中頻感應(yīng)爐數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、文章編號(hào):10019944(2010107003705中頻感應(yīng)爐數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)李哲.吳玉香(1.華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,廣州510641摘要:針對(duì)中頻感應(yīng)爐.設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于PC和DSP的中頻感應(yīng)爐數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。主要分為兩部分:數(shù)據(jù)采集卡和上住機(jī)軟件?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和虛擬儀表顯示.運(yùn)行狀態(tài)跟蹤,數(shù)據(jù)異常的識(shí)別和處理,并具有tLS一232、以太網(wǎng)、eCAN總線3種通信功能。該系統(tǒng)能完全脫離主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行?？刹杉膮?shù)包括三相電壓和電流、無(wú)功功率、有功功率、功率因數(shù)、頻率以及冷卻水溫度和壓力。系統(tǒng)創(chuàng)新引入了電能計(jì)量芯片SA9904B作為電量采集模塊的核心.并對(duì)其應(yīng)用電路進(jìn)行改

2、進(jìn)。微控制器采用TI公司的TMS320F2812。關(guān)鍵詞:中頻感應(yīng)爐;數(shù)據(jù)采集;監(jiān)控系統(tǒng);SA9904B中圖分類(lèi)號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADesign of Data Acquisition and Monitoring Control System for Medium Fre-quency Induction FurnaceLI Zhe。WU Yu.xiang(College of Automation,South China University of Technology,Guangzhou 510641,ChinaAbstract:This paper introduces a d

3、ata acquisition and monitoring system based on personal computer and distal signalprocessor for medium frequency induction furnace.System into two parts,and it is composed of data acquisition board and PC softwale.The functions of this system involve data acquisition,storage and virtual instrument d

4、isplay,work statetracking,data abnormity recognition andmanagement,and have three kinds of communication mode include RS-232, Ethernet and eCAN Bus.This system Call work independently without the host computer.The parameters which are able to be detected include three phase voltage and current,activ

5、e and reactive energy,power factor and frequency,temperature and pressure of cooling water.The innovation isusing the chip called SA9904B as the core of the parameter collec-tion module,and improving the application circuit of it.TMS320F2812of TI Company is adopted as MCU. Key wordsmedium frequency

6、induction furnace;data acquisition;monitoring control system;SA9904B感應(yīng)爐是利用電磁感應(yīng)原理.使處于交變磁場(chǎng) 中的金屬材料內(nèi)部感應(yīng)電流.把材料加熱直至熔化 的一種電熱設(shè)備。通常,習(xí)慣將頻率高于50Hz、小 于10kHz的稱(chēng)為中頻感應(yīng)爐。它在各種金屬及其合 金的熔煉、透熱以及熱處理方面都得到廣泛應(yīng)用。 在感應(yīng)加熱技術(shù)誕生之前.都是使用火焰爐或電阻 爐加熱金屬和非金屬。與之相比.中頻感應(yīng)爐具有 加熱快、鐵損少、效率高、節(jié)約能耗、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化等優(yōu)點(diǎn)。溫家寶總理在2007年全國(guó)節(jié)能減排工 作會(huì)議上指出“淘汰落后產(chǎn)能是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目

7、標(biāo) 的重要手段”。要大力淘汰能耗高、污染環(huán)境的落后 工藝、設(shè)備與技術(shù),加快產(chǎn)能技術(shù)的開(kāi)發(fā),大力推 廣、應(yīng)用節(jié)能、環(huán)保的新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)與新 產(chǎn)品21。收稿日期:2010-0421:修訂日期:20100429基金項(xiàng)目:科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(09C26214412155作者簡(jiǎn)介:李哲(1986一,男,碩士研究生,研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)采集與處理、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、智能控制應(yīng)用;吳玉香(1968一, 女,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榉蔷€性控制、智能控制及應(yīng)用。自動(dòng)鈀與儀表2010(7 團(tuán) 萬(wàn)方數(shù)據(jù)霸融籌機(jī)應(yīng)用w通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地考察發(fā)現(xiàn).許多中小企業(yè) 的中頻感應(yīng)爐生產(chǎn)技術(shù)比較落后.缺少配套

8、的監(jiān)控 設(shè)備和保護(hù)措施。比如被測(cè)參數(shù)依然采用機(jī)械儀表 來(lái)顯示:水冷系統(tǒng)沒(méi)有相應(yīng)的預(yù)警和缺水保護(hù)等。 數(shù)據(jù)記錄和安全監(jiān)控主要依靠人來(lái)完成.急需改 進(jìn)。要想提高設(shè)備的自動(dòng)化水平,離不開(kāi)數(shù)據(jù)采集 和處理技術(shù)。數(shù)據(jù)采集是獲取信息的重要手段,在 科學(xué)研究.生產(chǎn)過(guò)程等領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作 用。本文介紹的中頻感應(yīng)爐數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng) 正是數(shù)據(jù)采集技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與工作原理1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件部分主要由一塊數(shù)據(jù)采集板外加一 臺(tái)普通PC機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集卡包括以電能計(jì)量芯 片(SA9904B為核心的電量采集電路、冷卻水溫度 和壓力檢測(cè)電路、DSP、時(shí)鐘電路、JTAG接口電路、 報(bào)警

9、電路、串行通信電路、eCAN總線通信電路、以 太網(wǎng)通信電路以及電源電路等。其中。以太網(wǎng)通信 電路由串口B和RS一232轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊ZNE一 100TL組成4】。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中, 溫度傳感器選用性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛的NTC(nega. tive temperature coefficient.負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻; 壓力檢測(cè)部分選用壓阻式壓力傳感器。由于數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)在監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中,而 且TMS320F2812自帶16通道12位A/D轉(zhuǎn)換能夠 滿足精度需求.所以不需要擴(kuò)展高精度A/D轉(zhuǎn)換芯 片和外部存儲(chǔ)器。圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1Hardware structure of th

10、e system1.2系統(tǒng)工作原理三相電壓和電流信號(hào)通過(guò)電壓互感器(voltage sensing和電流互感器(current sensing轉(zhuǎn)換后進(jìn)入 SA9904B。DSP通過(guò)串行外設(shè)接口(SPI定時(shí)接收 SA9904B上傳的四項(xiàng)電參數(shù),結(jié)合相應(yīng)算法.求得 實(shí)際的測(cè)量值。然后將測(cè)量值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。 判斷電路是否出現(xiàn)異常狀況。同時(shí).DSP將通過(guò)事件 中斷的方式處理A/D轉(zhuǎn)換通道采集的溫度和壓力 信號(hào),并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)2.1電能采集模塊2.1.1電能計(jì)量芯片SA9904B電能計(jì)量芯片SA9904B為混合模擬/數(shù)字信號(hào) 的CMOS集成電路。內(nèi)部含有兩個(gè)16位

11、二階的三一 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器.分別對(duì)電壓和電流模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù) 字化處理。為了提高輸入信號(hào)的測(cè)量精度.SA9904B 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了一調(diào)制技術(shù).以提高其在基 帶內(nèi)輸人信號(hào)的信噪比5。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。 該芯片只能測(cè)量有功電能值、無(wú)功電能值、電壓有效 值和頻率值.其它的電參數(shù)可通過(guò)這四個(gè)基本電參 數(shù)值換算得出。圖2SA9904B內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2Inner structure of SA9904BVDD接電源正極.當(dāng)使用電流互感器時(shí).接+5V 電壓;VSS接電源負(fù)極,當(dāng)使用電流互感器時(shí)。接0V 電壓;IVPl、IVP2、IVP3分別是1、2、3相的模擬電壓 輸入端,當(dāng)要測(cè)量的電壓為額定電壓時(shí)

12、,要保證輸入 到芯片上電壓A/D轉(zhuǎn)換器的電流有效值為141山A:I. IPl、IINl、IIP2、IIN2、IIP3,IIN3分別是1、2、3相的模 1l2233123刪m 眥 吣躑M眥哪萬(wàn)方數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)應(yīng)煙擬電流輸入端,當(dāng)要測(cè)量的電流為額定電流時(shí),要保 證輸入到芯片上電流A/D轉(zhuǎn)換器的電流有效值為161山A。注意:該芯片引腳電流限制在+_251xA以內(nèi)6。2.1.2電能采集電路本文根據(jù)實(shí)際情況.對(duì)典型應(yīng)用電路做了一定 的改進(jìn)?？紤]到嚴(yán)格的接口保護(hù).這里選用環(huán)氧灌 封電流型電壓互感器TVl6和環(huán)氧灌封精密電流互 感器TAl2200進(jìn)行隔離采樣?；ジ衅骷夹g(shù)參數(shù)如 表l所示。表1技術(shù)參數(shù)總表Tab.

13、1Chief table of technique parameters試驗(yàn)用中頻感應(yīng)爐為三相220V交流供電.功率為540kW。三相電壓直接通過(guò)接線端接人.三相電流通過(guò)一級(jí)電流互感器降為05A.再接入數(shù)據(jù)采集卡上的二級(jí)電流互感器。SA9904B外圍電路如圖3所示.SA9904B是通過(guò)同步串行口(SPI與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.它內(nèi)部有12個(gè)24位的寄存器.用來(lái)存儲(chǔ)測(cè)量的三相有功.無(wú)功.電壓,頻率。微控制器可以通過(guò)SPI口讀取這12個(gè)寄存器的值。二者之間以主從方式進(jìn)行通信.時(shí)鐘頻率SCK由微控制器提供.最大不超過(guò)800kHz。讀命令110必須加在6位寄存器地址A5A4A3A2AIA0之前.即:1

14、10A5A4A3A2A1A0。微控制器可以根據(jù)寄存器地址讀出個(gè)別自動(dòng)化與儀表20lo(z 寄存器的數(shù)值.也可以順序讀出所有寄存器的值。 2.1.3電量參數(shù)計(jì)算SA9904B能夠測(cè)量線路的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí) 無(wú)功功率.并隨著時(shí)間累加到相應(yīng)的24位有功和無(wú) 功電能加/減計(jì)數(shù)器中。該計(jì)數(shù)器是隨著正功增加. 負(fù)功減少。當(dāng)外部輸入額定電壓和額定電流時(shí),計(jì)數(shù) 器的計(jì)數(shù)速率達(dá)320K。計(jì)數(shù)器里的電能值只是一個(gè) 原始值,還要根據(jù)芯片提供的公式進(jìn)行處理才能得 到最終的值。計(jì)數(shù)器值被微處理器讀取后.計(jì)數(shù)器并 不清零。所以為了得到某段時(shí)間內(nèi)電能的真實(shí)值,應(yīng) 該用當(dāng)前電能采樣值減去上一時(shí)刻電能采樣值訓(xùn). 用SA990

15、4B測(cè)得的有功與無(wú)功功率用公式為功率=VxlxNIT/320000(W (1 其中:y為測(cè)量的額定電壓:,為測(cè)量的額定電流: 為連續(xù)兩次讀得的寄存器原始值的差值(值:T 為連續(xù)兩次讀數(shù)的時(shí)間差值(s。用SA9904B測(cè)得 的電壓有效值為電壓有效值=VxVreg/700(2 其中:y為測(cè)量的額定電壓;Vreg為電壓寄存器的 原始值。電流有效值的計(jì)算要利用到有功功率、無(wú) 功功率和電壓有效值的最終計(jì)算結(jié)果。如果己知有 功功率P、無(wú)功功率Q,則視在功率Js為圖3三相電壓和電流檢測(cè)電路Fig.3Detection circuit of three-phase current and voltage圇 萬(wàn)

16、方數(shù)據(jù)逮挎弛應(yīng)用5=、/P2+p2(3 而視在功率等于電壓有效值和電流有效值的 乘積,即S=Uxl (4 利用視在功率和電壓有效值就可以得到電流 有效值為l=s|U 05、 知道了電壓、電流、有功功率,就可以計(jì)算出功 率因數(shù):cos(8=PI(Uxl (6 SA9904B測(cè)得的頻率為頻率=Fcrystal/256/Freg (7 其中:Fcrystal為外部晶振頻率:Freg為頻率寄存器 的DO到D9位。2.2溫度和壓力檢測(cè)電路溫度傳感器是溫度采集部分的前向通道。由于 被測(cè)對(duì)象的溫度變化范圍在100%以下,精度要求不 高.系統(tǒng)選用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器作為溫度測(cè)量 的敏感元件。NTC熱敏電阻具有

17、靈敏度高、響應(yīng)快、 壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。NTC熱敏電阻器在室溫下的 變化范圍在1001000kfl.溫度系數(shù)-2%6.5%。本系 統(tǒng)采用100k熱敏電阻串聯(lián)lOk電阻的方式直接取 得電壓變化.從而實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集。壓阻式壓力傳感器具有較高的精度以及較好 的線性特性。它的輸出電壓信號(hào)很小。一般只有幾 十至一百多毫伏大小。因此,在進(jìn)行信號(hào)采集之前, 需要經(jīng)過(guò)精密儀表放大器(INAl28對(duì)電壓信號(hào)進(jìn) 行放大處理。采集到的模擬信號(hào)最后都要經(jīng)過(guò)A/D 調(diào)理電路調(diào)整到3V以內(nèi).從而滿足TMS320F2812片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的要求。3DSP程序設(shè)計(jì)DSP程序主要完成下列工作:首先.對(duì)DSP的 I/

18、O口、SPI口、SCI口、CAN總線、定時(shí)器等進(jìn)行初 始化。然后設(shè)定接受SA9904B數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。下 一步等待中斷.如果采樣值形成,則進(jìn)人中斷子程 序.處理溫度和壓力傳感器信號(hào),發(fā)送數(shù)據(jù)到上位 機(jī).并進(jìn)行壓力和溫度異常判斷。如果冷卻水溫度 過(guò)高和水壓變化超出允許范圍內(nèi),則進(jìn)入異常處理 子程序.發(fā)出報(bào)警和保護(hù)信號(hào),并記錄故障信息,最 后結(jié)束程序。如果采樣值未形成.則進(jìn)行定時(shí)器標(biāo)志位判 斷.讀取SA9904B芯片內(nèi)部存儲(chǔ)的各相有功電能、 無(wú)功電能、電壓有效值和頻率原始值,經(jīng)過(guò)濾波處 理.獲得實(shí)際的電力參數(shù).然后通過(guò)公式換算得到三 相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率 等。下一步,根

19、據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)。判斷電網(wǎng)是否有斷相、 相序錯(cuò)誤、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流等電力故障現(xiàn)象的發(fā)生。 若沒(méi)有發(fā)生故障.則程序順序進(jìn)行.否則進(jìn)入故障處 理子程序,發(fā)出報(bào)警和保護(hù)信號(hào).并記錄故障信息, 最后結(jié)束程序。程序流程圖如圖4所示。圖4DSP程序流程圖Fig.4Flow chart of DSP program4上位機(jī)監(jiān)控軟件上位機(jī)監(jiān)控軟件能夠通過(guò)多種通信方式接收數(shù) 據(jù)采集板上傳的數(shù)據(jù).并以虛擬儀表的形式顯示出 來(lái):能夠跟蹤各參數(shù)動(dòng)態(tài),同時(shí)還需要將監(jiān)測(cè)到的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù).便于查詢。需顯示的參數(shù)包括三 相電壓和電流、頻率、系統(tǒng)有功和無(wú)功功率以及功率 因數(shù);整流器、逆變器和線圈水冷裝置的入水口、出 水口溫度和壓力。上位機(jī)程序主界面如圖5所示。圖5上位機(jī)程序主界面Fig.5Main interface of the software萬(wàn)方數(shù)據(jù)*,影x計(jì)算姆壁巍圈5