數字式測溫系統在銅合金爐上的應用與設計

數字式測溫系統在銅合金爐上的應用與設計

吳小淵

(銅陵金威銅業有限公司, 安徽 銅陵244000)

摘要：工頻爐及電源系統的冷卻水回路溫度檢測點多,傳統溫度傳感器布線多而繁雜,無法實現全面監控所有冷卻水回路的溫度.DS18B20數字式溫度傳感器采用單總線技術,只需一根總線,就能夠連接128個傳感器,解決了測溫線路繁雜而無法布線的問題.運用組態王軟件,采集并歸檔各測量點的溫度測量數據,根據其溫度變化趨勢分析,及時制定冷卻水回路的清理計劃,避免因電腐蝕而造成水路堵塞事故,在感應熔煉及感應加熱設備上具有參考價值.

關鍵詞：測溫系統; 溫度傳感器； 單總線; 銅合金爐

收稿日期：2014-11-18

作者簡介：吳小淵(1972—),男,工程師,主要從事中頻電源及電氣自動化應用的研究. E-mail:wxyxin@163.com

中圖分類號：TG 174

文獻標志碼：A

Abstract：The cooling water circuit of power frequency furnace and power supply system has a lot of temperature detecting points,the traditional temperature sensor wiring is more and more complicated,and can not realize the full monitoring of the temperature of the cooling water circuit.DS18B20 digital temperature sensor with single bus technology,just a bus,it is able to connect 128 sensors,solve the problem of the temperature measurement circuit is complex and can not wiring.Use kingview software,to collect and archive all temperature measurements.According to the temperature change trend analysis,cooling water circuits will be planned to clean up in time,avoid the water blockage accident caused by electrolytic corrosion,in the induction mealtime and induction heating equipment has the very big promotion value.

Keywords：temperature measurement system; temperature sensor; 1-wire bus; alloy furnace of copper

Application and Design of Digital Temperature Measurement System on Alloy Furnace of CopperWU Xiaoyuan

(Tongling JINVI Copper Co., Ltd., Tongling 244000, China)

0引言

大型感應電爐功率從幾百kW到數千kW不等,其功率元件發熱量大,對散熱效果要求較高,如線圈、水套、可控硅、電容器和電抗器等都用水冷,通常采用冷卻水封閉式循環.受高溫、水質變化等因素的影響,使用一段時間后水路會出現堵塞現象,尤其在有整流逆變電源的冷卻水回路中,直流電壓會對金屬管件產生電腐蝕效應,日積月累之后,管路進出的連接部位慢慢被腐蝕物堵塞,如不及時發現將燒壞功率元件,造成短路事故.為避免設備事故,傳統的做法有兩種:第一種在冷卻水回路的回水管路上安裝溫度開關,發生堵塞時水溫度升高引發溫度開關動作,發出報警信號提示或切斷電源.但這種情況出現時，往往是水路堵塞比較嚴重,功率元件可能已經不同程度受損;第二種是在每個回水管路安裝PT100傳感器,直接測量并在巡檢儀上顯示溫度,這樣能提前發現問題.但一套設備幾十個回路,需要電纜芯數近百根,現場布線難度較大而只測量部分回路的水溫.本文介紹一種數字式測溫傳感器DS18B20,采用單總線通訊方式,很方便地將幾十只溫度傳感器串行連接在一根總線上,解決了布線繁多庸腫的問題,這樣所有的冷卻水回路都可以測量水溫.通過組態軟件把各點的溫度數據采集進入工控機,電腦畫面實時顯示和歸檔各點溫度,生成歷史曲線可以查詢,形成一套完整的水溫監控系統.

1數字式溫度傳感器介紹

DS18B20是一種數字式溫度傳感器,結構如三極管形狀大小,只有3個引腳(電源-地-信號).它可以根據現場情況自行封裝,測溫范圍-55℃～+125℃,能滿足測量水溫的需要.內部方框圖如圖1所示.

該傳感器有3個主要部分組成:64位激光ROM、溫度靈敏元件和非易失性溫度報警觸發器.從圖1中可以看出,與外部的信息交換均經過DQ端實現.64位ROM和ROM操作控制部分允許DS18B20作為一個單線器件工作,并遵循1-wire協議.

1-wire總線是美國Dallas的一項專有技術,由一個總線主節點和多個從節點組成系統,通過一根信號線對從節點進行數據讀取.每一個符合1-wire協議的從節點都有一個唯一的地址,包括48位的序列號、8位的家族代碼和8位的CRC代碼.主節點對各從節點的尋址依據這64位不同代碼進行.1-wire總利用一根線實現雙向通信.因此其協議對時序的要求比較嚴格.1-wire單總線適用于單個主機系統,能夠控制一個或多個從機設備.所有的傳輸操作均由初始化序列開始,初始化序列由主機發出的復位脈沖和從機發出的在線應答脈沖組成.一旦主機檢測到應答脈沖,就可以發出ROM功能命令.所有的ROM操作命令長度為8位,操作命令有5種:Read ROM、Match ROM、Search ROM、Skip ROM和Alarm Search.執行了ROM命令之后,就可以讀取數據.

每個DS18B20均有48位不同的序列號,因此1-wire上可以同時接入多個DS18B20,外部處理器讀取相應的序列號即可讀取其溫度測量數據.

2測溫系統的構建

測溫系統由主要有4部分構成.即測溫元件、1-wire、外部處理器和PC存貯單元.

測溫元件:采用DS18B20溫度傳感器,防水封裝,電話水晶頭壓接.

1-wire:采用扁平式四芯電話線,只用其中三芯,用電話4P三通插接每個測溫元件.主要用于外部處理器與測溫元件的通訊鏈路.

外部處理器:采用長英科技LTM8000系列數字化模塊,用于處理對測溫元件的數據讀取以及PC機的信息交換.

PC存貯單元:采用工業PC機,具有RS232接口,并安裝組態王軟件,組態顯示畫面窗口,采集和歸檔每個測溫元件的溫度數據.

硬件系統配置如圖2.

2.1　LTM8000模塊

LTM8000系列智能模塊是數字化、網絡化探頭與上位機的紐帶,是現場測量的處理及轉發中心,對于DS18B20來說就是1-wire上的主機設備.上位機通過基于ASCII碼方式的通訊協議發布命令,對LTM8000系列智能模塊進行遠端控制.模塊通過RS485/232轉換器與PC機的RS232接口連接.大約由10個不同的命令組成,支持高級語言編程,提供DLL動態連接庫及多種組態軟件支持,這樣就可以在組態軟件中對模塊進行讀寫訪問,將其所采集的溫度數據傳輸給PC機.該模塊有自己的編程軟件,能夠配置通訊地址、波特率等參數,并且將每個溫度傳感器進行編址,以識別出每個溫度傳感器.

每個RS-485網絡可連接128個LTM8000系列模塊,最遠通訊距離可達1.2 km.每個LTM-8000模塊可組成8個1-wire網絡,每個網絡能帶8個傳感器,因此最多可安裝64個傳感器,實際使用中單個網絡最多可達32個傳感器.在使用V類網絡時可保證最遠測溫距離為200 m.

2.2　 組態王軟件

組態王軟件是一種開發監控的系統軟件,以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代統的封閉式系統.它是一款國產軟件,具有適應性強、開放性好以及易于擴展等優點,有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能.

選用組態王軟件,主要是因為該產品驅動支持LTM8000的ModbusRTU 通訊協議.KVModbusRtuEx是一個通用的ModbusRTU串口驅動程序,可以通過配置KVModbusRtuEx.ini來定制協議的打包規則.標準的ModbusRTU協議已經在文件中配置,用戶可以直接定義這種設備類型,而不需要修改ini配置文件.

組態王分為開發版和運行版,需要硬件授權方可正常使用.開發版用來組態一個完整的工程,主要分為圖形界面的設計、構造數據庫和建立動畫連接等.組態完成并測試后,使用運行版來運行組態的工程,通過畫面顯示,能實時觀察各點溫度數據,使用歷史曲線功能直觀地觀察溫度變化趨勢曲線.根據需要,可以設置溫度報警值,一旦傳感器溫度超過設定值,立即彈出報警畫面,提醒操作人員溫度異常需立即處理.如果與PLC配套使用,通過命令語言程序還可以將報警變量傳遞給PLC,直接切斷設備電源進行維修處理.

3實際應用

在900 kW銅合金有芯爐上,設計并應用了冷卻水溫度監控系統.該設備采用整流逆變方式調功電源,可控硅、電抗器、水冷線卷、水冷套及水冷電纜都采用水冷卻方式,冷卻水回路共計28條.

硬件配置:LTM8662模塊1只,DS18B20傳感器32只,研華610L工控機1臺.組態王軟件采用V6.5.1版本,128點授權.

為降低外部干擾,減少總線的分布數量,LTM8662模塊只搭建兩個總線網絡.電源水冷部分21只傳感器掛在一條1-wire上,爐體感應器部分7只傳感器掛在另一條1-wire上,這樣也可以避免相互干擾,在通訊異常時方便排查.

該設備控制系統采用西門S7-314 PLC,采用組態王作為上位機軟件,因此,只須將冷卻水路監控系統嵌入組態主畫面,作為一個子窗口調用即可.通過組態設置,當水溫超過60℃時,主畫面立即彈出報警窗口,并使PLC輸出命令斷開主電源開關.組態運行的冷卻水監控畫面如圖3所示.

4結論

該監控系統自投入使用以后,在設備維護保養中發揮了重要作用.操作人員能直觀看到每個回路的實際溫度,點檢人員通過查看溫度歷史曲線,根據各點溫度變化趨勢,及時制定水路清理計劃,運行中既未影響正常生產也未發生堵塞事故.在感應熔煉、感應加熱等大功率水冷設備上具有較高的推廣價值.

參考文獻:

[1]宋煥英.數字測溫技術在中頻爐上的應用[J].甘肅冶金,2009,31(4):101-102.

[2]王建，宋永昌.組態王軟件入門與典型應用[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]Dallas Semiconductor Corp,Data Book CD ROM[Z].1998.