基于 GPRS 的连铸结晶器振动监测系统
摘要：结晶器是连铸工艺中最重要的部分之一。文章根据结晶器运行数据远程实时监测的要求，设计出了一种基于 GPRS 技术的无线结晶器智能监测系统。此系统充分利用了 GPRS 技术的无线传输、远距离，费用低、体积小等优势，并结合工控软件 LABVIEW 开发出上位机监控界面，实现远程监测结晶器振动状态及运行参数的修改。
关键词：连铸结晶器；数据采集；GPRS 技术；振动监测中图分类号：TF341.6 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0133-02.
0 引言
结晶器作为连铸机的“心脏”部位，对钢坯生产效率、质量及产量起着至关重要的作用。在工业现场存在高粉尘度、高温高湿等干扰，而且结晶器装置内部钢液液位检测通常使用放射性元素，会给工作人员带来不可预知的身体伤害，专家和检修人员也不应局限于工业现场，故而在不改变原来结晶器装置的基础上开发一套能够自动采集振动参数、无线传输、并进行远程监测的监测系统具有重大意义。
1 远程监测系统的功能概述
考虑到工业现场布线复杂，工作范围有限且存在不可预知的危害等因素，本系统采用无线传输方式进行振动参数的远程传输。基于 GPRS 无线传输技术的结晶器振动监测系统主要分为三部分：数据采集模块，数据传输模块和上位机分析模块。
1.1 无线通信
由于工厂设备分布不集中，采用有线通讯方式有较大局限性。GPRS 模块能实现无线传输，维护简单且建设周期短。
综合分析本系统的功能要求，选择型号为 G200 型 GPRS 模块作为本设计的通信模块。此 GPRS 模块为用户提供透明传输和格式传输两种传输模式，支持点对点、点对多等不同的通信系统。该模块在使用时不必关心模块射频电路、AT指令集和 TCP/IP 协议相关知识，无需固定 IP 地址和专用的驱动程序，使用方便且可靠，具有永久在线和低功耗工作等优点。
在整个系统中，主站 IP 地址是 GPRS 模块登录数据中心的关键，因此在使用 GPRS 模块前需对各个模块进行设置。首先装上 SIM 卡和天线，用 RS232 串口线与主机相连，然后上电运行软件对 G200 进行设置。根据模块的不同应用对模块进行不同参数设置。 1.2 采集电路分析采集电路主要由传感器、调理电路、Ａ/Ｄ转换器和主控制器组成。传感器获得结晶器振动的加速度信号，拉坯速度信号和液压振动台处的液压管道压力信号。其中最能反映结晶器振动状况的是加速度信号，因此对加速度信号的精度要求较高。需设计调理电路对采集的信号进行滤波放大除噪等处理。
1.2.1 控制器选择
此系统下位机部分的核心是基于 32 位 ARM Cortex-M3内核的 STM32F103XX 系列单片机，主要实现信息的采集和无线传输。其输入输出端口的工作电压为 3.3V，大程度减小了芯片的功耗；其内嵌的 12 位数模转换模块可实现 12 位精度的数模转换，因此该处理器适用于高性能、实时响应、低功耗的场合。此外，该芯片还集成了众多片内外设，丰富了处理器的功能，并简化了系统的设计。
1.2.2 调理电路
传感器在采集振动信号时，其中可能夹杂着不同的噪音 信号，因此需设计调理电路对信号进行处理后才能采集到控制器中进行处理。结晶器振动频率一般为 1-8hz 的低频振动，振幅在 10mm 内，因此信号进入 AD 转换前，需要通过滤波电路除掉不必要的高频信号和低频信号，根据振动要求设置了调理电路。电路如图 1 所示。
信号调理电路主要由高通滤波器和一个二阶低通滤波器串联组成。前面的高通滤波电路除了滤去高频干扰信号和其中的直流成分；后面串联的二阶低通滤波器是为了消除可能的电源波纹干扰。信号调理电路仿真结果如图 2、3所示。 由频率响应曲线看出调理电路实现了通带范围频率信号通过，滤除过高或者过低频率的信号的功能。图 3 中，黄色线代表正弦输入信号，绿色线代表调理过的输出信号。仿真结果表示输入信号频率在通带范围内时，信号通过且保持输入状态不变，而当输入 300hz 的信号时，利用低通滤波器的截止频率及幅值放大倍数算法得 A(f)=0.68。仿真结果表明信号调理电路符合要求。
由于交变信号的峰值超出了单片机的允许范围，还需要对交变信号进行衰减才能符合模数转换的输入范围。本系统中的A/D模数转换是由STM32F103 单片机集成的 12 为ADC模块完成。利用单片机集成的 ADC 模块，可以使硬件开发系统简单方便。
2 上位机软件分析
上位机部分主要是完成与 GPRS 模块通信、数据算法处理、显示及修改参数等。上位机分主要分为 GPRS 通信模块、数据采集模块、波形显示模块及存储模块、故障报警模块等几 个模块。
2.1 可视化功能
上位机是可视化的界面形式。在监控界面上可显示结晶器工作的实时振动状况，并可以通过修改参数控制结晶器的工作状态。该系统选择工控常用的 labview 软件来实现上位机的监控画面。
2.2 数据采集功能
上位机系统采用 VISA 读写串口的方式来进行数据的采集和命令的发送。VISA 是一个用于与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口，具有不受平台、环境和总线的限制且稳定可靠的优点。系统在读取数据前首先判断是否有数据进入缓冲区，然后判断其帧头帧尾是否正确，若果正确则进行下一步分析处理，如若不正确就舍弃此数据。
2.3 控制功能
系统的控制功能主要体现在控制各分站连铸机的启动、停止和机号选择等。连铸机的启停是通过结晶器振动状态来控制的。当结晶器振动异常时，首先确定异常机的编号，然后可将得到的控制命令与其他命令打包后存入局部变量中，通过串口键命令发送至对应的下位机。
2.4 报警监控功能
该系统上位机设计了故障报警功能。对于下位机故障或通信故障，系统采用信号灯来提醒工作人员。当工作人员发觉异常并按下异常确定按钮后，信号灯停止闪烁并保持亮的状态，上位机可向对应分站发出控制信号修改参数或停止工作，直到障解除后信号灯熄灭。
2.5 历史数据库
历史数据是分析和优化结晶器振动状态的重要参数。
因此，前面板的数据和发出的命令都会定时存储于数据库中。系统数据库采用 World 2003 表格来实现数据的存储，可以通过时间查询方式查询，以方便取出所需数据进一步分析。
3 结语
基于 GPRS 的连铸结晶器振动监测系统的研究，对结晶器振动状态研究和优化提供了重要数据依据。同时也为其他监测系统的设计提供了思路。
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作者简介：贾华（1962-），男，内蒙古包头人，硕士，副教授，研究方向为电力电子及运动控制；李白冰（1990-），女，硕士在读。
