劉志強(qiáng)，李富才，陳 凱，謝萬強(qiáng)，全基哲，陳孝明

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.寶鋼股份 研究院，上海201900）

冷軋機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)采集與報(bào)警判斷系統(tǒng)

劉志強(qiáng)1，李富才1，陳 凱1，謝萬強(qiáng)1，全基哲2，陳孝明2

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.寶鋼股份 研究院，上海201900）

冷軋機(jī)組軋鋼過程中，機(jī)架振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鋼板上產(chǎn)生振紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量?；诖?，開發(fā)了軋機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，以便在軋制過程中，當(dāng)冷軋鋼板出現(xiàn)振紋時(shí)及時(shí)報(bào)警并將報(bào)警位置等信息存儲(chǔ)。首先根據(jù)測(cè)試內(nèi)容，決定需要采集軋機(jī)振動(dòng)、軋制速度、軋制距離、剪切信號(hào)，然后搭建系統(tǒng)。在設(shè)置采樣參數(shù)及報(bào)警參數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)采集軋機(jī)機(jī)架振動(dòng)、軋制速度以及軋制距離信號(hào)，根據(jù)軋制速度將軋機(jī)振動(dòng)原始信號(hào)分頻段后統(tǒng)計(jì)與報(bào)警值比較，判斷其是否超標(biāo)，如果超標(biāo)，則記錄報(bào)警的機(jī)架、頻段以及始末位置。以鋼卷號(hào)命名每卷原始數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如果有報(bào)警則保存報(bào)警數(shù)據(jù)。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)軋機(jī)振動(dòng)狀況以及準(zhǔn)確做出報(bào)警判斷。

振動(dòng)與波；軋機(jī)振動(dòng)；數(shù)據(jù)采集；信號(hào)處理；報(bào)警判斷

軋機(jī)振動(dòng)是軋制過程中普遍存在的問題之一[1]，給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的問題。一般而言，帶鋼強(qiáng)度越高，材料硬度越大，軋制速度越快，軋制過程中振動(dòng)就越大[2]，而振動(dòng)的增加嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，最突出的表現(xiàn)是由軋機(jī)振動(dòng)引起的表面振動(dòng)紋，嚴(yán)重時(shí)甚至引起帶鋼等斷裂，對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)性以及其他方面帶來嚴(yán)重的不利影響。隨著汽車等行業(yè)產(chǎn)品的輕量化，材料強(qiáng)度提高與硬度增加，軋制產(chǎn)品的表面質(zhì)量要求提高，生產(chǎn)工藝的進(jìn)步以及社會(huì)需求的加大，軋制速度越來越快，軋機(jī)振動(dòng)問題就更加突出。

根據(jù)振動(dòng)的成因，可分為受迫振動(dòng)與自激振動(dòng)。受迫振動(dòng)，可以通過提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼、采取隔振與減振裝置等方式降低。軋機(jī)自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，按照振動(dòng)表現(xiàn)出來的現(xiàn)象可分為兩大類，軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與軋機(jī)垂直系統(tǒng)振動(dòng)[1，2，4]。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的成因比較多，傳動(dòng)部件缺陷[5]，外界干擾引起的沖擊[6]，軋輥打滑[7]，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流諧波形成的諧波轉(zhuǎn)矩及其反饋回路通過控制回路放大引起的振動(dòng)[8]，軸的不平衡與重力、慣性力耦合導(dǎo)致周期性振動(dòng)等。軋機(jī)垂直振動(dòng)原因也比較復(fù)雜，比如張力波動(dòng)[9]，乳化液穩(wěn)定性變化以及油膜失穩(wěn)[10]，結(jié)構(gòu)缺陷[11]等。軋機(jī)軋制速度加快以及連續(xù)作業(yè)，軋機(jī)垂直振動(dòng)的問題更加突出。軋機(jī)機(jī)組各個(gè)機(jī)架不是單獨(dú)工作，各機(jī)架振動(dòng)相互耦合，使得軋機(jī)振動(dòng)機(jī)理、原因更加復(fù)雜，冷軋機(jī)組振動(dòng)這個(gè)難題暫時(shí)難以徹底解決。

鑒于軋機(jī)振動(dòng)這個(gè)難題帶來很大的不利影響，成因比較復(fù)雜，目前難以徹底解決，所以對(duì)軋機(jī)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，通過在線實(shí)時(shí)分析判斷其是否報(bào)警，顯得尤為重要。軋機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，能夠降低成本，減少檢修、維修時(shí)間，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

本研究通過對(duì)軋機(jī)機(jī)架振動(dòng)、軋制速度、軋制距離以及剪切信號(hào)采集，根據(jù)軋制速度范圍，將每個(gè)機(jī)架振動(dòng)信號(hào)分成低頻、中頻與高頻三部分，分別統(tǒng)計(jì)其有效值，然后分別與設(shè)置的報(bào)警值比較大小以判斷是否報(bào)警，如果報(bào)警則提示報(bào)警，以及記錄出現(xiàn)報(bào)警的機(jī)架、頻段與始末位置。

1 系統(tǒng)搭建

VB.NET是微軟（Microsoft）公司.NET戰(zhàn)略計(jì)劃的重要組成部分，它一種為高效地生成類型安全應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的語言[12]。該語言能夠輕松實(shí)現(xiàn)多線程（Multi-Thread）技術(shù)、面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）技術(shù)、結(jié)構(gòu)化處理（Structured-handling）技術(shù)等[12]。鑒于VB.NET這些優(yōu)點(diǎn)，所以該系統(tǒng)基于它進(jìn)行開發(fā)。

首先分析系統(tǒng)需要采集數(shù)據(jù)所需要包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上尋找采集的方法，進(jìn)而基于VB.NET搭建系統(tǒng)。

1.1 采集數(shù)據(jù)內(nèi)容及方法

由于軋機(jī)振動(dòng)與軋制速度必然有聯(lián)系，系統(tǒng)除了需要對(duì)冷軋機(jī)組振動(dòng)信號(hào)采集以外，還必須對(duì)軋制速度進(jìn)行采集。為了獲得報(bào)警的起始于結(jié)束的準(zhǔn)確位置，還需以軋制過程中的冷卷鋼剪切為基準(zhǔn)，采集軋制距離信號(hào)與剪切信號(hào)。

（1）軋機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集

工業(yè)中常用的加速度傳感器主要有ICP型加速度傳感器[13]與壓電式加速度傳感器[14]等。ICP型加速度傳感器工作時(shí)需外界提供一個(gè)直流電源，輸出電壓范圍一般為±5V的電壓信號(hào)，這種標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)通常只能無衰減地傳輸較短的距離（一般在50 m以內(nèi)），不適合遠(yuǎn)距離輸出，而本系統(tǒng)中，機(jī)架與主控室的布線距離約150 m。壓電式加速度傳感器，輸出為電荷量，可以無衰減地傳輸較遠(yuǎn)的距離，通過數(shù)據(jù)采集器前端放置的電荷放大器將其傳感器輸出轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，從而解決遠(yuǎn)距離信號(hào)無失真的傳輸問題。本系統(tǒng)采用的是JF102加速度傳感器，其靈敏度為100 pC/g。傳感器靈敏度是固定的，而電荷放大器相關(guān)參數(shù)可人為設(shè)置，在設(shè)置電荷放大器的增益參數(shù)以及設(shè)置靈敏度參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)采集儀器采集電壓信號(hào)，根據(jù)式就可以反推軋機(jī)振動(dòng)的加速度大小。在電壓信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集儀器之前，用電荷放大器將高頻信號(hào)濾掉，以避免混疊，影響后續(xù)信號(hào)采集。

（2）軋制速度信號(hào)采集

5#機(jī)架與4#機(jī)架振動(dòng)對(duì)于冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，1#～3#機(jī)架對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響相對(duì)較小，所以只對(duì)5#機(jī)架與4#機(jī)架的軋制速度信號(hào)實(shí)時(shí)采集。通過傳感器將5#軋機(jī)與4#軋機(jī)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。軋機(jī)傳動(dòng)部件是固定的，即傳動(dòng)比是確定的，在忽略軋制過程中彈性滑動(dòng)的前提下，即可根據(jù)式(2)通過電流值轉(zhuǎn)化為軋制速度大小。

（3）軋制距離信號(hào)采集

軋制距離測(cè)量，是通過檢測(cè)5#機(jī)架附近板型輥編碼器產(chǎn)生的高低脈沖電平信號(hào)的上升沿來測(cè)量。每個(gè)脈沖信號(hào)代表固定的軋機(jī)距離，以上一冷卷鋼的剪切信號(hào)作為此冷卷鋼的軋制距離的零點(diǎn)，通過檢測(cè)脈沖上升沿個(gè)數(shù)即可得到軋制距離。

（4）剪切信號(hào)采集

剪切信號(hào)電路的狀態(tài)隨剪切刀具的狀態(tài)變化。軋制完一卷鋼剪切時(shí)，繼電器閉合，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集儀器信號(hào)為高電平；非剪切狀態(tài)時(shí)，繼電器斷開，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集儀器信號(hào)為低電平。通過檢測(cè)此脈沖信號(hào)判斷是否剪切以及產(chǎn)生新的鋼卷。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)采集方法選擇好后，搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

圖1所示。軋制過程中，熱卷鋼從1#軋機(jī)進(jìn)入，冷卷鋼成品從5#軋機(jī)出來。利用壓電式加速度傳感器采集軋機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷，經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓輸入給數(shù)據(jù)采集儀器。將5#與4#軋制速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)輸入給數(shù)據(jù)采集儀器。為了獲得報(bào)警始末位置，在5#機(jī)架附近，采集板型輥編碼器產(chǎn)生的高低脈沖信號(hào)，通過檢測(cè)此數(shù)字信號(hào)的上升沿測(cè)量軋制距離。軋制完一卷鋼，產(chǎn)生剪切脈沖信號(hào)，通過檢測(cè)此信號(hào)是否產(chǎn)生新的脈沖來判斷是否軋制完一卷冷卷鋼。軋制完一卷冷卷鋼，進(jìn)行剪切，保存數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫中獲得冷卷號(hào)以命名文件。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在前面的基礎(chǔ)上，基于VB.NET開發(fā)的系統(tǒng)，包含三個(gè)功能區(qū)域：菜單欄、顯示內(nèi)容選取區(qū)域與圖形顯示區(qū)域。菜單欄包含設(shè)置系統(tǒng)配置、采樣、顯示、報(bào)警等參數(shù)，顯示最近卷與當(dāng)前卷報(bào)警信息，以及采集數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)回放等功能。顯示內(nèi)容選擇區(qū)域包含切換實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容及歷史數(shù)據(jù)回放內(nèi)容。圖形顯示區(qū)域用于顯示實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)或者歷史數(shù)據(jù)。

2 采樣參數(shù)選擇

此系統(tǒng)是在線實(shí)時(shí)工作，并且軋機(jī)軋制速度可達(dá)到1 400 m/min，更先進(jìn)的軋機(jī)軋制速度可能更快，所以在采集過程中，數(shù)據(jù)除了要保證誤差較小，還得保證連續(xù)性，防止數(shù)據(jù)丟失，特別要避免產(chǎn)生累計(jì)誤差，否則每卷鋼的數(shù)據(jù)以及上一卷鋼與下一卷鋼之間的數(shù)據(jù)偏差可能隨著時(shí)間增加而不斷累加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)有效性不斷降低，甚至完全失效。在數(shù)據(jù)采集過程中，軋機(jī)振動(dòng)與軋制速度信號(hào)為模擬信號(hào)，在設(shè)置好采樣參數(shù)的基礎(chǔ)上，一幀一幀地采集，數(shù)據(jù)前后幀之間數(shù)據(jù)連續(xù)，以剪切信號(hào)為分界點(diǎn)，以追加的方式存儲(chǔ)在文件中，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

從本質(zhì)上講，帶鋼振動(dòng)紋是由軋機(jī)的顫振引起，最主要的就是高頻垂直振動(dòng)。對(duì)于軋機(jī)的正常高速軋制工作狀態(tài)下的高頻垂直振動(dòng)，有些國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其分為基頻、三倍頻振動(dòng)與五倍頻振動(dòng)[1,15，16]，它們范圍通常分別在40 Hz～100 Hz，180 Hz～360 Hz，500 Hz～700 Hz之間，它們都可能會(huì)導(dǎo)致帶鋼表面產(chǎn)生振動(dòng)紋?；l振動(dòng)影響相對(duì)較小，但可能會(huì)引起厚度不均與表面波動(dòng)。三倍頻振動(dòng)[1]具有突發(fā)的特征，通常在幾秒內(nèi)集聚大量能量，產(chǎn)生大幅振動(dòng)，常伴有嘯叫聲，易造成明顯的厚度不均，嚴(yán)重時(shí)甚至引起帶鋼斷裂，可通過急劇降速以緩解。五倍頻振動(dòng)[1]通常是一個(gè)漸進(jìn)過程，不是突發(fā)的，雖然不會(huì)引起明顯的厚度差，但會(huì)在帶鋼表面引起明顯的表面條紋，影響帶鋼表面質(zhì)量，由于它是漸進(jìn)發(fā)生，所以不易察覺，必須及時(shí)提醒報(bào)警，以防止惡化，造成較大損失。

根據(jù)Nyquist采樣定理，采樣頻率頻率要為信號(hào)最高頻率的兩倍以上時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)才能完整地保留了原始信號(hào)中的信息。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常采樣頻率為原始信號(hào)最高頻率的5—7倍，設(shè)置太高則計(jì)算量比較大，對(duì)電腦配置比較高，設(shè)置略大于或等于2.56倍，雖能夠分析出其頻譜特征，但對(duì)于信號(hào)的高頻部分得到的頻譜幅值與實(shí)際情況相差較大。采樣頻率提供三個(gè)選項(xiàng)，分別為2 560 Hz、3 072 Hz和5 120 Hz，既能覆蓋軋機(jī)振動(dòng)全部信息，且不是很大，對(duì)電腦配置要求也不是特別高。采樣點(diǎn)數(shù)直接決定采集的信號(hào)長(zhǎng)度，設(shè)置太低，顯示信號(hào)太短，得到的信息比較少；設(shè)置太高，計(jì)算量比較大，且圖像刷新比較慢。采樣點(diǎn)數(shù)提供1 024與2 048兩個(gè)選項(xiàng)，圖形顯示比較適中，且計(jì)算量也不是很大。采樣參數(shù)提供的選項(xiàng)不多，可以減少人為地選擇不合適的參數(shù)。

軋制距離信號(hào)與剪切信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，通過檢測(cè)脈沖上升沿來計(jì)數(shù)。以剪切信號(hào)為基礎(chǔ)，使用VB.NET自帶的timer控件，采用系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)，每隔1/18 s記錄當(dāng)前脈沖數(shù)目以及時(shí)間，這樣即使軋機(jī)處于最大軋制速度（1 400 m/min）時(shí)，軋機(jī)距離數(shù)據(jù)最大丟失約為1 m，且不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。

3 信號(hào)處理與報(bào)警判斷

采集信號(hào)后，5#與4#機(jī)架軋對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響，軋制速度比較快，根據(jù)其軋制速度進(jìn)行分頻處理，其余三個(gè)機(jī)架直接分頻處理，然后統(tǒng)計(jì)分頻后的各個(gè)機(jī)架、頻段信號(hào)，與報(bào)警值比較，判斷其是否報(bào)警，如果報(bào)警則記錄報(bào)警始末位置。

3.1 信號(hào)分頻

振動(dòng)信號(hào)進(jìn)入電荷放大器，在電荷放大器處設(shè)置低通濾波參數(shù)。為避免混疊，通道上限頻率應(yīng)小于采樣頻率的一半；同時(shí)為了獲取軋機(jī)振動(dòng)信息，通道上限頻率應(yīng)大于軋制振動(dòng)五倍頻的上限范圍。對(duì)于采集的信號(hào)，根據(jù)軋機(jī)處于不同的軋制速度范圍，即可知道軋機(jī)振動(dòng)各頻段范圍，將軋機(jī)振動(dòng)原始信號(hào)分成低頻、中頻與高頻，分別包含基頻、三倍頻與五倍頻振動(dòng)信號(hào)。將信號(hào)分頻的方法比較多，濾波[17]、小波變換[18]等，考慮到此系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線分頻，且各頻段范圍在不斷變換，計(jì)算量不能太大，所以選用濾波方法分頻。

理想帶通濾波器為

離散表達(dá)式為

其中ωl與ωh分別代表通帶下線與上限角頻率。

鑒于此系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)，且分頻范圍隨軋制速度變化而改變，即濾波范圍不斷改變，所以選用窗函數(shù)法進(jìn)行濾波分頻處理，該方法在程序設(shè)計(jì)方面比較簡(jiǎn)單，相位是線性的，算法總是穩(wěn)定的[19—21]。

窗函數(shù)不僅對(duì)時(shí)域信息產(chǎn)生影響，同樣對(duì)頻域信息也產(chǎn)生影響。使用窗函數(shù)對(duì)原信號(hào)截短，窗函數(shù)的主瓣與旁瓣情況產(chǎn)生直接的影響，主瓣的寬度直接影響截短后的信息的頻域分辨率，而旁瓣峰值可能湮沒頻譜分量中較小的成分。在選擇窗函數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量選擇主瓣較窄，旁瓣較小的窗函數(shù)[19—21]。

旁瓣的漸進(jìn)衰減速度直接也直接影響截短后的信號(hào)時(shí)域與頻域信息，選擇窗函數(shù)時(shí)應(yīng)盡量選擇旁瓣衰減較快的。除了滿足以上條件，窗函數(shù)還得是非負(fù)的實(shí)偶函數(shù)，關(guān)于對(duì)稱中心非遞增，F(xiàn)ourier變化后盡可能使正的，漸進(jìn)無偏的[19—21]。常見窗函數(shù)如表1所示，表中B、B0、A、D分別代表主瓣寬度、主瓣歸一化的幅值衰減到-3 dB的寬度、最大旁瓣幅值、旁瓣譜漸進(jìn)衰減速度。

對(duì)比幾種窗函數(shù)的特征參數(shù)，選用窗寬為100的漢明窗（Hamming-window），其主瓣較窄，主瓣歸一化幅值衰減到-3 dB的寬度也比較小，旁瓣最大幅值很小，其表達(dá)式如式所示，時(shí)域與歸一化頻域圖像如圖2所示。濾波算法如式所示。

其中x(n)，y(n)分別為濾波前后的信號(hào)，?代表卷積。

表1 窗函數(shù)及其特征

圖2 漢明窗時(shí)域圖形及頻域圖形

3.2 信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析

去除原始信號(hào)的直流偏量后，將信號(hào)分成低頻、中頻與高頻三組信號(hào)，分別代表基頻、三倍頻與五倍頻信號(hào)。5#與4#軋機(jī)處于不同的軋制速度區(qū)間范圍，低頻、中頻、高頻的分頻范圍也不同。將軋制速度分成5個(gè)區(qū)間，分別設(shè)置各個(gè)速度區(qū)間內(nèi)的低頻、中頻與高頻范圍進(jìn)行設(shè)置。

正常工作狀態(tài)下，軋制速度為1 045 m/min時(shí)，5#機(jī)架的振動(dòng)信息如圖3所示。由頻域圖像可得，在此軋制速度下振動(dòng)主要集中在30 Hz～80 Hz，180 Hz～300 Hz，550 Hz～700 Hz之間，分別對(duì)應(yīng)基頻振動(dòng)、三倍頻振動(dòng)、五倍頻振動(dòng)。

離線點(diǎn)的信號(hào)數(shù)值大小變化范圍很大，且易受外界干擾，并不能體現(xiàn)軋機(jī)振動(dòng)是否處于正常范圍內(nèi)，所以必須以一定時(shí)間范圍內(nèi)或者以一定長(zhǎng)度的信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析才能判斷其是否超出正常的范圍。本系統(tǒng)信號(hào)是以幀的形式采集，幀與幀之間信號(hào)連續(xù),一幀信號(hào)的長(zhǎng)度由采樣頻率域采樣點(diǎn)數(shù)共同決定。在統(tǒng)計(jì)分析過程中，對(duì)采集的每幀信號(hào)分頻濾波后統(tǒng)計(jì)分析。具體統(tǒng)計(jì)方式如式所示。

其中i=1,…5分別代表1#—5#機(jī)架，j=l，m，h分別代表低頻、中頻、高頻，ai,j,k代表原始信號(hào)濾波后的各通道、各頻段的值，代表各通道、頻段的有效值（即代表5#機(jī)架低頻有效值），N為采集的一幀數(shù)據(jù)信號(hào)點(diǎn)數(shù)。分頻之后的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)所得到有效值，以此作為判斷軋機(jī)振動(dòng)是否超標(biāo)。

圖3 5#機(jī)架振動(dòng)信息

圖3 （續(xù)）5#機(jī)架振動(dòng)信息

對(duì)于采集的每幀原始振動(dòng)數(shù)據(jù)，分頻后根據(jù)式(7)，統(tǒng)計(jì)采集的各幀數(shù)據(jù)中各機(jī)架、各頻段的振動(dòng)有效值。軋制的一卷振動(dòng)沒有超標(biāo)5#機(jī)架的統(tǒng)計(jì)信息圖像如圖4所示。軋制速度處于700 m/min～900 m/min時(shí)，低頻與中頻振動(dòng)有效值突增，如果是在此速度段內(nèi)，由于軋制速度引起的相互耦合導(dǎo)致振動(dòng)幅值突增，而且產(chǎn)品振動(dòng)紋在合格范圍內(nèi)，則應(yīng)將增加相應(yīng)機(jī)架該速度段內(nèi)修正系數(shù)，以減少誤報(bào)警。

3.3 報(bào)警判斷

5#機(jī)架與4#機(jī)架報(bào)警參數(shù)，需分別設(shè)置各頻段的參考值與參考次數(shù)，并且將軋制速度分成五段，分別為A檔以下、A檔與B檔之間、B檔與C檔之間、C檔與D檔之間以及D檔以上，設(shè)置每檔的速度范圍及報(bào)警修正系數(shù)，其中，參考次數(shù)為連續(xù)采集信號(hào)的幾幀數(shù)據(jù)的有效值大于對(duì)應(yīng)的報(bào)警值才提示報(bào)警，修正系數(shù)為根據(jù)其軋制速度對(duì)報(bào)警值進(jìn)行調(diào)整的參數(shù)，各機(jī)架、頻段的報(bào)警值為相應(yīng)的參考值與相應(yīng)的修正系數(shù)的乘積。軋制速度在A檔與B檔之間、B檔與C檔之間及C檔與D檔之間，軋制速度每隔20 m/min，修正系數(shù)線性插值，A檔以下以及D檔以上修正系數(shù)保持不變。

如果5#機(jī)架A檔速度為200 m/min，修正系數(shù)為0.4，B檔速度為400 m/min，修正系數(shù)為0.6，低頻、中頻、高頻的報(bào)警參考值分別為0.3、0.35、0.4，則速度在335 m/min時(shí)修正系數(shù)為0.54，低頻、中頻、高頻的報(bào)警值分別為0.163、0.189、0.216。如果參考次數(shù)分別設(shè)置為3、4、3，低頻連續(xù)3次、或中頻連續(xù)4次、或高頻連續(xù)3次超過報(bào)警值則報(bào)警。

1#機(jī)、2#與3#機(jī)架，軋制速度相對(duì)較慢，對(duì)產(chǎn)品最終質(zhì)量影響不是很大，所以不根據(jù)軋制速度分頻，而是各機(jī)架分別直接按照同一參數(shù)分為低頻、中頻、高頻三板斧，各機(jī)架、各頻段的報(bào)警值直接等于相應(yīng)的報(bào)警參考值，參考次數(shù)含義跟4#機(jī)架以及5#機(jī)架參考次數(shù)一致。

5#機(jī)架與4#機(jī)架的低頻、中頻、高頻范圍設(shè)置同對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)設(shè)置類似，根據(jù)在不同軋制速度區(qū)間內(nèi)基頻、三倍頻與五倍頻的頻率范圍進(jìn)行設(shè)置。1#、2#與3#機(jī)架軋制速度不大，對(duì)于產(chǎn)品的最終質(zhì)量的直接影響不是特別大，所以不根據(jù)軋制速度設(shè)置分頻以及報(bào)警修正系數(shù)。當(dāng)振動(dòng)超標(biāo)報(bào)警時(shí)，記錄報(bào)警始末位置并且發(fā)出報(bào)警聲，低頻、中頻、高頻的不同的報(bào)警聲音。具體的報(bào)警判斷及報(bào)警機(jī)架、頻段與始末位置記錄流程如圖5所示。

4 文件存儲(chǔ)

啟動(dòng)儀器時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)為上次關(guān)閉時(shí)的參數(shù)，當(dāng)軋制速度大于10 m/min且軋制距離大于10 m時(shí)，才認(rèn)為是處于軋制狀態(tài)，創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)文件，以追加的形式往里邊寫入數(shù)據(jù)，否則處于非軋制狀態(tài)。剪切時(shí)，停止將數(shù)據(jù)寫入文件并關(guān)閉文件，并創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)文件，以追加的形式往里邊寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)軋制速度小于5 m/min或者20 s內(nèi)軋制距離小于10 m時(shí)，就認(rèn)為已處于非軋制狀態(tài)，停止將數(shù)據(jù)寫入文件并關(guān)閉文件。建立的軋制狀態(tài)判斷機(jī)制，可以避免產(chǎn)生無效的數(shù)據(jù)，減少用戶查詢的不便。

圖4 5#機(jī)架振動(dòng)統(tǒng)計(jì)信息及報(bào)警值

在設(shè)置的存儲(chǔ)的路徑下，以當(dāng)前天的時(shí)間命名方式，形式如20140310，自動(dòng)建立文件夾，里邊再建立兩個(gè)子文件夾，分別包含原始數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每個(gè)文件夾里包含一天的數(shù)據(jù)，以方便查閱數(shù)據(jù)文件。將文件創(chuàng)建時(shí)刻格式化為長(zhǎng)度為14的字符串命名文件，形式如20140315093548，以追加的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。獲得剪切信號(hào)后，停止往此卷鋼數(shù)據(jù)文件寫入數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建新一卷鋼的數(shù)據(jù)文件，從數(shù)據(jù)庫中取得冷卷號(hào)，然后重命名為冷卷號(hào)。以此方式，主要基于以下兩原因：

1）可以保證文件命名的唯一性，而且方便檢索；

2）占用電腦內(nèi)存比較小，只需要在緩存中保存略大于一幀地?cái)?shù)據(jù)，而不需要將采集的整卷鋼數(shù)據(jù)保存在緩存中，導(dǎo)致電腦運(yùn)行緩慢，甚至導(dǎo)致崩潰。

原始數(shù)據(jù)默認(rèn)存儲(chǔ)為二進(jìn)制文件，主要有以下三方面的原因：

1）相同的內(nèi)容二進(jìn)制文件存儲(chǔ)、打開所需要的時(shí)間短；

2）所占的存儲(chǔ)空間小以及存儲(chǔ)、打開過程中所占的內(nèi)存??；

3）二進(jìn)制文件在一定程度上可以自動(dòng)加密，如果不知道文件中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容的方式，一般無法直接打開文件查閱數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)運(yùn)行，數(shù)據(jù)量非常大。如果保存為文本文件，不到一個(gè)月就會(huì)產(chǎn)生1TB的數(shù)據(jù)，而軋機(jī)車間通常需要將數(shù)據(jù)保存3個(gè)月甚至更長(zhǎng)。而二進(jìn)制文件是各種存儲(chǔ)格式中，占硬盤空間比較小，不到文本文件大小的1/4，1TB的硬盤可存儲(chǔ)4個(gè)月以上的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)能夠在線監(jiān)控冷軋機(jī)組振動(dòng)狀況，根據(jù)軋機(jī)的軋制速度，將5#機(jī)架與4#機(jī)架振動(dòng)信號(hào)通過濾波分成低頻、中頻、高頻成分然后分別統(tǒng)計(jì)，以及獲得相應(yīng)的報(bào)警值，然后對(duì)應(yīng)的量進(jìn)行比較大小，其余三個(gè)機(jī)架直接分頻并統(tǒng)計(jì)后，直接與對(duì)應(yīng)的報(bào)警值比較大小，判斷其是否報(bào)警。如果報(bào)警則提示報(bào)警，并記錄相應(yīng)的機(jī)架、頻段、始末位置。出現(xiàn)報(bào)警時(shí)適當(dāng)降低軋制速度；對(duì)于易發(fā)生振動(dòng)的材料，在軋機(jī)振動(dòng)未達(dá)到報(bào)警值時(shí)，可以此為依據(jù)提高軋制速度，實(shí)現(xiàn)在保證質(zhì)量的前提下提高生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)運(yùn)行，工作穩(wěn)定，報(bào)警準(zhǔn)確度高，減少檢修、維修成本，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

[1]侯福祥，張杰，曹建國(guó)，等.帶鋼冷軋機(jī)振動(dòng)問題的研究進(jìn)展及評(píng)述[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007，19(10)：6-10.

圖5 報(bào)警流程

[2]楊其俊，連家創(chuàng).高速冷帶軋機(jī)垂直自激振動(dòng)穩(wěn)定性分析的數(shù)值計(jì)算方法[J].振動(dòng)與沖擊，1996，15(3)：16-21.

[3]楊旭，童朝南，孟建基.冷板帶軋機(jī)含振動(dòng)因素的軋制力模型[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2010，30(4)：422-428.

[4]唐華平，鐘掘.單輥驅(qū)動(dòng)軋機(jī)水平自激振動(dòng)定性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（8）：55-59.

[5]鄒家祥，徐樂江.冷連軋機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

[6]劉浩然，張業(yè)寬，李曉梅，等.軋機(jī)非線性傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊扭振的研究與抑制[J].振動(dòng)與沖擊，2010，29(7)：179-183.

[7]王章海，王德俊.打滑狀態(tài)下軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，1998，19(5)：520-523.

[8]趙弘，白晶.軋機(jī)振動(dòng)及非線性分析[J].機(jī)械，2003，30 (5)：16-19.

[9]李海亮.冷軋卷取機(jī)振動(dòng)及張力分布的研究[D].燕山大學(xué)，2008.

[10]王橋醫(yī)，黃海軍，李志華.金屬塑性加工工作界面非穩(wěn)態(tài)潤(rùn)滑軋機(jī)振動(dòng)控制[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，2010，41(4)：1418-1423.

[11]王夢(mèng)魁.多維振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的實(shí)踐[J].裝備環(huán)境工程，2005(3)：22-25.

[12]廖崇琦，侯春萍.基于VB.NET的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī)，2007，27(6)：54-56.

[13]周敬然.加速度傳感器ICP關(guān)鍵制作工藝及檢測(cè)電路的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

[14]陸兆峰，秦旻，陳禾，等.壓電式加速度傳感器在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(7)：3-4.

[15]Farley T.23 Cold-Rolling on Productivity Mill and Vibration Product and Quality Its Impact[J].Flat-Rolled Steel Processes:Advanced Technologies,2010∶255.

[16]楊 旭，童朝南.板帶軋機(jī)振動(dòng)問題研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2009，21(11)：1-4.

[17]續(xù)秀忠，張志誼.基于時(shí)頻濾波的時(shí)變模態(tài)分解方法[J].噪聲與振動(dòng)控制，2006，25(5)：15-17.

[18]任學(xué)平，馬文生，楊文志，等.基于小波包分析的減速機(jī)故障診斷研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2008，28(5)：73-76.

[19]陳奎孚，張森文.對(duì)稱窗函數(shù)的幅值譜特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15(1)：36-40.

[20]毛青春，徐分亮.窗函數(shù)及其應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)，2007，7 (2)：230.

[21]胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Vibration DataAcquisition andAlarm Judgment System of Cold-rolling Mills

LIU Zhi-qiang1,LI Fu-cai1,CHENKai1, XIE Wan-qiang1,QUAN Ji-zhe2,CHEN Xiao-ming2

(1.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China;2.Baosteel Research Institute,Shanghai 201900,China)

∶In the process of cold-rolling,vibration of the mills can cause vibration marks on the steel sheets which will lower the quality of products.Therefore,a vibration monitoring and alarm system for cold-rolling mills is developed.When the vibration marks occur in the cold-rolling process,the system will alarm timely and record the positions of the vibration marks.First of all,according to the purpose of testing,the necessary vibration data,rolling-speed data,rolling-distance data and cut information are chosen.Then,the system is built and installed.After setting the sampling and alarm parameters,the system acquires vibration data,rolling-speed data and rolling-distance data.According to the rolling-speed data,the original vibration data is divided into three parts∶low frequency part,middle frequency part and high frequency part.Then,results of the three parts are compared with their corresponding alarm data to judge whether the vibrations exceed the standard.If the vibration of some machines in some frequency range exceeds the standard,the system will record the alarm data,which includes the machine number,frequency range and position.The original data and statistical data files are named after the steel-roll numbers.It saves the alarm data if the alarm happens.Through a long time testing,the system can monitor vibration state of the cold-rolling machines effectively and give exact alarm judgments.

∶vibration and wave;cold-rolling set vibration;data acquisition;signal processing;alarm judgment

TH113.1< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.050

1006-1355(2014)06-0225-07

2014-04-28

科技部863計(jì)劃（2012AA040106）；

國(guó)家自然科學(xué)基金（11372179）；

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才(NCET-13-0363)

劉志強(qiáng)（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，信號(hào)處理。

李富才（1971-），男，副教授，博士生導(dǎo)師。

E-mail∶fcli@sjtu.edu.cn