主要有四种，为了能够采集到主要表征喷溅的噪声信号，本采集系统选择了UPERLUX（超乐仕）PRA—118L超高指向性专业枪式电容麦克。该传感器在接受固定方向传来的音强信号的同时还能够远离AOD炉体，以避免麦克受冶炼过程的高温影响。该传感器的优点是只接受某一方向上的音强信号，这样在冶炼过程中和喷溅无关的音强信号就尽可能少地传到数据采集卡里。

2.2 振动传感器

冶炼过程中时段不同，炉体振动变化情况也不同。通过软测量技术得知振动信号能够表征喷溅。本采集系统在氧枪上安装了两个振动传感器，它们互成九十度，相互垂直，这样就能够实现水平和垂直两个方向的振动信号采集。综合考虑振动传感器重量、频率响应和灵敏度性能、现场环境温度要求以及测试数据高保真度，本系统选用ULT20系列内装IC压电加速度传感器，能充分完成现场振动数据的采集。

2.3 信号调理模块

调理模块的作用是确保采集到的信号是精确保真的，同时具有信号放大的功能，它是连接工控机和传感器的桥梁。调理电路由直流信号压缩电路、信号隔直电路、交流信号滤波电路、交流信号放大电路、信号叠加电路等组成。经过调理电路才能将精确、保真、放大的数据送入数据采集卡，方便用户分析。本系统选用阿尔泰公司研发生产的S1103作为信号调理模块。

2.4 数据采集卡

数据采集能够从传感器或者其它待测设备中自动采集信号，为利用计算机进行数据采集带来了方便。数据采集卡的设计是以计算机总线技术为依据的。本系统选用研华公司生产的PCI-1716数据采集卡，该采集卡功能强大，采样速率能够达到250K/s，采集卡自带FIFO缓冲器，具有16路单端和8路差分模拟量的输入方式，2个16位数模输出通道和16位数字量输出/输入通道。该采集卡能够满足本采集系统的要求。

4 采集系统的软件设计

3.1 LabVIEW简介

LabVIEW是使用图形语言进行程序编写的开发环境。传统编程语言，如C/C++语言、VB或Java语言都是以文本方式进行程序的编写，而LabVIEW采用的是G语言，也称为图形编程语言，采用G语言使编程的效率得到提高。LabVIEW自身包含大量的范例程序供开发人员参考，利用这些范例能够完成绝大多数设计任务。

3.2 喷溅特征信号采集流程

采集系统使用LabVIEW2014进行采集程序的设计，可实现冶炼过程中音频信号和振动信号的采集、显示和存储。数据采集的流程图如图2所示。

3.3 后面板程序框图设计

程序框图中的控件是和前面板的相应控件所对应的，程序框图是源程序，用来控制和操纵定义在前面板上的控件以及输入和输出的功能。采集系统的程序框图如图3所示。程序的上半部分主要实现噪声信号和两路振动信号的采集，下半部分实现采集到的数据的显示和存储。

3.4 特征信号波形显示

在虚拟仪器的前面板设计中，信号波形显示是很重要的内容。LabVIEW软件工具包提供了很多数據图形化显示控件供研发人员使用，本系统中研究人员就能直观的观察冶炼过程中传感器采集的振动信号和声音信号波形变化。图4是音频传感器采集到的声音信号，图5和图6是两个振动传感器采集到的振动信号。

3.5 特征信号的存储

该采集系统还具备将采集到的特征信号进行存储的功能，方便研究人员离线对信号进行分析和处理。本系统是利用LabVIEW2014自带的存储模块进行数据的存储的，软件提供了很多类型的数据存储格式供设计人员使用，例如二进制文件，文本文件，数据存储文件及TDMS文件等格式。本系统采用的是TDMS格式进行数据的存储。TDMS最大优点就是其在保持着数据良好逻辑结构（TDM的三层结构）和良好的数据管理的前提下，还能保持着高速的性能。

4 结论

冶炼过程喷溅特征信号采集系统以LabVIEW为开发平台，利用了虚拟仪器技术实现了冶炼过程中对声音信号和振动信号的采集，实时波形显示及存储。经过多次的重复试验，系统的稳定性较好。通过对采集到的信号进行分析，能够及时了解AOD炉的实时工作状态，为有效检测和预防喷溅提供了条件。

参考文献

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作者简介

韩顺杰（1972-），女，长春工业大学电气与电子工程学院教授博士学位。现为电气教研室主任。

作者单位

长春工业大学电气与电子工程学院 吉林省长春市 130000