楊春杰，王文慶

（西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710121）

0 引言

回轉(zhuǎn)設(shè)備主要用于材料成型，是一種煅燒、焙燒或干燥粒狀及粉狀物料的熱工設(shè)備，為一長(zhǎng)的鋼質(zhì)圓筒，內(nèi)襯以耐火材料，爐體支承在數(shù)對(duì)托輪上，并具有3%～6%的傾斜度。爐體通過(guò)齒輪由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)緩慢旋轉(zhuǎn)。物料由較高的尾端加入，由較低的爐頭端卸出。

回轉(zhuǎn)設(shè)備在體積龐大、溫度高（一般在千度左右）、氣壓大（1000Pa左右），維護(hù)和檢修存在著巨大困難，如檢測(cè)手段不完備，會(huì)引起耐火層及爐體被燒穿的災(zāi)難性事故，從而導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓，同時(shí)，因?yàn)樵O(shè)備降溫及升溫速度慢，爐體內(nèi)維修復(fù)雜，檢修工期將很漫長(zhǎng)，會(huì)造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

回轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)存在著重大的技術(shù)難度，首先由于設(shè)備一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，不利于安裝傳感器等裝置，其次，回轉(zhuǎn)設(shè)備的輻射溫度特別高，在一米左右達(dá)到200度左右，大大超出了一般電子器件最高溫度極限，不能進(jìn)進(jìn)行近距檢測(cè)。

傳統(tǒng)的測(cè)量采用定時(shí)人工巡檢的方式，每天在一定的時(shí)間段內(nèi)，在較遠(yuǎn)的距離條件下，使用手持式紅外溫度儀對(duì)抽取若干個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)來(lái)源較為粗放，且有一定的盲目性。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

大型回轉(zhuǎn)設(shè)備一般用于能源領(lǐng)域，由于礦山所處的地理位置，其通信存在著一定的局限性，受地域約束性大，且回轉(zhuǎn)設(shè)備工作方式特殊，傳統(tǒng)測(cè)溫方法難以應(yīng)用，再有在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，回轉(zhuǎn)設(shè)備作為過(guò)程監(jiān)控的一部分，所有被測(cè)參量應(yīng)并入原有的以PLC為控制核心的控制系統(tǒng)中。

在工業(yè)的遠(yuǎn)近程通信中常用的通訊方式為電纜、光纖、無(wú)線和GPRS，其中無(wú)線信號(hào)可以突破地理限制并且布線相對(duì)靈活，并且有著相容性好及高速、低成本、低功耗的特點(diǎn)，信號(hào)質(zhì)量也逐步提高，已逐步應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，而GPRS可以通過(guò)無(wú)線的方式把信號(hào)并入到INTERNET網(wǎng)，適合遠(yuǎn)距離及B/S架構(gòu)數(shù)據(jù)采集控制控制系統(tǒng)。

本文提出了基于數(shù)傳電臺(tái)的回轉(zhuǎn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，其中回轉(zhuǎn)設(shè)備的紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)為主要研究對(duì)象。在監(jiān)控系統(tǒng)中，位于中央的功率高增益電臺(tái)將作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中樞，其應(yīng)安裝于地勢(shì)較高的位置，它可以和各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，接收各路信號(hào)，并可通過(guò)采集控制器并入到以PLC為控制核心的自動(dòng)化系統(tǒng)，此時(shí)可通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)，其也可以自成體系，直接和數(shù)字終端，如PC機(jī)相連，這時(shí)則需要相應(yīng)終端軟件支持。對(duì)于紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在把數(shù)據(jù)發(fā)往網(wǎng)絡(luò)中樞的同時(shí)，也可在本地設(shè)定一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，直接和紅外采集點(diǎn)進(jìn)行通信，及時(shí)獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行近距監(jiān)控。

所設(shè)計(jì)選用的數(shù)字?jǐn)?shù)傳電臺(tái)基于DSP技術(shù)，其運(yùn)行可靠，設(shè)置靈活，如其自帶電壓表、溫度計(jì)、功率計(jì)、場(chǎng)強(qiáng)干擾測(cè)試儀、軟RTU等功能，其速率可達(dá)19200bps，頻率穩(wěn)定可達(dá)+/-1.5ppm，其所要求的溫度及電源范圍較寬，如溫度可達(dá)-40℃～+70℃，且功率可調(diào)。其工作頻率為220M～240M，無(wú)線信號(hào)波長(zhǎng)較長(zhǎng)。在較好的工作條件下，當(dāng)功率5W并采用7dB全方位天線時(shí)，其傳輸距離大于10km。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

在以S7-300為控制核心的自動(dòng)化系統(tǒng)中，S7-300可使用CP34X系列串口擴(kuò)展板擴(kuò)展其通信功能，但同時(shí)存在著以下問(wèn)題，CP34X只支持ASCII碼傳送，所以其數(shù)據(jù)必須在通信兩端進(jìn)行再轉(zhuǎn)換，如果在無(wú)線信道中進(jìn)行傳送ASCII碼而不是十六進(jìn)制碼，其信道利用率會(huì)大大降低，而RTU一般使用十六進(jìn)行碼進(jìn)行通訊；其次，S7-300的模擬量模塊SM331與CP34X價(jià)格差距巨大，西門(mén)子PLC接口模塊都比較昂貴；再者，CP34X的使用則要求對(duì)原PLC程序進(jìn)行較大范圍改動(dòng)，其數(shù)據(jù)校驗(yàn)難度也較大，而在一般情況下，設(shè)計(jì)不希望對(duì)原系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成干涉，因此方案設(shè)計(jì)中選擇了在無(wú)線通信中使用十六進(jìn)制碼，并在PLC前端進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的方法，從而使設(shè)計(jì)方案易于集成到原來(lái)的自動(dòng)化系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件集成及設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思想為通信及信號(hào)處理的硬件骨干部分采用市場(chǎng)上具有較好資質(zhì)的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，而對(duì)數(shù)據(jù)核心數(shù)據(jù)處理及控制部分則自行設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，需要自行設(shè)計(jì)的硬件有兩部分，即紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)及采集控制器。

2.1 紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)在設(shè)計(jì)中包含七個(gè)部分，如圖2所示，即主控單元、云臺(tái)驅(qū)動(dòng)、紅外傳感器單元（兩個(gè)）、電源單元、指示單元、外圍接口單元及校正器。其中，云臺(tái)驅(qū)動(dòng)及紅外傳感單元共同連于Modbus總線。紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)外接口為RS485，通過(guò)此接口可以把數(shù)據(jù)傳至無(wú)線電臺(tái)。

圖2 紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)框圖

除部分電源外，其他單元都置于云臺(tái)驅(qū)動(dòng)腔體內(nèi)，其包括主控單元、驅(qū)動(dòng)、傳感單元等六個(gè)部分。兩個(gè)傳感器單元近距安裝，可以同時(shí)檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象的溫度及環(huán)境溫度，有一定的補(bǔ)償能力。云臺(tái)驅(qū)動(dòng)、傳感單元都掛在Modbus總線上，它們分別有各自地址，收到對(duì)應(yīng)命令方開(kāi)始動(dòng)作。

主控單元控制器采用NXP公司的LPC2132（ARM7）處理芯片，其較小的封裝和極低的功耗可使它理想地用于小型系統(tǒng)中。

電源單元較復(fù)雜，它需要為主控單元提供3.35VDC及5VDC，為云臺(tái)驅(qū)動(dòng)提供24VAC，紅外傳感單元提供12VDC，為外圍及接口單元提供220VAC，其目的為驅(qū)動(dòng)大功率聲光報(bào)警裝置。

因?yàn)闆](méi)有專(zhuān)用測(cè)溫云臺(tái)，所以設(shè)計(jì)中選用視頻監(jiān)控室外云臺(tái)并對(duì)控制部分進(jìn)行了改造，其防風(fēng)防雨，負(fù)載較大，水平自動(dòng)無(wú)限位，水平速度為達(dá)0～26°/S，且其地址碼可改變，很方便掛載到總線上，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

為縮小開(kāi)發(fā)周期，滿足苛刻的工業(yè)環(huán)境要求，紅外傳感單元選購(gòu)工業(yè)級(jí)的紅外測(cè)溫模塊，其由殼體、光學(xué)部件、專(zhuān)用集成電路和微控制器等組成，目標(biāo)測(cè)量范圍為-50°C～1500°C。要獲得準(zhǔn)確的溫度值，需確定正確的測(cè)距比，一般情況下，當(dāng)距離比越大時(shí)，所測(cè)溫度偏差較大，在紅外傳感器單元自我補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，還可以基于主控器對(duì)其進(jìn)行再次補(bǔ)償修正。

指示單元主要器件為紅色激光源，其與紅外傳感器器平行安裝，主要對(duì)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位觀察，當(dāng)預(yù)置點(diǎn)設(shè)置完成后，可關(guān)閉指示單元，當(dāng)需要重新設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，則再次開(kāi)啟指示單元。

外圍接口單元主要包括外圍輸入輸出器件與接口，如按鍵、LED、LCD、485接口等，其中，按鍵及LCD便于設(shè)備調(diào)試， 485接口為紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)通信接口，用于接收來(lái)自于無(wú)線電臺(tái)的采集命令，并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)給無(wú)線電臺(tái)。

校正器為紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)附屬儀器，以同頻特定協(xié)議與監(jiān)測(cè)點(diǎn)通信，它將結(jié)合監(jiān)測(cè)溫度、實(shí)測(cè)溫度及環(huán)境因素確定一個(gè)溫度補(bǔ)償系數(shù)，此系數(shù)將發(fā)送到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主控單元并寫(xiě)入數(shù)據(jù)flash，以輸出校正后溫度，當(dāng)環(huán)境溫度特征都有較明顯的變化時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行再次校正，因?yàn)槠渚徒鼫y(cè)量，功率很小。

2.2 采集控制器硬件設(shè)計(jì)

采集控制器為連接PLC過(guò)程控制系統(tǒng)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的樞紐，其設(shè)計(jì)功能主要為先根據(jù)自定義協(xié)議發(fā)依次向各個(gè)溫度采集點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，通道是否工作可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置。其次，采集控制器依次解析出各通道數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，輸入到PLC模擬量采集單元SM331，便于上位機(jī)軟件如WinCC的組態(tài)監(jiān)測(cè)。采集控制器的硬件框圖如圖3所示。

圖3 采集控制器框圖

設(shè)計(jì)中采集控制器為八通道。主控器采用LPC2131，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元選擇AD7228作為核心處理芯片，其它單元與紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)類(lèi)似。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括了五個(gè)部分，紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)程序、采集控制器、本地上位機(jī)、PLC及WinCC組態(tài)軟件的程序設(shè)計(jì)。

PLC程序只需根據(jù)系統(tǒng)分配給模擬量模塊的地址添加對(duì)多路模擬量采集，而WinCC組態(tài)軟件則對(duì)PLC中的相應(yīng)變量進(jìn)行采集顯示，其過(guò)程比較簡(jiǎn)單，這里將不再贅述。

3.1 紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)可自行根據(jù)設(shè)置采集所有預(yù)置點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)并打包，但只有接收到采集控制器的指令后才返回?cái)?shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)中，云臺(tái)有設(shè)置有六個(gè)預(yù)置點(diǎn)，云臺(tái)在這些點(diǎn)往返采集，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)采集數(shù)據(jù)誤差較大，因此當(dāng)云臺(tái)在預(yù)置點(diǎn)停止時(shí)，方采集溫度，并且需要一個(gè)小的時(shí)間延時(shí)，設(shè)計(jì)中云臺(tái)停止時(shí)間為1S。兩紅外傳感器采集溫度有遵循一定的時(shí)間順序，但總體上不會(huì)超過(guò)10ms。云臺(tái)到達(dá)程預(yù)置點(diǎn)后因?yàn)闆](méi)有相應(yīng)的回饋信號(hào)，所以，只能以定時(shí)的方式巡檢，其間隔設(shè)為3S，其大于預(yù)置點(diǎn)最大切換時(shí)間。程序的部分流程圖如圖4所示。

圖4 紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)程序流程圖

程序運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)判斷是否為本地控制，當(dāng)為本地控制時(shí)，則程序執(zhí)行手動(dòng)程序，此程序主要用于調(diào)試。在通常工業(yè)條件下，回轉(zhuǎn)設(shè)備一般一小時(shí)左右采集一次，所以程序只在設(shè)定時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)采集時(shí)，云臺(tái)的運(yùn)行路徑是從預(yù)置點(diǎn)1到預(yù)置點(diǎn)2，直到預(yù)置點(diǎn)6，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)置點(diǎn)6時(shí)，再返回預(yù)置點(diǎn)5，直到預(yù)置點(diǎn)1。傳感器單元1先開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，共采集十二次，完成后傳感器單元2開(kāi)始采集，采集后的數(shù)據(jù)則進(jìn)行中值數(shù)字濾波，兩傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算完成后進(jìn)行比較，當(dāng)其差值較大時(shí)，則進(jìn)行再次采集比對(duì)，如此三次，當(dāng)超過(guò)了設(shè)定值后則向監(jiān)控機(jī)返回異常信號(hào)。

當(dāng)溫度超限時(shí)，將啟動(dòng)本地聲光報(bào)警（交流）。

圖5 采集控制器程序流程圖

3.2 采集控制器程序

基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能采用傳統(tǒng)RTU數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送的方式，以避免數(shù)據(jù)沖突，采集控制器根據(jù)自定義協(xié)議采用輪詢的方式獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)據(jù)傳送時(shí)采用了CRC校驗(yàn)，當(dāng)校驗(yàn)正確時(shí)更新模擬量輸出，否則請(qǐng)求重發(fā)。其程序流程如圖所示5所示。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

在正常工作狀態(tài)下，上位機(jī)軟件只接收數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，因?yàn)樯衔粰C(jī)可操作性比較強(qiáng)，所以加入了部分調(diào)試功能，如數(shù)據(jù)采集，預(yù)置點(diǎn)設(shè)置等。

本地上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用Delphi開(kāi)發(fā)，其主要包括用戶操作模塊、監(jiān)控主模塊、預(yù)置點(diǎn)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊組成，數(shù)據(jù)庫(kù)采用通用的access數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)控主模塊畫(huà)面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控軟件

為便于調(diào)試，軟件主要包括串行口設(shè)置、云臺(tái)操作及數(shù)據(jù)采集三個(gè)部分，云臺(tái)可進(jìn)行手動(dòng)運(yùn)行或自動(dòng)運(yùn)行，手動(dòng)方式時(shí)，只采集單點(diǎn)傳感器所指向的溫度，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)則采集多個(gè)預(yù)置點(diǎn)溫度，用戶可通過(guò)復(fù)選框決定所采集數(shù)據(jù)是否寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)串口控件輸出，可連接到無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)或紅外監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為了取得直觀效果，監(jiān)控界面中，在數(shù)字顯示各點(diǎn)溫度的同時(shí)，在圖右側(cè)有溫度柱狀顯示圖，上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)時(shí)，也進(jìn)行了CRC校正。

4 結(jié)果及分析

由于紅外測(cè)溫是非接觸性的測(cè)量，同樣也會(huì)存在著各種誤差。測(cè)溫范圍越窄，精度就越高，測(cè)溫范圍過(guò)寬，會(huì)降低精度，尤其在低端測(cè)溫。其主要影響因素包括輻射率、距離系數(shù)及環(huán)境因素，而影響回轉(zhuǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫的主要因素為回轉(zhuǎn)設(shè)備的輻射率變化、粉塵及環(huán)境溫度等原因，而大型回轉(zhuǎn)設(shè)備均存在上述問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)采用大量有效數(shù)據(jù)求平均值的方法對(duì)誤差的進(jìn)行量化，每預(yù)置點(diǎn)在六十分鐘內(nèi)采集了600組數(shù)據(jù)，因?yàn)閰⒖紲囟群蜋z測(cè)溫度需分時(shí)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)測(cè)量，圖中選擇預(yù)置點(diǎn)1和預(yù)轉(zhuǎn)置2點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 上位機(jī)監(jiān)控軟件

由圖中預(yù)置點(diǎn)1和預(yù)置點(diǎn)2的溫度數(shù)據(jù)可知，檢測(cè)溫度與參考溫度有十多度的偏差，但就溫度的基準(zhǔn)及測(cè)量的距離考慮，這個(gè)偏差是可以接受的，而如果回轉(zhuǎn)設(shè)備出現(xiàn)了破爐故障，其溫度差值將呈數(shù)量級(jí)變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的大型設(shè)備回轉(zhuǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)方案能適用多種監(jiān)測(cè)環(huán)境，能有效降低人工成本，其檢測(cè)思想具有普遍性參考價(jià)值，基于雙點(diǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在太鋼集團(tuán)峨口鐵礦試運(yùn)行四個(gè)月，效果良好，目前系統(tǒng)還在進(jìn)一步優(yōu)化。

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