一種連鑄鋼包下渣自動控制系統及控制方法

專利名稱：一種連鑄鋼包下渣自動控制系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種連鑄鋼包下渣自動控制系統及控制方法，屬于冶金連續鑄鋼過程自動 化控制技術領域。
背景技術：
在鋼水連鑄生產過程中，氧化劑和鋼水中的其它雜質混合形成液體鋼渣，其比重較輕， 只有純鋼水比重的三分之一到四分之一左右，浮于鋼水上部。在鋼水澆鑄后期，鋼渣逐漸流 入中間包，影響鋼材品質，嚴重時使鋼水連鑄無法進行甚至造成生產事故。下渣檢測系統 作為鋼鐵連鑄生產的關鍵技術之一，世界各國都給予了高度重視。上世紀80年代，德國亞 琛科技大學鋼鐵冶金研究所開始開發鋼包下渣自動檢測技術，并獲得歐共體的資助。他們 用一種電磁方法來檢測鋼液的下渣，在大包包底水口外圍安裝線圈，當鋼液通過接交流電 的線圈時，就會產生渦流，這些渦流可改變磁場的強度；由于爐渣的導電性為鋼水的千分之 一，如果鋼流中含有少量爐渣，渦流就會減弱，而磁場也相應減小；磁場強度的變化可通過 二級線圈來檢測，這種低電壓信號必須在鋼廠的噪聲環境中傳輸，所要求的信號必須經過 過濾，才能產生一個能與其它測量數據相匹配的確定的和有用信號，這一點可采用模擬與 數字過濾器相集合以及一個溫度補償系統來達到。系統的組件必須堅固耐用，能承受煉鋼 廠的苛刻環境，才能保證系統應用的有效性與穩定性。德國蒂森鋼鐵公司于1987年首先在 一臺板坯連鑄機采用了鋼包下渣自動檢測技術，取得了滿意的結果。后來德國亞琛大學鋼 鐵冶金研究所的幾位研究人員利用所開發成功的鋼包下渣自動檢測技術成立了 Amepa公 司，在世界上推廣鋼包下渣自動檢測技術。雖然電磁檢測法在鋼水下渣檢測方面獲得了較 大成功，但是其應用過程中也存在一些較大的問題1)價格較高；例如德國Amepa公司的電 磁式鋼包下渣自動檢測設備投資至少需要50萬馬克，對于我國的一些大型鋼鐵企業來講， 大量引進該設備，是一項相當巨大的投資，而對于大多數中小鋼鐵生產企業則很難接受；2) 安裝煩瑣；電磁法檢測裝置結構相對較為復雜，安裝過程較煩瑣，且安裝傳感器時需要對連 鑄生產設備進行一定的改造才能安裝，這將會給連鑄生產帶來一些影響，給鋼鐵生產企業 造成不必要的經濟損失；3)維護費用高，使用壽命較短；由于電磁線圈在惡劣的高溫環境 下長時間工作，較容易損壞，而使檢測系統失效，因此需要定期維護，更換線圈(線圈的價 格較高，幾萬至數十萬不等)。針對以上問題，一些其它檢測方法逐步被開發應用，如超聲波檢測法、紅外檢測 法、振動檢測法等，其中振動檢測法能夠較為有效的解決電磁法存在的問題。美國的Nupro 公司在2002年開發出相應的檢測系統，并獲得了良好應用。與Amepa公司產品相比，其在 使用壽命、檢測準確率、穩定性、產品維護等方面具有優勢。但是振動法檢測技術要求很高， 振動傳感器的設計安裝、振動信號干擾剔除與分離、處理算法的設計與實現等問題具有很 高的難度。目前，國內一些鋼鐵企業對于一般鋼種，連鑄生產采用鋼包澆注末期由操作 工肉眼觀察鋼包長水口插入中間包附近鋼水液面的方式判斷鋼包是否下渣。如果采用人工 判渣的方式，在操作工觀察到鋼包下渣的時候，實際流入到中間包的鋼流渣量已經較多。流入中間包的鋼渣，有一部分到達中間包鋼水表面，造成表面結殼，可能會引起操作事故；而 更嚴重的是，有部分鋼渣會隨著鋼流澆入連鑄坯中，造成鋼中夾雜物超標，引起質量問題。 隨著高等級品種鋼鋼種越來越多，產量也越來越高，鋼包下渣的問題越來越突出。因此，目 前采用的鋼包余重控制的方法無法滿足生產特別是品種鋼生產的需要。

發明內容
本發明目的是提供一種連鑄鋼包下渣自動控制系統及控制方法，低成本、穩定性好、檢 測精度高，使用壽命長，解決背景技術存在上述問題。本發明的技術方案是
一種連鑄鋼包下渣自動控制系統，包括自動檢測投入模塊、特征信號分級模塊、過程信 號監控與管理模塊、自動檢測撤出模塊，其中自動檢測投入模塊根據連鑄生產進程確定鋼 包下渣自動控制系統是否進入工作狀態，特征信號分級模塊完成鋼流沖擊振動時間序列的 指標信號提取工作，過程信號監控模塊負責鋼包下渣自動控制系統在進入工作狀態后的連 鑄生產過程實時控制與管理，自動檢測撤出模塊則是在鋼包下渣自動控制系統完成某一澆 次的下渣檢測后，自動退出工作狀態，直至等待下一次檢測投入。一種連鑄鋼包下渣自動控制方法，自動檢測投入模塊根據連鑄生產進程確定鋼包 下渣自動控制系統是否進入工作狀態，特征信號分級模塊完成鋼流沖擊振動時間序列的指 標信號提取工作，過程信號監控模塊負責鋼包下渣自動控制系統在進入工作狀態后的連鑄 生產過程實時控制與管理，自動檢測撤出模塊則是在鋼包下渣自動控制系統完成某一澆次 的下渣檢測后，自動退出工作狀態，直至等待下一次檢測投入。所述的自動檢測投入模塊，其特別之處是根據經過處理的鋼包重量信號判斷當 前的澆注狀態；當鋼包重量達到所預先設定的閾值時，模塊被觸發，向過程信號監控與管理 模塊發出進入工作狀態請求；請求被驗證后，鋼包下渣檢測系統進入工作狀態。所述的鋼包重量信號處理包括數字濾波與時滯處理兩個過程；所述的數字濾波過 程是對所采集的鋼包重量信號進行巴特沃茲濾波、抗混頻濾波、中值濾波的三級數據處理 操作，以消除連鑄生產車間的強電干擾與連鑄工作平臺振動沖擊干擾影響；所述的時滯處 理是指針對鋼包稱重傳感器的時間滯后特征，對采集到的信號序列進行時間補償計算，從 而保證所采集信號的實時性。所述的鋼包重量閾值設定是連鑄鋼包下渣檢測系統工作的觸發條件，即當前鋼包 重量為初始重量的五分之一時，自動檢測投入模塊被激活；
所述的請求驗證過程是指過程信號監控與管理模塊用循環冗余校驗方法對自動檢測 投入模塊所發出的請求指令進行驗證。所述的特征信號分級模塊，其特別之處是將采集到的鋼流沖擊實時振動信號進 行特征提取處理，構成鋼包澆注過程標準模板。所述的信號特征提取處理過程為將實時鋼流沖擊振動信號進行預處理后，分別 計算其能量值與峭度值；所述的能量值反映鋼流沖擊振動信號的強度，所述的峭度值反映 鋼流沖擊振動的突變特征；在得到上述特征參數后，結合連鑄過程其它技術參數，共同組成 面向鋼流澆注狀態動態識別的標準模板，作為在線判斷的依據。所述的過程信號監控與管理模塊，其特別之處是響應由自動檢測投入模塊、自動 檢測撤出模塊的任務請求，并根據當前信號特征與標準模板進行匹配計算，最終得到當前鋼流澆注狀態。所述的匹配計算的實現過程為將采集到實時振動信號與標準模板進行比對，利 用最小二乘法確定當前的鋼流澆注狀態。所述的自動檢測撤出模塊，其特別之處是在線偵聽過程信號監控與管理模塊的 實時指令，在本澆次下渣過程檢測結束時，向檢測系統發出退出工作狀態請求；系統進入待 機狀態。所述的在線偵聽過程是指該模塊按照一定的時間間隔進行實時指令接受，并根據 指令首部的狀態字執行不同任務；
所述的指令首部狀態字表示鋼包下渣檢測系統即將進入的工作狀態，即該模塊的任務 響應類別，主要包括待機狀態持續、工作狀態進入、工作狀態持續、工作狀態撤出；
所述的系統工作狀態是指系統采集實時鋼流沖擊振動信號，并進行實時動態識別，其 通過前述的鋼包稱重信號閾值觸發進入；所述的系統待機狀態是指系統退出檢測后等待后 續任務的狀態，其通過響應過程信號監控與管理模塊的實時指令進入，并由自動檢測撤出 模塊輸出持續的水口關閉信號，實現鋼包澆注過程的實時監測與控制。本發明的有益效果①可以較好的實現鋼包下渣檢測的自動運行投入、過程監測 與控制、自動運行終止等任務，實現對鋼包澆注過程的全息監控；②構造簡單、實時性好、穩 定性高、制造成本較低，能夠較好的克服電磁感應線圈式鋼包下渣檢測系統所固有的檢測 準確率低、使用壽命較短且制造維護成本較高等問題；③安裝、維護方便，不需要對連鑄生 產車間的現有設備進行重新布置與改造，不會對正常的連鑄生產造成任何不良影響。


圖1是本發明系統功能模塊組成結構示意圖； 圖2是本發明系統工作狀態轉換圖。圖中自動檢測投入模塊ADEM，特征信號分級模塊CSGM，過程信號監控與管理模 塊PSMM，自動檢測撤出模塊ADRM。
具體實施例方式
以下結合附圖，通過實施例對本發明作進一步說明。參照附圖1，一種連鑄鋼包下渣自動控制系統，由自動檢測投入模塊(Automatic Detection Entering Module, ADEM)、特征信號分級模塊(Characteristics Signal Grading Module, CSGM)、過程信號監控與管理模塊(Process Signal Monitoring Module, PSMM)、自動檢測撤出模塊(Automatic Detection Release Module, ADRM)組成；其中ADEM 根據連鑄生產進程確定鋼包下渣控制系統是否進入工作狀態，CSGM完成鋼流沖擊振動時間 序列的指標信號提取工作，PSMM負責鋼包下渣控制系統在進入工作狀態后的連鑄生產過程 實時控制與管理，ADRM則是在鋼包下渣檢測系統完成某一澆次的下渣檢測后，自動退出工 作狀態，直至等待下一次檢測投入。ADEM根據經過處理的鋼包重量信號判斷當前的澆注狀態；當鋼包重量達到所預 先設定的閾值時，模塊被觸發，向PSMM發出進入工作狀態請求；請求被驗證后，鋼包下渣檢 測系統進入工作狀態。如上所述的鋼包重量信號處理包括數字濾波(Digital Filtering)與時滯處理 (Time-delay Processing)兩個過程；所述的數字濾波過程是對所采集的鋼包重量信號進
6行巴特沃茲濾波(Butterworth)、抗混頻濾波、中值濾波的三級數據處理操作，以消除連鑄 生產車間的強電干擾與連鑄工作平臺振動沖擊干擾影響。由于大量程、高精度的稱重壓電 傳感器都具有明顯的時間延后問題，因此不能得到實時的鋼包重量信號，從而使系統的檢 測成功率收到很大影響，針對此問題，本發明所涉及的時滯處理是指針對鋼包稱重傳感器 的時間滯后特征，對采集到的信號序列進行時間補償計算，從而保證所采集信號的實時性。鋼包重量閾值設定是連鑄鋼包下渣檢測系統工作的觸發條件，即系統投入使用時 的鋼包重量門限值。根據連鑄生產現場調研結果，結合相關經驗積累，可確定當前鋼包重量 為初始重量的五分之一時，ADEM被激活，進入工作就緒狀態。考慮到連鑄車間的強干擾環境，請求驗證過程的實現方法為PSMM用循環冗余校 驗(Cyclic Redundancy Check, CRC)方法對自動檢測投入模塊所發出的請求指令進行驗 證。因為連鑄車間所采集到的鋼流沖擊振動信號包含了大量與鋼包澆注典型狀態無 關的信號，因此必須對上述信號進行提取與分離才能達到連鑄實際生產的基本需求。針對 上述問題，本發明所涉及的CSGM的主要功能任務為將采集到的鋼流沖擊實時振動信號進 行特征提取處理，構成鋼包澆注過程標準模板，即澆注狀態特征向量。所述的信號特征提取處理過程為將實時鋼流沖擊振動信號進行預處理后，分別 計算其能量值(Energy Amplitude)與峭度值(Kurtosis Value)；所述的能量值計算方法 為振動信號的幅值的平方，反映鋼流沖擊振動信號的強度，所述的峭度值與振動信號幅度 的四次方成類正比關系，能夠反映鋼流沖擊振動的突變特征；在得到上述特征參數后，結合 連鑄過程其它技術參數如鋼坯拉速、水口開度、中間包液位、鋼包中鋼水溫度等，共同組成 面向鋼流澆注狀態動態識別的標準模板，作為在線判斷的依據。所述的PSMM的主要功能任務為響應由ADEM、ADRM的任務請求，并根據當前鋼包 澆注所產生的鋼流沖擊振動信號特征與標準模板進行匹配計算，最終得到當前鋼流澆注狀 態。所述的匹配計算的實現過程為將采集到實時振動信號與標準模板進行比對，利用最小 二乘法確定當前的鋼流澆注狀態，具體計算方法為從當前鋼流沖擊振動信號中抽取一定 數量(具體數值根據現場條件以及生產要求確定)特征向量序列，將獲得的當前信號特征 向量與各個狀態標準特征向量求差值平方和，其中差值平方和最小的標準澆注狀態即可認 為是鋼包當前的澆注狀態。所述的ADRM的主要功能任務為在線偵聽過程信號監控與管理模塊的實時指令， 在本澆次下渣過程檢測結束時，向檢測系統發出退出工作狀態請求；系統進入待機狀態。 所述的在線偵聽過程是指該模塊按照一定的時間間隔進行實時指令接受，并根據指令首部 的狀態字執行不同任務；所述的指令首部狀態字表示鋼包下渣檢測系統即將進入的工作狀 態，即該模塊的任務響應類別，主要包括待機狀態持續、工作狀態進入、工作狀態持續、工作 狀態撤出，系統的狀態轉換過程如附圖2所示。所述的系統工作狀態是指系統采集實時鋼流沖擊振動信號，并進行實時動態識 別，其通過前述的鋼包稱重信號閾值觸發進入；所述的系統待機狀態是指系統退出檢測后 等待后續任務的狀態，其通過響應過程信號監控與管理模塊的實時指令進入，并由自動檢 測撤出模塊輸出持續的水口關閉信號，實現鋼包澆注過程的實時監測與控制。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的一個具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直 接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。
權利要求
一種連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于自動檢測投入模塊根據連鑄生產進程確定鋼包下渣自動控制系統是否進入工作狀態，特征信號分級模塊完成鋼流沖擊振動時間序列的指標信號提取工作，過程信號監控模塊負責鋼包下渣自動控制系統在進入工作狀態后的連鑄生產過程實時控制與管理，自動檢測撤出模塊則是在鋼包下渣自動控制系統完成某一澆次的下渣檢測后，自動退出工作狀態，直至等待下一次檢測投入。
2.根據權利要求1所述之連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于所述的自動檢測投 入模塊根據經過處理的鋼包重量信號判斷當前的澆注狀態；當鋼包重量達到所預先設定的 閾值時，模塊被觸發，向過程信號監控與管理模塊發出進入工作狀態請求；請求被驗證后， 鋼包下渣檢測系統進入工作狀態。
3.根據權利要求2所述之連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于所述的鋼包重量信 號處理包括數字濾波與時滯處理兩個過程；所述的數字濾波過程是對所采集的鋼包重量信 號進行巴特沃茲濾波、抗混頻濾波、中值濾波的三級數據處理操作，以消除連鑄生產車間的 強電干擾與連鑄工作平臺振動沖擊干擾影響；所述的時滯處理是指針對鋼包稱重傳感器的 時間滯后特征，對采集到的信號序列進行時間補償計算，從而保證所采集信號的實時性；所 述的鋼包重量閾值設定是連鑄鋼包下渣檢測系統工作的觸發條件，即當前鋼包重量為初始 重量的五分之一時，自動檢測投入模塊被激活；所述的請求驗證過程是指過程信號監控與 管理模塊用循環冗余校驗方法對自動檢測投入模塊所發出的請求指令進行驗證。
4.根據權利要求1或2所述之連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于所說的所述的 特征信號分級模塊將采集到的鋼流沖擊實時振動信號進行特征提取處理，構成鋼包澆注過 程標準模板。
5.根據權利要求4所述之連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于所述的信號特征提 取處理過程為將實時鋼流沖擊振動信號進行預處理后，分別計算其能量值與峭度值；所 述的能量值反映鋼流沖擊振動信號的強度，所述的峭度值反映鋼流沖擊振動的突變特征； 在得到上述特征參數后，結合連鑄過程其它技術參數，共同組成面向鋼流澆注狀態動態識 別的標準模板，作為在線判斷的依據。
6.根據權利要求1或2所述之連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于所述的過程信 號監控與管理模塊響應由自動檢測投入模塊、自動檢測撤出模塊的任務請求，并根據當前 信號特征與標準模板進行匹配計算，最終得到當前鋼流澆注狀態。
7.根據權利要求6所述之連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于所述的匹配計算的 實現過程為將采集到實時振動信號與標準模板進行比對，利用最小二乘法確定當前的鋼 流澆注狀態。
8.根據權利要求1或2所述之連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于所述的自動檢 測撤出模塊，其特征在于在線偵聽過程信號監控與管理模塊的實時指令，在本澆次下渣過 程檢測結束時，向檢測系統發出退出工作狀態請求；系統進入待機狀態。
9.根據權利要求1或2所述之連鑄鋼包下渣自動控制方法，其特征在于所述的在線偵 聽過程是指該模塊按照一定的時間間隔進行實時指令接受，并根據指令首部的狀態字執行 不同任務；所述的指令首部狀態字表示鋼包下渣檢測系統即將進入的工作狀態，即該模塊 的任務響應類別，主要包括待機狀態持續、工作狀態進入、工作狀態持續、工作狀態撤出；所 述的系統工作狀態是指系統采集實時鋼流沖擊振動信號，并進行實時動態識別，其通過前述的鋼包稱重信號閾值觸發進入；所述的系統待機狀態是指系統退出檢測后等待后續任務 的狀態，其通過響應過程信號監控與管理模塊的實時指令進入，并由自動檢測撤出模塊輸 出持續的水口關閉信號，實現鋼包澆注過程的實時監測與控制。
10. 一種連鑄鋼包下渣自動控制系統，其特征在于由自動檢測投入模塊、特征信號分級 模塊、過程信號監控與管理模塊、自動檢測撤出模塊組成；其中自動檢測投入模塊根據連鑄 生產進程確定鋼包下渣控制系統是否進入工作狀態，特征信號分級模塊完成鋼流沖擊振動 時間序列的指標信號提取工作，過程信號監控模塊負責鋼包下渣控制系統在進入工作狀態 后的連鑄生產過程實時控制與管理，自動檢測撤出模塊則是在鋼包下渣檢測系統完成某一 澆次的下渣檢測后，自動退出工作狀態，直至等待下一次檢測投入。
全文摘要
本發明涉及一種連鑄鋼包下渣自動控制系統及控制方法，屬于冶金連續鑄鋼過程自動化控制技術領域。技術方案是自動檢測投入模塊根據連鑄生產進程確定鋼包下渣控制系統是否進入工作狀態，特征信號分級模塊完成鋼流沖擊振動時間序列的指標信號提取工作，過程信號監控模塊負責鋼包下渣控制系統在進入工作狀態后的連鑄生產過程實時控制與管理，自動檢測撤出模塊則是在鋼包下渣檢測系統完成某一澆次的下渣檢測后，自動退出工作狀態，直至等待下一次檢測投入。本發明的有益效果可以較好的實現鋼包下渣檢測的自動運行投入、過程監測與控制、自動運行終止等任務，實現對鋼包澆注過程的全息監控；構造簡單、實時性好、穩定性高、制造成本較低，安裝、維護方便。
文檔編號B22D11/18GK101972841SQ20101051026
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月18日 優先權日2010年10月18日
發明者付建軍, 佟明博, 劉冰, 劉雙利, 劉太新, 劉宏偉, 劉少芹, 周曉紅, 孫彩君, 常玉國, 張國華, 張大勇, 楊剛, 楊曉江, 楊杰, 王春海, 紀文茹, 耿立唐, 董福勝, 郝常鑫 申請人:河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司