基于組態軟件和DS18B20的電弧爐電源溫度監測系統

同樸超，生斌，孫棟，劉俊，王盛交，羅文忠，任源

(西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

基于組態軟件和DS18B20的電弧爐電源溫度監測系統

同樸超，生斌，孫棟，劉俊，王盛交，羅文忠，任源

(西部超導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軟件Force control6.1為上位機平臺和數字溫度傳感器DS18B20為現場檢測器件的電弧爐電源溫度監測系統。對系統方案設計、元器件選型、硬件結構和軟件設計等內容進行了詳細說明。在ALD 8t電弧爐上使用證明系統的可靠性和抗干擾性等滿足實際要求。

電弧爐電源；組態軟件；DS18B20；溫度監測

0 引言

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

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

1 系統硬件設計

文中對西部超導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進行設計和實驗，設置1個主機和5個分布在不同位置現場采集模塊共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的柔性水冷電纜冷卻水、電極桿冷卻水等進行檢測。

系統由DS18B20溫度傳感器、溫度采集模塊、RS485轉USB模塊、PCI DI/DO板卡、監控計算機、報警裝置組成。DS18B20 數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，經接口芯片FT232RL 的作用將RS-485接口轉為USB接口，將數據傳輸給計算機，通過力控組態軟件編寫的上位機進行數據轉換、軟件濾波、溫度顯示。圖1為電弧爐電源溫度監測系統結構示意圖。

圖1 系統結構圖

圖2 整流柜實時界面

1.1 DS18B20數字溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器是美國DALLAS 公司生產的一種數字溫度傳感器，其具有傳輸距離遠、體積小、接口簡單等特點。溫度測量區間為-55～125℃，精度±0.5℃; 其使用的單總線結構，僅需要一個接口就可以實現數據傳輸，無需外部A/D轉換，同時總線上一個傳感器發生故障不影響其它其它正常工作；可以在最大750 ms 以內將溫度轉換為數字值。

1.2 溫度采集模塊

選用阿爾泰DAM-3601數字溫度采集模塊，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24V供電、標準U型導軌安裝，通訊采用基于RS-485的帶光隔離的modbus協議，可以單獨設定模塊地址，通訊波特率從1200～19200kbps可調。

1.3 PCI板卡及RS485-USB

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

系統使用基于RS-485接口的Modbus通訊協議，為方便與計算機連接需將RS-485轉化為USB接口，為此選取FT232RL主控芯片，其優點是驅動具有高兼容性可在大多數操作系統上虛擬成傳統的COM 端口，可使原來使用COM端口的應用，便捷的使用USB接口。相較于PL2303芯片具有工業應用傳輸穩定性高、高速、寬溫區等特點。

1.4 抗干擾

由于整流柜工作時最大40KA的直流電會產生強電磁場環境同時晶閘管整流時會產生諧波擾動，溫度采集模塊和傳感器會受到很大的干擾，因此必須進行相應的抗干擾設計。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。另外各模塊接線時避免星形接線應采用總線方式，并在兩端并聯120歐電阻。

2 系統軟件設計

力控Force control6.1是一個基于windows環境下的、能對現場生產數據進行采集、監測、處理和控制的專用軟件，以靈活多樣的“組態方式”提供良好的用戶開發界面和工程實現方法，同時可以可靠的和國內各工業控制廠家的產品進行網絡通信。

2.1 通訊配置

使用力控的I/O manger進行通訊配置，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組態各溫度模擬量和數字量量的數據庫，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

包括實時系統顯示、報警參數設定、趨勢曲線、報表、系統管理等界面。

2.2.1 實時狀態顯示

系統在主界面上模擬再現了實際電源結構，并且通過采集電源運行信號動畫顯示模擬水流，可以實時的監測所有溫度采集點數據。整流柜界面如圖2所示。

2.2.2 報警參數設置

由于每個溫度監控點的報警溫度值要求不同，系統可以對每個溫度監控點進行上限報警和偏差報警進行設置。報警結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出聲光報警。每個采集模塊通訊狀態使用力控軟件所獨有的I/O狀態監視功能進行監控，通過顏色變化在界面上進行顯示。

2.2.3 趨勢曲線

結合力控的曲線控件，動態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據的值以及某時間間隔的數據變化曲線，利用此功能可以分析長期溫度隨時間變化的規律，如圖3所示。

2.2.4 報表

利用力控的專家報表功能，調取存儲在數據庫中的溫度數據以類excel格式的表格的形式顯示出來，支持按日期時間進行查詢，報表保存一年的歷史數據，并且可以導出Excel和txt格式文件用于數據分析。

2.2.5 系統管理

系統管理可以切換用戶登錄賬戶，不同的賬戶具有不同的權限如修改報警設置，導出數據等。

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的結構，通過對變量和函數操作，實現溫度采集處理、報警和報表查詢導出處理。

2.3.1 溫度采集及顯示

使用力控的周期循環控件，當系統運行時每隔1000ms執行一次，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

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

報表查詢主要執行歷史數據的提取，以下按時間間隔進行查詢歷史數據庫存儲的腳本程序：

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 實驗及結果

為驗證本系統的測量準確性和運行可靠性，在本公司的進口ALD8t電弧爐上進行了安裝。在整流電源直流輸出從0上升到30KA的時間內，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值進行比對，實驗結果見表1、2。實驗表明基于組態軟件的電弧爐電源溫度監控系統，溫度測量準確同時在強電磁干擾環境下可正常運行。

4 結語

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

[1]李宏，薛濤.淺談真空熔煉電弧爐用直流電源的發展[J].電源技術應用，2010,13(2):1～5.

[2]黃慧，殷興輝.基于DS18B20 的高分辨率溫度數據采集［J］.電子測量技術，2009,32( 6) :131～133.

[3]吳永貴.力控組態軟件應用實踐[M].化工工業出版社，2013.

圖8 改進后的稅花皮帶輸送裝置示意圖

3 結束語

YB517型盒外透明紙包裝機稅花皮帶改造后，能夠實現運行平穩，性能穩定，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。現車間7臺ZB47包裝機組全部進行安裝使用，取得了良好的社會和經濟效益。

參考文獻：

[1]薛榮強，施忠兵，馬萬杰.YB517 型盒外透明紙包裝機卷筒架心軸結構的改進[J].機械工程師，2013(1):133～132.

[2]ZB47 型硬盒硬條包裝機組編審委員會.ZB47型硬盒硬條包裝機組培訓教材[G].上海：上海煙草機械有限責任公司，2008.

[3]上海煙草有限責任公司技術開發部.YB47 型硬盒包裝機備件圖冊[G].上海：上海煙草機械有限責任公司，2007.

[4]《機械設計手冊》編委會.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

TM412

B

1671-0711（2016）12（上）-0063-04