同樸超，生斌，孫棟，劉俊，王盛交，羅文忠，任源

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

基于組態(tài)軟件和DS18B20的電弧爐電源溫度監(jiān)測系統(tǒng)

同樸超，生斌，孫棟，劉俊，王盛交，羅文忠，任源

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

本文介紹了以力控組態(tài)軟件Force control6.1為上位機平臺和數(shù)字溫度傳感器DS18B20為現(xiàn)場檢測器件的電弧爐電源溫度監(jiān)測系統(tǒng)。對系統(tǒng)方案設(shè)計、元器件選型、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)說明。在ALD 8t電弧爐上使用證明系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性等滿足實際要求。

電弧爐電源；組態(tài)軟件；DS18B20；溫度監(jiān)測

0 引言

目前鈦合金熔煉廣泛使用的德國進(jìn)口ALD電弧爐整流電源采用金屬雙簧片串聯(lián)作為溫度感應(yīng)器件來檢測整流元件溫度，其缺點在于只能提供關(guān)斷信號而不能提供準(zhǔn)確的溫度數(shù)值，不能提前預(yù)警。所以通過直觀監(jiān)測各整流元件及饋電系統(tǒng)的冷卻水溫度是一種最直接和有效的監(jiān)測方法。

本文提出采用由數(shù)字溫度傳感器DS18B20 進(jìn)行整流器件和饋電系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測，并由分布在現(xiàn)場的溫度采集模塊通過Modbus總線傳送至監(jiān)控計算機，利用力控Force control 6.1組態(tài)軟件為上位機平臺，對收集的溫度進(jìn)行在線分析處理，實現(xiàn)對電弧爐整流電源和電流饋送裝置的溫度監(jiān)測和超溫預(yù)警，有效地預(yù)防因整流電源故障造成損失。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

文中對西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司一臺ALD 8t 真空自耗電弧爐的兩臺整流電源和電流饋電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和實驗，設(shè)置1個主機和5個分布在不同位置現(xiàn)場采集模塊共34個溫度采集點，按需要對整流電源里面晶閘管、二極管、降壓變壓器及饋電系統(tǒng)的柔性水冷電纜冷卻水、電極桿冷卻水等進(jìn)行檢測。

系統(tǒng)由DS18B20溫度傳感器、溫度采集模塊、RS485轉(zhuǎn)USB模塊、PCI DI/DO板卡、監(jiān)控計算機、報警裝置組成。DS18B20 數(shù)字式傳感器讀取到溫度信號就近通過溫度采集模塊讀取后通過總線傳輸，經(jīng)接口芯片F(xiàn)T232RL 的作用將RS-485接口轉(zhuǎn)為USB接口，將數(shù)據(jù)傳輸給計算機，通過力控組態(tài)軟件編寫的上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、軟件濾波、溫度顯示。圖1為電弧爐電源溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 整流柜實時界面

1.1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器是美國DALLAS 公司生產(chǎn)的一種數(shù)字溫度傳感器，其具有傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、接口簡單等特點。溫度測量區(qū)間為-55～125℃，精度±0.5℃; 其使用的單總線結(jié)構(gòu)，僅需要一個接口就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無需外部A/D轉(zhuǎn)換，同時總線上一個傳感器發(fā)生故障不影響其它其它正常工作；可以在最大750 ms 以內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

1.2 溫度采集模塊

選用阿爾泰DAM-3601數(shù)字溫度采集模塊，其特點是支持8通道溫度采集（每通道最多支持16個DS18B20傳感器），采用工業(yè)24V供電、標(biāo)準(zhǔn)U型導(dǎo)軌安裝，通訊采用基于RS-485的帶光隔離的modbus協(xié)議，可以單獨設(shè)定模塊地址，通訊波特率從1200～19200kbps可調(diào)。

1.3 PCI板卡及RS485-USB

報警信號輸出和電源運行狀態(tài)信號的采集使用凌華7230PCI擴增卡，其提供16路光隔離數(shù)字量共陰輸入，16路光隔離數(shù)字量共陰輸出，采用達(dá)林頓輸出，開關(guān)頻率可達(dá)到20K,每通道可以達(dá)到200ma驅(qū)動能力，以驅(qū)動報警蜂鳴器和指示燈。

系統(tǒng)使用基于RS-485接口的Modbus通訊協(xié)議，為方便與計算機連接需將RS-485轉(zhuǎn)化為USB接口，為此選取FT232RL主控芯片，其優(yōu)點是驅(qū)動具有高兼容性可在大多數(shù)操作系統(tǒng)上虛擬成傳統(tǒng)的COM 端口，可使原來使用COM端口的應(yīng)用，便捷的使用USB接口。相較于PL2303芯片具有工業(yè)應(yīng)用傳輸穩(wěn)定性高、高速、寬溫區(qū)等特點。

1.4 抗干擾

由于整流柜工作時最大40KA的直流電會產(chǎn)生強電磁場環(huán)境同時晶閘管整流時會產(chǎn)生諧波擾動，溫度采集模塊和傳感器會受到很大的干擾，因此必須進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計。首先對于溫度傳感器采用金屬外殼封裝，通訊線采用屏蔽線并可靠接地，以保證傳感器工作正常和傳輸信號不受干擾。其次采用就近安裝采集模塊，縮短傳感器到模塊接線距離，防止傳感器受到電壓擾動，并將采集模塊放置在接地良好的金屬容器內(nèi)。另外各模塊接線時避免星形接線應(yīng)采用總線方式，并在兩端并聯(lián)120歐電阻。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

力控Force control6.1是一個基于windows環(huán)境下的、能對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測、處理和控制的專用軟件，以靈活多樣的“組態(tài)方式”提供良好的用戶開發(fā)界面和工程實現(xiàn)方法，同時可以可靠的和國內(nèi)各工業(yè)控制廠家的產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

2.1 通訊配置

使用力控的I/O manger進(jìn)行通訊配置，模式選擇莫迪康的Modbus RTU，波特率為和地址選取與模塊相同即可。利用DB manager組態(tài)各溫度模擬量和數(shù)字量量的數(shù)據(jù)庫，通過Modbus 03H功能碼建立每個點與溫度模塊通道的鏈接，即可完成配置。

2.2 人機交互界面

包括實時系統(tǒng)顯示、報警參數(shù)設(shè)定、趨勢曲線、報表、系統(tǒng)管理等界面。

2.2.1 實時狀態(tài)顯示

系統(tǒng)在主界面上模擬再現(xiàn)了實際電源結(jié)構(gòu)，并且通過采集電源運行信號動畫顯示模擬水流，可以實時的監(jiān)測所有溫度采集點數(shù)據(jù)。整流柜界面如圖2所示。

2.2.2 報警參數(shù)設(shè)置

由于每個溫度監(jiān)控點的報警溫度值要求不同，系統(tǒng)可以對每個溫度監(jiān)控點進(jìn)行上限報警和偏差報警進(jìn)行設(shè)置。報警結(jié)果在每一界面的下部顯示，同時通過 PCI板卡輸出到外部蜂鳴器發(fā)出聲光報警。每個采集模塊通訊狀態(tài)使用力控軟件所獨有的I/O狀態(tài)監(jiān)視功能進(jìn)行監(jiān)控，通過顏色變化在界面上進(jìn)行顯示。

2.2.3 趨勢曲線

結(jié)合力控的曲線控件，動態(tài)的顯示每個溫度點的實時變化，可以通過觀察實時曲線和歷史曲線每個數(shù)據(jù)的值以及某時間間隔的數(shù)據(jù)變化曲線，利用此功能可以分析長期溫度隨時間變化的規(guī)律，如圖3所示。

2.2.4 報表

利用力控的專家報表功能，調(diào)取存儲在數(shù)據(jù)庫中的溫度數(shù)據(jù)以類excel格式的表格的形式顯示出來，支持按日期時間進(jìn)行查詢，報表保存一年的歷史數(shù)據(jù)，并且可以導(dǎo)出Excel和txt格式文件用于數(shù)據(jù)分析。

2.2.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理可以切換用戶登錄賬戶，不同的賬戶具有不同的權(quán)限如修改報警設(shè)置，導(dǎo)出數(shù)據(jù)等。

2.3 腳本程序

力控的腳本程序是一種基于對象和事件的編程語言，語法采用類BASIC的結(jié)構(gòu)，通過對變量和函數(shù)操作，實現(xiàn)溫度采集處理、報警和報表查詢導(dǎo)出處理。

2.3.1 溫度采集及顯示

使用力控的周期循環(huán)控件，當(dāng)系統(tǒng)運行時每隔1000ms執(zhí)行一次，程序如下：

if yunxing.PV==1 then //開始熔煉顯示溫度賦給報表溫度

BBWD101.PV=XSWD101.PV;//1#整流柜

BBWD201.PV=XSWD201.PV;//2#整流柜

BBWD301.PV=XSWD301.PV;//大電流饋電系統(tǒng)

else

baojing1.PV=0;

baojing2.PV=0;//停止熔煉指示燈滅

end if

if IO2alarm==1 //通訊故障報警時溫度清0；

then

XSWD301.PV=0;

else

XSWD301.PV=DS301.PV*0.1;

end if

2.3.2 報表查詢

報表查詢主要執(zhí)行歷史數(shù)據(jù)的提取，以下按時間間隔進(jìn)行查詢歷史數(shù)據(jù)庫存儲的腳本程序：

If Time<>””then

#HisReport.SetTimeEx(LongTime(Time));

Time=””

end if

if Hour then

#HisReport.OffHour(Hour);

Hour=0;

end if

if days then

#HisReport.OffDay(days)；

Day=0;

end if

圖3 歷史曲線顯示

表1 1#整流柜二極管溫度

表2 陰極水冷電纜冷卻水溫度

if minute then

#HisReport.OffMinute(minute)；

minute=0;

end if

3 實驗及結(jié)果

為驗證本系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性和運行可靠性，在本公司的進(jìn)口ALD8t電弧爐上進(jìn)行了安裝。在整流電源直流輸出從0上升到30KA的時間內(nèi)，分別選取二極管和陰極水冷電纜冷卻水兩個典型溫度點，和紅外測溫槍和原有雙金屬溫度表的數(shù)值進(jìn)行比對，實驗結(jié)果見表1、2。實驗表明基于組態(tài)軟件的電弧爐電源溫度監(jiān)控系統(tǒng)，溫度測量準(zhǔn)確同時在強電磁干擾環(huán)境下可正常運行。

4 結(jié)語

經(jīng)過1年左右的運行表明，系統(tǒng)可實時采集和顯示電弧爐整流電源和饋電系統(tǒng)的多個溫度信號，溫度超溫或偏差時可及時報警，同時在電弧爐直流電源產(chǎn)生的強磁場下具備良好的工作穩(wěn)定性和抗干擾性，對保證生產(chǎn)正常進(jìn)行和設(shè)備的安全有著積極作用。

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[3]吳永貴.力控組態(tài)軟件應(yīng)用實踐[M].化工工業(yè)出版社，2013.

圖8 改進(jìn)后的稅花皮帶輸送裝置示意圖

3 結(jié)束語

YB517型盒外透明紙包裝機稅花皮帶改造后，能夠?qū)崿F(xiàn)運行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，使用效果良好，有效解決了稅花皮帶磨損過快，更換頻繁的問題?，F(xiàn)車間7臺ZB47包裝機組全部進(jìn)行安裝使用，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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1671-0711（2016）12（上）-0063-04