数字式测温系统在铜合金炉上的应用与设计

数字式测温系统在铜合金炉上的应用与设计

吴小渊

(铜陵金威铜业有限公司, 安徽 铜陵244000)

摘要：工频炉及电源系统的冷却水回路温度检测点多,传统温度传感器布线多而繁杂,无法实现全面监控所有冷却水回路的温度.DS18B20数字式温度传感器采用单总线技术,只需一根总线,就能够连接128个传感器,解决了测温线路繁杂而无法布线的问题.运用组态王软件,采集并归档各测量点的温度测量数据,根据其温度变化趋势分析,及时制定冷却水回路的清理计划,避免因电腐蚀而造成水路堵塞事故,在感应熔炼及感应加热设备上具有参考价值.

关键词：测温系统; 温度传感器； 单总线; 铜合金炉

收稿日期：2014-11-18

作者简介：吴小渊(1972—),男,工程师,主要从事中频电源及电气自动化应用的研究. E-mail:wxyxin@163.com

中图分类号：TG 174

文献标志码：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

大型感应电炉功率从几百kW到数千kW不等,其功率元件发热量大,对散热效果要求较高,如线圈、水套、可控硅、电容器和电抗器等都用水冷,通常采用冷却水封闭式循环.受高温、水质变化等因素的影响,使用一段时间后水路会出现堵塞现象,尤其在有整流逆变电源的冷却水回路中,直流电压会对金属管件产生电腐蚀效应,日积月累之后,管路进出的连接部位慢慢被腐蚀物堵塞,如不及时发现将烧坏功率元件,造成短路事故.为避免设备事故,传统的做法有两种:第一种在冷却水回路的回水管路上安装温度开关,发生堵塞时水温度升高引发温度开关动作,发出报警信号提示或切断电源.但这种情况出现时，往往是水路堵塞比较严重,功率元件可能已经不同程度受损;第二种是在每个回水管路安装PT100传感器,直接测量并在巡检仪上显示温度,这样能提前发现问题.但一套设备几十个回路,需要电缆芯数近百根,现场布线难度较大而只测量部分回路的水温.本文介绍一种数字式测温传感器DS18B20,采用单总线通讯方式,很方便地将几十只温度传感器串行连接在一根总线上,解决了布线繁多庸肿的问题,这样所有的冷却水回路都可以测量水温.通过组态软件把各点的温度数据采集进入工控机,电脑画面实时显示和归档各点温度,生成历史曲线可以查询,形成一套完整的水温监控系统.

1数字式温度传感器介绍

DS18B20是一种数字式温度传感器,结构如三极管形状大小,只有3个引脚(电源-地-信号).它可以根据现场情况自行封装,测温范围-55℃～+125℃,能满足测量水温的需要.内部方框图如图1所示.

该传感器有3个主要部分组成:64位激光ROM、温度灵敏元件和非易失性温度报警触发器.从图1中可以看出,与外部的信息交换均经过DQ端实现.64位ROM和ROM操作控制部分允许DS18B20作为一个单线器件工作,并遵循1-wire协议.

1-wire总线是美国Dallas的一项专有技术,由一个总线主节点和多个从节点组成系统,通过一根信号线对从节点进行数据读取.每一个符合1-wire协议的从节点都有一个唯一的地址,包括48位的序列号、8位的家族代码和8位的CRC代码.主节点对各从节点的寻址依据这64位不同代码进行.1-wire总利用一根线实现双向通信.因此其协议对时序的要求比较严格.1-wire单总线适用于单个主机系统,能够控制一个或多个从机设备.所有的传输操作均由初始化序列开始,初始化序列由主机发出的复位脉冲和从机发出的在线应答脉冲组成.一旦主机检测到应答脉冲,就可以发出ROM功能命令.所有的ROM操作命令长度为8位,操作命令有5种:Read ROM、Match ROM、Search ROM、Skip ROM和Alarm Search.执行了ROM命令之后,就可以读取数据.

每个DS18B20均有48位不同的序列号,因此1-wire上可以同时接入多个DS18B20,外部处理器读取相应的序列号即可读取其温度测量数据.

2测温系统的构建

测温系统由主要有4部分构成.即测温元件、1-wire、外部处理器和PC存贮单元.

测温元件:采用DS18B20温度传感器,防水封装,电话水晶头压接.

1-wire:采用扁平式四芯电话线,只用其中三芯,用电话4P三通插接每个测温元件.主要用于外部处理器与测温元件的通讯链路.

外部处理器:采用长英科技LTM8000系列数字化模块,用于处理对测温元件的数据读取以及PC机的信息交换.

PC存贮单元:采用工业PC机,具有RS232接口,并安装组态王软件,组态显示画面窗口,采集和归档每个测温元件的温度数据.

硬件系统配置如图2.

2.1　LTM8000模块

LTM8000系列智能模块是数字化、网络化探头与上位机的纽带,是现场测量的处理及转发中心,对于DS18B20来说就是1-wire上的主机设备.上位机通过基于ASCII码方式的通讯协议发布命令,对LTM8000系列智能模块进行远端控制.模块通过RS485/232转换器与PC机的RS232接口连接.大约由10个不同的命令组成,支持高级语言编程,提供DLL动态连接库及多种组态软件支持,这样就可以在组态软件中对模块进行读写访问,将其所采集的温度数据传输给PC机.该模块有自己的编程软件,能够配置通讯地址、波特率等参数,并且将每个温度传感器进行编址,以识别出每个温度传感器.

每个RS-485网络可连接128个LTM8000系列模块,最远通讯距离可达1.2 km.每个LTM-8000模块可组成8个1-wire网络,每个网络能带8个传感器,因此最多可安装64个传感器,实际使用中单个网络最多可达32个传感器.在使用V类网络时可保证最远测温距离为200 m.

2.2　 组态王软件

组态王软件是一种开发监控的系统软件,以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代统的封闭式系统.它是一款国产软件,具有适应性强、开放性好以及易于扩展等优点,有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能.

选用组态王软件,主要是因为该产品驱动支持LTM8000的ModbusRTU 通讯协议.KVModbusRtuEx是一个通用的ModbusRTU串口驱动程序,可以通过配置KVModbusRtuEx.ini来定制协议的打包规则.标准的ModbusRTU协议已经在文件中配置,用户可以直接定义这种设备类型,而不需要修改ini配置文件.

组态王分为开发版和运行版,需要硬件授权方可正常使用.开发版用来组态一个完整的工程,主要分为图形界面的设计、构造数据库和建立动画连接等.组态完成并测试后,使用运行版来运行组态的工程,通过画面显示,能实时观察各点温度数据,使用历史曲线功能直观地观察温度变化趋势曲线.根据需要,可以设置温度报警值,一旦传感器温度超过设定值,立即弹出报警画面,提醒操作人员温度异常需立即处理.如果与PLC配套使用,通过命令语言程序还可以将报警变量传递给PLC,直接切断设备电源进行维修处理.

3实际应用

在900 kW铜合金有芯炉上,设计并应用了冷却水温度监控系统.该设备采用整流逆变方式调功电源,可控硅、电抗器、水冷线卷、水冷套及水冷电缆都采用水冷却方式,冷却水回路共计28条.

硬件配置:LTM8662模块1只,DS18B20传感器32只,研华610L工控机1台.组态王软件采用V6.5.1版本,128点授权.

为降低外部干扰,减少总线的分布数量,LTM8662模块只搭建两个总线网络.电源水冷部分21只传感器挂在一条1-wire上,炉体感应器部分7只传感器挂在另一条1-wire上,这样也可以避免相互干扰,在通讯异常时方便排查.

该设备控制系统采用西门S7-314 PLC,采用组态王作为上位机软件,因此,只须将冷却水路监控系统嵌入组态主画面,作为一个子窗口调用即可.通过组态设置,当水温超过60℃时,主画面立即弹出报警窗口,并使PLC输出命令断开主电源开关.组态运行的冷却水监控画面如图3所示.

4结论

该监控系统自投入使用以后,在设备维护保养中发挥了重要作用.操作人员能直观看到每个回路的实际温度,点检人员通过查看温度历史曲线,根据各点温度变化趋势,及时制定水路清理计划,运行中既未影响正常生产也未发生堵塞事故.在感应熔炼、感应加热等大功率水冷设备上具有较高的推广价值.

参考文献:

[1]宋焕英.数字测温技术在中频炉上的应用[J].甘肃冶金,2009,31(4):101-102.

[2]王建，宋永昌.组态王软件入门与典型应用[M].北京：中国电力出版社，2004.

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