基于LabVIEW的燒結礦豎式冷卻爐性能評價系統(tǒng)

陳建明，楊 旭

0 引言

隨著對鋼鐵行業(yè)的物質流網(wǎng)絡、能量流網(wǎng)絡以及物質流-能量流相互關系等多種過程模型認識和研究不斷深入，第二大耗能工序為燒結工序，主要包括鐵礦石燒結和燒結礦冷卻兩大過程。冷卻機作為燒結工序的主要余熱產生設備，內部主要發(fā)生熱燒結礦與冷卻氣體的對流換熱過程。其中，燒結礦冷卻廢氣平均溫度一般在100～400℃，屬于中、低溫范疇，其總量較大，是整個燒結工序中最為重要的余熱資源之一。因此，分析不同形式的燒結礦冷卻方式及效果，加強燒結冷卻過程的余熱回收，對于降低燒結工序能耗具有十分重要的意義[1-3]。針對某鋼廠設計的一種新型燒結礦豎式冷卻爐，本文通過設計一套節(jié)能測試裝置，通過測量一些必要的熱工參數(shù)，計算出部分性能指標，評價豎式冷卻爐的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)總體方案

利用傳感器采集冷卻爐運行時的熱工參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機，上位機軟件按照建立的能耗指標計算公式將數(shù)據(jù)處理后顯示在主界面上，并且將采集的數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)保存起來，提供給全流程耦合節(jié)能使用[4-5]。整個測試系統(tǒng)的工作原理為：利用分布在冷卻爐的傳感器采集必要的熱工參數(shù)，通過傳感器變送器和中繼器將信號傳送到數(shù)據(jù)采集卡，通過PC機上的數(shù)據(jù)采集卡驅動軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與PC機的通信。利用PC機上的Lab－VIEW軟件平臺設計信號調理電路，將信號轉換電路將電信號轉化為物理量。用LabVIEW軟件編程將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，將采集到的數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)實時顯示出來，并且保存起來。

2 硬件設計

2.1 確定測量物理量

根據(jù)建立的冷卻爐數(shù)學模型以及冷卻爐的具體結構，將性能指標公式分解，用可以測量的物理量表示出來，確定需要的物理量如表1所示，性能指標計算公式詳見公式（1）~（8）.

表1 采集的熱工參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

數(shù)據(jù)采集卡選擇研華數(shù)據(jù)采集卡USB-4750和USB-4718.

USB-4750是32通道帶隔離的數(shù)字I/O數(shù)據(jù)采集卡。USB-4718是8通道熱電偶輸入數(shù)據(jù)采集卡，分辨率為16 bit，輸入范圍為4~10mA，輸入精度為0.1%.USB-4750和USB-4718為USB接口，即插即用，無需其他設備支持。研華數(shù)據(jù)采集卡驅動軟件擁有完整的I/O函數(shù)庫，可以支持Visual C++、Visual Basic等常用的語言進行開發(fā)移植，具有很強的兼容性，方便上位機對其進行編程[6]。

3 軟件設計

軟件設計是測試系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用Lab－VIEW2015作為開發(fā)平臺，采用圖形化G語言編程，充分利用計算機的性能，快速處理數(shù)據(jù)[7]。

3.1 程序前面板設計

程序前面板包括三個部分，如圖1所示：

（1）圖1左側部分實時顯示采集到熱工參數(shù)模塊。圖1左側有燒結礦豎式冷卻爐結構示意圖，結構圖中顯示數(shù)據(jù)的位置就是采集數(shù)據(jù)的位置，可以直觀的觀測各個位置的熱工參數(shù)。

（2）在圖1右側為性能指標顯示界面。將實時測量得到的熱工參數(shù)代入到推導出的性能指標計算公式中，實時計算并且將性能指標分類顯示。在前面板的上方有選項卡，可以進入不同分類的性能指標圖形顯示界面。

圖1 性能測試軟件前面板

（3）數(shù)據(jù)存儲與顯示模塊在后面板后臺運行。測試軟件不單單是為了測試燒結礦豎式冷卻爐的性能，而且需要采集耦合節(jié)能需要的數(shù)據(jù)。

3.2 程序后面板設計

測試系統(tǒng)上位機軟件后面板主要由數(shù)據(jù)采集模塊、采樣控制模塊、電信號轉物理量模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)曲線顯示模塊、數(shù)據(jù)運算模塊組成。

3.3 數(shù)據(jù)采集與初步處理

用LabVIEW作為數(shù)據(jù)采集軟件平臺，必須要與硬件結合才能完成數(shù)據(jù)采集功能。本系統(tǒng)使用研華提供的DAQNavi軟件開發(fā)工具包來完成采集軟件和數(shù)據(jù)采集卡硬件的結合。

數(shù)據(jù)采集卡的通道不止一個，所以每次傳送給PC機的數(shù)據(jù)是所有通道的數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)處理前需要對數(shù)據(jù)采集卡傳送過來的數(shù)據(jù)進行解耦。由于數(shù)據(jù)采集傳送數(shù)據(jù)是以數(shù)組形式存儲的，所以只需將上位機接收到的數(shù)組按照通道數(shù)分解為不同數(shù)組，每個數(shù)組對應著數(shù)據(jù)采集卡各個通道采集到的數(shù)據(jù)。采集到數(shù)據(jù)后需要對數(shù)據(jù)進行簡單濾波處理。數(shù)據(jù)采集卡采集到的都為電信號，還需將電信號轉化為物理量。

3.4 數(shù)據(jù)處理模塊

根據(jù)燒結礦豎式冷卻爐結構建立的標數(shù)學模型推導出的性能指標部分公式如下所示。

燒結礦溫度火用：

鼓入空氣溫度火用：

冷卻廢氣溫度火用：

冷燒結礦溫度火用：

燒結礦顯熱：

鼓入空氣物理熱：

冷卻廢氣顯熱：

冷燒結礦顯熱：

4 系統(tǒng)功能測試

為了驗證性能評價系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，將傳感器信號接入數(shù)據(jù)采集卡，在上位機上運行測試系統(tǒng)進行測試。1000個數(shù)據(jù)為一個采樣周期，每次采樣后繼續(xù)自動采集數(shù)據(jù)，圖1為運行過程中的數(shù)據(jù)。

結果表明測試的性能指標與實際運行結果有一定的誤差。

5 結論

本文在虛擬儀器LabVIEW平臺上開發(fā)了一套可靠性強、使用簡單方便的冶金燒結數(shù)據(jù)采集以及性能評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了對某鋼鐵廠新型燒結礦豎式冷卻爐的實時評價系統(tǒng)，為新型燒結礦冷卻系統(tǒng)提供了測試平臺，并且為流程耦合技能提供了必要的數(shù)據(jù)支持。

[1]沈 勛，陳林根，夏少軍，等.豎罐式和環(huán)冷式燒結礦冷卻過程的數(shù)值模擬[J].中國科學：技術科學，2016，46（01）：36-45.

[2]楊 博，陳林根，沈 勛，等.我國燒結過程余熱資源回收利用現(xiàn)狀與案例分析[J].鋼鐵研究，2014，42（04）：54-57.

[3]劉 英，商孟濤.LabVIEW在鋼鐵企業(yè)自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究[J].煤炭技術，2013，32（05）：168-169.

[4]孫毅剛，何 進.基于LabVIEW的高精度多通道溫度測量系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2017（01）：96-100.

[5]劉 英，商孟濤.LabVIEW在鋼鐵企業(yè)自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究[J].煤炭技術，2013，32（05）：168-169.

[6]蔣永華，莫曉強，俞益鳴，等.基于USB的振動信號測試分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（12）：129-132.

[7]楊高科.LabVIEW虛擬儀器項目開發(fā)與管理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012．