連鑄結(jié)晶器振動形態(tài)在線檢測和控制系統(tǒng)的研究---大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目申報表

1、附件4項目名稱： 所屬一級學科名稱: 項目負責人： 聯(lián)系電話： 指導教師： 聯(lián)系電話： 申報日期：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目申報表（創(chuàng)新訓練項目）推薦學校：（蓋章）項目編號：連鑄結(jié)晶器振動形態(tài)在線檢測和控制系統(tǒng)的研究控制科學與工程繆媚春娣186570088792014-5浙江省教育廳制二o三年五月填寫說明一、申報書要按照要求，逐項認真填寫，填寫內(nèi)容必須實事求是，表達明確 嚴謹。空缺項要填“無”。二、格式要求：表格屮的字體采用小四號宋體，單倍行距；需簽字部分由相 關人員以黑色鋼筆或簽字筆簽名。三、項目來源為前期實驗成果、自主研發(fā)、他人授權、其他。四、項目類型為科技

2、類、咨詢類、設計類、服務類等。五、申報創(chuàng)業(yè)實踐項目需附創(chuàng)業(yè)計劃書。六、填報者須注意頁而的排版。/(x腳r/(xv/(x月6三 工 zx620 月6三 工 zx420（100 字以 內(nèi)）申請人或申請團從n號 學所在院系/專業(yè)主持人we15691洶b2141伽婷 婷 烏級30/ 11695com青 u 董22 2 o o11i洶s2784om指 導 教 師£|名 姓娣 春齡 年53師果 成 要 主; 0 qu 揺項項用 dwz -jj ” 、 2 r持國 療主在名 姓泉 佳 陳40師主要成果負責學院學生競賽工作，先后指導學生獲“藍橋杯”全國 軟件大賽總決賽一等獎4人、二等獎5人、三等獎6

3、人；浙江 省程序設計競賽3個銀獎、1個銅獎；“中國航信杯”全國信息 技術應用水平大賽全國三等獎6人；浙江省程序設計競賽3個 銀獎1個銅獎。一、申請理由（包括自身具備的知識條件、自己的特長、興趣、已冇的實踐創(chuàng)新成果 等）本項目組成員熱愛本專業(yè)，崇尚科學，追尋科技創(chuàng)新。曾先后學習了模擬電子技 術、數(shù)字電子技術、傳感器技術、電機學、c語言程序設計、變頻技術及應用等課程。 本項口組成員中多數(shù)參加校無線電協(xié)會，喜歡電子制作，編寫軟件，曾制作過一些簡 易電子設備，具備基本的動手能力，具冇較好的從事科技創(chuàng)新活動的基礎。項目組成員參與了校級大學生科技創(chuàng)新項目“基于gps/gsm/rf1d的社區(qū)智能導盲 車的開

4、發(fā)和研究”等項n的研究工作，具有一定的開發(fā)經(jīng)驗，述參與了浙江省大學生電 子商務競賽，獲得省級二等獎，校級一等獎。項目組負責人冇一定的開發(fā)經(jīng)驗和較強的組織能力，能組織協(xié)調(diào)項目組全體成員 認真執(zhí)行省和學校管理條例，按期保質(zhì)保量完成項口研究齊項任務。指導教師先后指導了國家級大學生創(chuàng)新計劃項目1項和浙江省大學生科技創(chuàng)新項 目2項；指導學生獲得“藍橋杯汀全國軟件人賽、“中國航信杯，詮國信息技術應用水平 大賽和浙江省程序設計競賽一、二、三獎多次，具有豐富的項目指導和競賽指導經(jīng)驗。二、項目方案21項目研究背景（國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究意義、項目已有的基礎，與本項目有關的 研究積累和已取得的成績，已具備的條件，

5、尚缺少的條件及方法等）2.1.1研究現(xiàn)狀及研究意義：連鑄結(jié)晶器是鑄壞成型設備，是連鑄機的“心臟”，集多種功能于一體。它將連 續(xù)不斷注入其內(nèi)腔的高溫鋼水通過水冷銅壁強制冷卻,導岀熱量，使z逐漸凝同成具 有所耍求的斷而形狀和坯殼厚度的鑄坯。連鑄結(jié)晶器是鑄坯品質(zhì)控制器，結(jié)晶器內(nèi)鋼 水-渣相-銅板-壞殼z間的相互作用是一個復雜的動態(tài)過程，相關參數(shù)的合理匹配，對 鑄坯表面質(zhì)量貝有決定性的影響。為了便于脫膜，避免連鑄坯在凝固過程中與板坯連 鑄結(jié)晶器銅壁發(fā)生粘結(jié)而岀現(xiàn)粘掛漏鋼事故，連鑄結(jié)晶器必須按給定的振動幅度、振 動頻率和波形偏斜特性沿著連鑄機外弧線運動，使從連鑄結(jié)品器岀來的鑄壞具冇一定 厚度的均勻坯殼，

6、在機械應力和熱應力的綜合作用下不至被拉斷和產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。連 鑄結(jié)晶器振動狀況與連鑄坯表而質(zhì)量有著密切的聯(lián)系，為了得到高質(zhì)量的連鑄坯，需 要選擇結(jié)品器的最佳振動狀態(tài)。連鑄結(jié)品器振動檢測的主要h的是能夠準備記錄結(jié)品器振動的相關參數(shù)。riiij,國內(nèi)外采用了多種方法對板坯結(jié)晶器振動狀況進行檢測，如傳統(tǒng)的手工檢測方法、結(jié) 品器自帶位移測量裝置檢測方法、位移傳感器檢測方法和加速度傳感器檢測方法等。傳統(tǒng)手工檢測方法是依靠現(xiàn)場檢測人員用游標卡尺測量結(jié)晶器振動幅度和用秒表 測量振動頻率的方法。該法對一般鑄坯質(zhì)量要求不高的結(jié)晶器振動檢測也能達到要求, 操作簡單且成本低，但測量精度低，很難反應設備的實際運行狀況，

7、不符合高質(zhì)量生 產(chǎn)的現(xiàn)況。結(jié)晶器h帶位移測量裝置檢測方法是利用結(jié)晶器本身h帶的測量裝置進行參數(shù)的 獲取，在一定程度上能滿足鑄壞質(zhì)量要求不高的結(jié)品器振動檢測，且能達到一定的效 果。但是，傳統(tǒng)結(jié)晶器沒有振動位移反饋監(jiān)測系統(tǒng)，只能通過監(jiān)測油缸的行程或電動 缸的旋轉(zhuǎn)角度間接獲取結(jié)晶器的相關參數(shù)，不能準確反映結(jié)晶器的真實振動情況，只 冇一定的參考意義。位移傳感器檢測方法是利用位移傳感器直接獲取結(jié)晶器振動測量值的方法，測量 方便，計算簡單，在很大程度上能滿足現(xiàn)場結(jié)晶器振動檢測的需要。但是，由于傳感 器探頭直接裸露在外而，容易造成意外損壞，存在安全隱患，且每次檢修均需進行傳 感器拆卸、安裝和校準，給生產(chǎn)帶來

8、了極大的不變。且測量結(jié)果易受現(xiàn)場濕度、粉塵 和溫度的影響，實際應用的不多。加速度傳感器檢測方法是對位置傳感器測量的改進，集成度高，一個傳感器可以 測量三個方向的振動，裝卸簡便，傳感器全鋼外殼保護，工作壽命長，且測量范圍大、 精度高，是h前結(jié)晶器振動測量的主要手段。國內(nèi)外基于加速度傳感器的測量系統(tǒng)， 主要可以概括為在線檢測和離線檢測兩種方式。離線檢測方法是通過傳輸介質(zhì)把現(xiàn)場安裝的各傳感器節(jié)點的信號傳入數(shù)據(jù)采集 卡，數(shù)據(jù)采集卡再將信號發(fā)送給數(shù)據(jù)分析終端，最后由檢測分析處理軟件對數(shù)據(jù)進行 分析處理、記錄顯示。一般用作安裝和調(diào)試設備的手段。在線檢測方法可以對裝置的工作狀態(tài)進行實時的檢測，了解結(jié)晶器振動

9、隨拉壞速 度而變化的規(guī)律，并且能快速記錄連鑄坯表而質(zhì)量最佳時的結(jié)晶器振動參數(shù)，對鑄坯 的質(zhì)量和鑄速的提高有著重要的意義。但由于結(jié)品器振動具有頻率低、相對精度高等 特點，工作壞境濕度大、溫度高，在線檢測具有一定的難度。而且口前對結(jié)晶器采用 單點分析，檢測結(jié)果存在一定的局限性，信息缺乏全面性和直觀性。因此針對現(xiàn)有結(jié)晶器振動檢測系統(tǒng)存在的缺點，開發(fā)出一種測量信息全面、判斷 分析直觀、成本低、易操作、性能可靠的結(jié)晶器振動檢測系統(tǒng)具有重要的意義。2丄2項目已有的基礎：木項h已經(jīng)進行了早期調(diào)研，在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段我國結(jié)品器振動檢測大多是 基于單點的檢測和分析，只能獲取結(jié)晶器的局部信息，不能準確反映岀結(jié)晶

10、器振動的 真實情況。由于系統(tǒng)的復雜性、工況的多樣性和單點信息的局限性，檢測效率較低， 甚至會出現(xiàn)誤判的情況，不滿足生產(chǎn)需要。項口組通過調(diào)研，確定了初步的技術路線。 2.1.3與本項目有關的研究積累和已取得的成績項目組成員：中請者與項目組成員由電氣工程及其口動化專業(yè)11級和13級本科生 組成，項口成員都對電子制作，軟件的編寫有濃厚的興趣，并且學習了數(shù)字電子技術 和c語言程序設計等相關課程，基礎扎實；項目成員參與了指導教師的科研項目，同時 參加過衢州學院大學生科技創(chuàng)新項目的研發(fā)和浙江省電子商務競賽，有一定的科研能 力與良好的團隊協(xié)作精神。項目組成員參與的項目：1）衢州學院大學生科技創(chuàng)新項目：基于g

11、ps/gsm/rfid的社區(qū)智能導盲車的開 發(fā)和研究（陳蒙恩參與了材料的整理和結(jié)題工作）2）衢州學院大學生科技創(chuàng)新項目：基于rf1d和圖像處理技術的學生考勤系統(tǒng)的 設計與實現(xiàn)（董世青為該項目負責人）項口組成員參與的競賽：1）“浙江省電子商務競賽”獲省級二等獎、校級一等獎指導教師：由科研第一線的青年教師和金業(yè)工程師組成，知識結(jié)構(gòu)合理且具有堅實 的理論基礎。指導教師團隊所開展的研究方向和本課題密切相關，保證了課題研究的 可行性。本項目的執(zhí)行已經(jīng)具備了3項重要的基礎：1理論基礎（課題組已經(jīng)發(fā)表了 多篇關于連鑄工藝控制方面的論文）；2.實驗開發(fā)基礎（課題組在連鑄牽引電機控制 和銅材成形方而有多年的開發(fā)

12、經(jīng)驗，積累了大量的數(shù)據(jù)、算法、軟件代碼）；3專家 網(wǎng)絡（建立了與國內(nèi)多名前沿研究人員的專業(yè)人士的聯(lián)系合作網(wǎng)絡）。1）指導教師主持和參與的與本項目相關的項目：（1）浙江省教育廳科研項口：多傳感器信息融合在tp2銅管成形小的應用研究 （no. y201329552,在研，主持）（2）衢州市科技局項目：銅材加工數(shù)字控制系統(tǒng)的開發(fā)和應用（no. 20111040, 結(jié)題，主持）（3）校企合作項目：銅材加工數(shù)字控制系統(tǒng)的開發(fā)（no.111201,結(jié)題，主持）2）指導老師發(fā)表的相關論文(1) chundi jiang- adaptive force/position control law of nonl

13、inear rob otic sys tcm, advances in mechanical engineering , 2011. (el 收錄： 20111613925673)(2) chundi jiang-copper casting variable frequency speed control ofdigital control systcm, electronic mechanical enginccring and information technology, 2012. (el 收錄：20125215828944).3) 指導老師申請的相關專利(1) 一種銅管捆扎裝置,實

14、用新型專利(zl 201320161262.7) , 2012. 03(2) 一種銅錠銃面機構(gòu),實用新型專利(zl 201320161261.2) , 2010. 05(3) 一種鏈條卡槽用的壓塊,實用新型專利(zl 201320161155.4) , 2010. 05(4) -種銅管纏繞機上用的轉(zhuǎn)桶，實用新型專利(zl 201320161234.5) , 2010. 05 2.1.4已具備的條件本項口依托浙江省重點學科“檢測技術與自動化裝置”、衢州市重點實驗室“電 器智能技術實驗屮心”及與企業(yè)合作共建的“智能化電器產(chǎn)品開發(fā)聯(lián)合實驗室”、“自 動化裝置聯(lián)合研發(fā)屮心”等硬軟件平臺，深入開展連鑄結(jié)

15、晶器振動檢測與分析，各項 實驗措施均已得到落實。課題組成員所在的學科2012年獲得浙江省重點學科，具冇很濃的學術氛圍，已持 續(xù)得到浙江省政府和所在單位的資助，改善了硬件環(huán)境。綜上所述，本項口具備良好的實驗條件，完全可以滿足本課題的實驗研究所需。 22項目研究目標及主要內(nèi)容2.2.1研究目標通過對現(xiàn)有連鑄結(jié)晶器振動現(xiàn)狀實地調(diào)查研究和對現(xiàn)有振動檢測方法進行對比分 析，借助目前的計算機技術、無線傳感器技術以及三維重構(gòu)振動形態(tài)檢測技術，研制 岀一種新型的連鑄結(jié)晶器振動形態(tài)在線檢測和控制系統(tǒng)。2.2.2主要內(nèi)容1) 設計基于傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸方案，完成結(jié)品器振動形態(tài)的三維構(gòu)建；分析了連鑄結(jié)晶器振動形

16、態(tài)，在現(xiàn)存技術基礎上進行了振動形態(tài)檢測技術的需求 分析，確定了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆桨?，分析了振動形態(tài)的同步性并對其進行了三維構(gòu) 建。2) 設計具有自動調(diào)平功能的無線傳感器，進行微控制器的選型；設計了系統(tǒng)硬件總體方案，并根據(jù)方案實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、h動調(diào)平和數(shù)據(jù)發(fā)送的 硬件電路的具體設計，同時根據(jù)系統(tǒng)硬件方案相應的設計了齊模塊的軟件方案。3) 設計基于虛擬儀器和計算機的在線檢測和控制系統(tǒng)設計了基于虛擬儀器和計算機的在線檢測系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場控制手段，形成一個完 整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以此根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況，及時調(diào)節(jié)振動參數(shù)，達到最佳生產(chǎn)效杲。 23項目創(chuàng)新特色1)重構(gòu)結(jié)晶器振動形態(tài)的三維模型由于重構(gòu)了結(jié)品器振動

17、狀態(tài)的三維模型，通過振動形態(tài)的分析，可以直觀而準確 的獲取結(jié)晶器的相關參數(shù)，且通過多個傳感器節(jié)點的信息融合處理，測量信息更加全 面可靠。2）無線傳感器具有自動調(diào)平功能本系統(tǒng)采用了自動調(diào)平系統(tǒng)，利用高精度傾角傳感器采集平臺水平信號，通過單 片機分析處理，然后進行步進電機的精密控制，使無線傳感器平臺的水平狀況滿足測 試系統(tǒng)的要求。24項目研究技術路線1）結(jié)晶器振動形態(tài)三維重構(gòu)結(jié)晶器振動形態(tài)重構(gòu)的過程是將布置在結(jié)晶器上齊傳感器節(jié)點所采集的信息進行 信息融合分析的過程。通過多個測點的信息綜合分析，每個傳感器節(jié)點都包含x、y、 z三個方向的信號，得到結(jié)晶器振動的具體信息并能模擬出結(jié)晶器振動形態(tài)，重構(gòu)流

18、程如圖1所示。改變時間參數(shù)圖1結(jié)晶器振動形態(tài)三維重構(gòu)流程圖2）結(jié)晶器振動形態(tài)檢測和控制系統(tǒng)總體設計結(jié)品器振動形態(tài)在線檢測系統(tǒng)通過對振動平臺的實時監(jiān)測，獲取結(jié)品器的實際振 動狀態(tài)，并通過振動幅值、頻率、相位和波形偏斜率這四個基本參數(shù)反映岀結(jié)晶器的 實際振動波形。然后再由工業(yè)控制計算機對這四個振動基本參數(shù)進行計算，得出負滑 動時間、負滑動率等連鑄過程中比較重耍的振動工藝參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)通過反饋 執(zhí)行機構(gòu)作用于驅(qū)動振動平臺的電機，由此形成在線檢測和控制閉環(huán)。系統(tǒng)總體框圖 如圖2所示。圖2系統(tǒng)總體框圖結(jié)品器振動形態(tài)在線檢測和控制系統(tǒng)總體由兩部分組成：下位機系統(tǒng)與上位機系 統(tǒng)。下位機系統(tǒng)為具有自動調(diào)

19、平功能的無線傳感器，是以t1公司生產(chǎn)的msp430f149 作為主控芯片的系統(tǒng)，主要由傳感器、信號調(diào)理模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、自動調(diào)平模塊、 msp430單片機最小系統(tǒng)及英他外圍模塊等組成，主要實現(xiàn)平臺的自動調(diào)平、數(shù)據(jù)采集 及數(shù)據(jù)的發(fā)送。上位機系統(tǒng)為工業(yè)控制計算機，主要進行數(shù)據(jù)的接受，并負責對下位 機系統(tǒng)發(fā)送相關指令及配置參數(shù)，承擔數(shù)據(jù)的分析、處理及顯示，同時利用反饋執(zhí)行 機構(gòu)控制結(jié)晶器振動臺驅(qū)動電機。3）系統(tǒng)硬件設計該系統(tǒng)的碩件部分主要包括傳感器部分、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡及工業(yè)控制 計算機。該系統(tǒng)首先進行檢測平臺的自動調(diào)平，然后傳感器采集到結(jié)晶器振動信號， 通過信號調(diào)理模塊調(diào)理后，再經(jīng)a/

20、d轉(zhuǎn)換，并通過msp430打包后將振動信號的相關數(shù) 據(jù)傳給工業(yè)控制計算機。數(shù)據(jù)終端接受傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析、處理后在用戶界 面上進行結(jié)晶器振動狀況的具體參數(shù)及曲線的描述，并通過數(shù)據(jù)的融合進行振動形態(tài) 的三維重構(gòu)，且能動態(tài)模擬并回放結(jié)晶器的振動過程，直觀準確的顯示結(jié)晶器的振動 狀況。該檢測系統(tǒng)的碩件總體架構(gòu)如圖3所示。圖3硬件總體架構(gòu)圖各個模塊具有各口不同的功能。電源模塊用于將鋰電池提供的源電壓通過不同的 電壓轉(zhuǎn)換芯片的處理，轉(zhuǎn)換為和應的適用于各模塊工作的電源；信號調(diào)理模塊主要分 為信號濾波處理模塊和運放電路調(diào)理模塊，前者用于將傳感器采集振動信號過程屮的 干擾信號去除，使經(jīng)過該模塊濾波后的信

21、號最相近于結(jié)晶器振動的真實情況，后者用 于將濾波后的振動信號進行一定調(diào)理；單片機模塊主要把處理后的信號再次預處理， 通過集成adc模塊實現(xiàn)電壓信號轉(zhuǎn)換，同時進行與數(shù)據(jù)終端的交互；自動調(diào)平模塊用 于將檢測的傳感器平臺調(diào)節(jié)至水平；外圍電路用于單片機的復位、狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)傳 輸?shù)取?）系統(tǒng)的軟件設計本系統(tǒng)的軟件設計以msp430單片機為控制核心，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、平臺的自 動調(diào)平和數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能，而數(shù)據(jù)的分析、處理等功能則由工控機實現(xiàn)。具體軟件 結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。當需要進行現(xiàn)場結(jié)晶器振動狀況檢測時，將無線傳感器安裝在結(jié)晶器平臺上，加速度傳感器將采集到的原始結(jié)晶器振動信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，該輸出信

22、號首先進行 信號濾波處理，濾除雜波和英他干擾信號，再經(jīng)過運放調(diào)理模塊進行信號調(diào)理，得到數(shù)據(jù)流i控制流圖4軟件結(jié)構(gòu)圖適合msp430單片機可以采集的振動信號，調(diào)理后的電信號通過msp430單片機的外部 采樣通道進入到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊adc進行轉(zhuǎn)換。將進入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信 號后，將數(shù)據(jù)按一定的格式打包，傳送給數(shù)據(jù)分析終端，利用數(shù)據(jù)分析終端的分析軟 件進行數(shù)據(jù)的分析、處理及顯示等，同時通過反饋控制機構(gòu)對結(jié)晶器驅(qū)動電機進行反 饋控制。本系統(tǒng)軟件設計采用結(jié)構(gòu)化程序設計方法，將待開發(fā)的軟件系統(tǒng)劃分為若干個互 和獨立的模塊，每一個模塊完成單純而確定的功能。軟件功能模塊框圖如圖5所示。圖5軟件功能模塊

23、框圖2.5研究進度安排1)2013.10-2014.4完成市場調(diào)研、資料查詢及可行性分析;2) 2014. 05-2014. 08完成項目總體方案的設計;3) 2014. 09-2015. 02完成檢測系統(tǒng)的硬件設計；4) 2015. 03-2015. 08完成檢測系統(tǒng)的軟件設計，并進行實驗和驗證;5) 2015. 09-2016.01完善和總結(jié)相關成果，在相關工作的基礎上撰寫論文;6) 2016. 02-2016. 05完善項目研究內(nèi)容，總結(jié)技術資料,準備結(jié)題。2.6項目組成員分工姓名主要研究工作校內(nèi)指導企業(yè)指導繆媚奈調(diào)研、方案設計、硬件設計姜春娣毛成陳蒙恩硬件設計、仿真實驗姜春娣、陳佳泉烏婷婷軟件設計陳佳泉董世青測試實驗陳佳泉鐘雨星研究資料的收集、整理、論文寫作等姜春娣三、學校提供條件(包括項目開展所需的實驗實訓情況、配套經(jīng)費、相關扶持政策等)本項目是產(chǎn)學研合作的公益性課題，我校擁有電工電子實驗室、單片機實驗室、 嵌入式系統(tǒng)實驗室、計算機網(wǎng)絡通信實驗室、智能儀