结晶器振动位移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80年代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。、根据结晶器振动需检测低频位移的特点，一般采用INDT(1inear variable differential transformer)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LVDT的优点是直接得到位移信号，频率下限可接近直流，缺点是拆装较复杂.需将传感器外壳固定在机架上。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，1 Hz以下信号无法保证，相位精度也有所降低。文献[1]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1|Iz时，加速度传感器实测频率相对误差为0 23%，实测振幅经lO次平均所得到的标准差为0.5I mm，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[2]的实验也得出了相似结论。
检测制度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光线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。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.0.TEKTOR”系统[3,4]，，该系统可在线检测振幅、振频、铸速、负滑脱时间等关键参数，传感器为专用的，原理不详。
本文通过自行设计的结晶器振动在线监测系统，对结晶器振动位移和相位差的在线检测、辨识、计算方法进行了详尽描述。其特点是检泓精度高、辨识可靠、计算方法简单、速度快，对板坯连铸机在不同的拉速工作状态均有良好的适应性。
1 检测系统的构成
如图l所示，该检测系统硬件由传感器系统、变送系统、采集系统和工控计算机系统组成。其主要功能是由传感器在线检测结晶器机械振动特征，经变送系统通过同步采集器同步采样，再对信号进行调理、滤波、A/D转换进入工控计算机。
1.1 传感器选型及安装位置
垂直方向的振动是结晶器的主振动，应考虑在所有可能频率下均能对振幅及相位进行准确测量。在结晶器振动台底面4角安装4个LVDT传感器以测量结晶器垂直振动位移(z1，z2，z3，z4)和振频，该位移是振动台相对机架的相对振动。水平振动位移选用DSP传感器，其中在振动台宽边(拉坯方向)设置2个检测点(X1，X2)、用以检测振动台及结晶器的径向运动偏差和水平面内是否发生转动。在振动台窄边设置1个检测点(Y)，用以检测振动台及结晶器的侧向运动偏差。
1.2 同步采集系统
采集系统不仅应具有精确的同步采集功能，以便对振动台4角的振动频率进行精确的相位偏差检测分析.还应具有可调的滤波功能和较宽的采集频带，滤除现场各种干扰信号，以适应在不同拉速下，对结晶器振动的不同频率辨识与相位计算的不同要求。因此选用美国10tech公司2块4通道带低通滤波器的同步采集
卡DBK45，每卡可为数据采集系统提供4个差分或单端输入的带低通滤波器的具有同步采样保持功能的模拟输入通道。该卡各通道之间采样时间差在50 ns以内，在振动频率最高时f=3 Hz(拉速为1.9 m/min)，首末通道间的相位存在着最大固有测量误差仅为
△θ<3×360×f×△t=3×360×3×50 ×1O-9=0.000162(°)
该精度能满足测量要求。A/D转换器选用了1块DaqBoards 112A型12位模数转换卡，可与DBK45直接连接，并符合工控机ISA总线标准，安插于工控机内。
2 结晶器振动位移和相位差在线检测与计算方法
对结晶器振动偏移和相位差的在线检测与计算，可随时反映板坯连铸机的运行状态;通过对它们的分析，可以了解结晶器振型随拉速而改变的规律，各项偏差与拉速的关系。并可判断传动系统磨损、导向系统偏差等设备故障。因此，软件设计要保证计算的实时性与精确性。
2.1 振动位移计算
结晶器振动台是按正弦函数曲线振动的，其频率与拉速成正比关系。振动峰值的理论值可由下式计算得到
A0i=A0·(R0-Li)/R0(mm) i=1，2
A0i=A0·(R0+Li)/R0(mm) i=3，4
其中，A0为中心线振幅(mm);R0为铸机的半径(m);Ll、L2为内弧测点Zl、Z2距中心线距离(m);L3、L4为外弧Z3、Z4距中心线的距离(m)。
直流滤波：实测振动峰值为z?，振动低谷值为Zimax，滤去由直流分量引起的曲线上下漂移，则实测振动峰值为
Ai=(Zimax-Zimin)/2 i=1-4
垂直振动偏移为
△Ai=Ai-Aoi i=1-4
水平窜动偏差值就是水平振动的振幅实测值，即
AXi=(Xmax-Xmin)/2 i=1，2
AY=(Ymax-Ymin)/2
交流滤波：为消除数据采集时可能出现的干扰信号，在软件设计中，对实测振动的高低峰值Zimax，Zimin，Ximax，Ximin，Ymax,Ymin采用了中值滤波法滤波。
2.2 频率辨识与计算
采用时域信号过零点判别法计算垂直振动的频率。设垂直方向Z的振动频率为f，振动周期为T，数据采集频率为F1，采集间隔△t，z相邻两次正变负(或负变正)之间的采集次数为n，如图2所示，则
f=1/T=l/(n·△t)=F1/n
实际上，振动频率是通过检测4角的振频取平均值得到的。具体程序为：
①优化采样点数，以减少采样点数，加快计算速度。取采样点数m=1.6T/△f=1.6Fl/fc，以保证采样曲线有两次正变负(或负变正)(上为初值可取振动
台的最小振频，以后由所测频率取代)。
采样值为：Zk(1)，Zk(2)，?，Zk(m)，k=1~4
②确定振动周期T的采样次数nk，即
当Zk(i)≤0，Zk(i+1)>0;Zk(J)≤0，Zk(j+1)>0时，得到nk=j—i(O≤i
或当Zk(i)≥0，Zk(i+1)<0;Zk(j)≥0，Zk(j+1)<0时，得到nk=j—i(O≤i
③计算4个测点振动频率fk=Fl/nk，k=1~4。
④取平均值f=Σfk/4;fc=f(为下次优化采样点数提供依据)。
2.3 相位差计算
所谓相位差计算，是将检测到的Z1，Z2，Z3，Z4之间过零点的时间差，换算成频率下的相位差。相位分析是结晶器振动分析的重要内容，不仅可直观地看到结晶器振动时的4角同步性误差，还可以分析结晶器及振动台的振型。
与计算振频类似，首先求出在采样频率F2时，Z1、Z2(i，j=1~4)两次过零点时的采样次数NI，nj,然后再求出Zj与Zi过零点的采样次数之差nij，如图3所示。
求解五相对于五(i，j=1~4)的相位差aij(°)的具体方法如下：
①取采样点数m=1.6T/△t=1.6F2/fc;
②取3次过零点采样次数ni(1)，ni(2)，ni(3)，i=l~4：
③△nij(k)=nj(k)-ni(k)，i、j=1~4;k=l~3，取△ni(k)的中值为nij;
④aij=360·f·nij·△t=360·f·nij/F2，显然，aji=-aij，aii=0，i、j=1~4。
2.4 关于采样频率
在实际软件设计中，检测振频和相位差的采样频率是不同的。在检测振频时，虽然其精度与采样频率有关，但对于结晶器振频在0.45~3 Hz的信号，采样频率F1在某个范围内已可保证检测的精度。F1取值太大将增多采样点，增加计算量，影响程序运行速度，对提高精度已不明显。在检测相位差时，检测频率F2对其的精度影响较大，采样频率F2高，相位差%的精度高。在F2固定时，相位差aij的分辨率与振频f有关，振频T高时分辨率低。一般取F2=(12～16)F1时较为理想。本系统振频在0.45～3 Hz时，相位差分辨率为0.02～0.135°。
2.5 在线记录
在板坯连铸过程中，监测系统始终对结晶器的振动状态在线检测，实时计算显示这些状态或状态曲线、打印、超差报警等，同时，检测系统每隔1 h对检测状态参数和振动曲线进行存储，为结晶器振动的工艺分析提供历史数据和生产报表。
3 运行效果
该软件系统对某钢厂1350板坯连铸机结晶器振动状态进行了测试，运行效果良好。主要有以下几方面：
①人机界面友好，软件操作方便;
②由于从软硬件两方面对信号采取了抗干扰措施，在较强的干扰下，如：大包回转台座包、天车经过情况下，系统运行稳定，具有较强的抗干扰能力;
③在线监测计算垂直方向Z1～Z4的振动偏移和相位误差，水平x，y方向窜动偏差等工艺参数;当以上各参数超差时，实现软件报警;还可显示和打印各测点的振动波形;
④存储并再现历史数据和振动波形;
⑤该软件对板坯连铸机在不同的拉速下均有良好的适应性。
表1 给出了不同拉速工况下的实测偏差。
【参考文献】
l Gilles H L and Forman B R Measurement of Slab Caster Mold Movement
Steelmaking Conference Proceeding,1991：219—232
2 Kite M J，Ozgu M.Bublizh M C and Emaus M Tri—Axial Mold Oscillation
Moaitoring System Steelmaking Conference Proceeding，1993：383—394
3 Mairy B.Ramelot D,Habay G.Dutrieux M，Dutrieux M，Nourieier M and Dellieu J Mould Oacillation Monitoring for Casting Optimization.Proceedings
from the 2nd Continous tH Casting Conference.1985.(59)：l-8
4比利时B Mairy等结晶器监测的长期发展第一届欧洲连铸会议译文集，1991
5叶仲超。结晶器监视技术的发展及应用.钢铁研究，1992.(3)
6陈志新，阎瑾。板坯结晶器与振动台振动特征分析冶金设备，2000，(3)
作者简介：陈志新，男.1956年生，副教授，主要从事计算机拉制、系统仿真和智能建筑镛域的研究。
