CN100369032C - Can总线网络式电解槽电解质温度的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种CAN总线网络式电解槽电解质温度的测量方法及装置，以符合控制器局域网络CAN通讯协议的方式，在多重节点间进行数据的实时通讯；在生产现场测得电解质温度，通过A/D转换缓冲模块设置电解槽槽号和CAN总线网络通讯号，通过系统时钟模块实现当前测定温度时间的设置，并实现所测温度数据的实时存储功能；利用CAN总线方式或RS232串口将所测温度数据批量发送到监控机和相对应的槽控机上，并自动插入数据库，生成电解工艺参数报表，实时显示在监控机和槽控机上。该装置包括带A/D转换器的单片机、键盘模块、液晶显示器、CAN总线通讯模块、系统时钟模块、冷端温度测量模块、RS232模块、电源管理模块九个集成电路，组成完整嵌入式装置，其中以带A/D转换器的单片机为其核心，其余八个部分通过地址单元分别与单片机相连。该方法及装置基于CAN总线网络或计算机RS232接口方式将所测量电解质温度传送给槽控机和监控机，配合监控机程序与该装置相配合的测温程序，实现电解质温度的测量、存储、网络化传送和报表的自动生成。
Description
技术领域
本发明属于热工测量技术领域，特别是一种用于有色金属铝电解槽基于CAN总线网络式电解质温度检测的方法与装置。
背景技术
目前，国内大型预焙铝电解槽的自动控制均采用模糊控制技术，是基于铝电解槽的模糊控制理论建立起来的，其核心部分是通过控制氧化铝浓度达到电解槽物料平衡控制，以保持电解槽高电流效率运行。但是，电流效率不是氧化铝浓度的单一函数，它受电解质温度的影响也是不容忽视的。理论和实践都证明：电流效率与电解质温度关系密切，电解质温度是影响电流效率最直接和最重要的因素之一。然而，由于受到测量、传感技术的限制，大多反映电解槽槽况的参数(电解质温度、分子比、两水平等)均为人工测量的离线数据，这些测量的离线数据在过程控制中具有滞后性，这是进一步提高自动控制精度的制约因素。在电解质温度检测方面，目前大多铝厂家均采用的测温方式为人工测量、人工记录、人工输入计算机方式，具有操作过程长，测量频次低，数据易错，不能直接连到监控机和槽控机上，造成了温度数据测量的滞后性大等问题。因此，电解质温度这一重要的运行参数一直没有纳入电解槽模糊控制的范畴，使电解槽的日常作业及其能量与物料平衡状态的控制很粗略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CAN总线网络式电解槽电解质温度的测量方法及装置，它基于CAN总线网络方式实现电解槽电解质温度的测量、存储、网络化传送和报表的自动生成功能，直接将生产现场测得的温度数据及时通过CAN总线方式从现场批量发送到监控机和相对应的槽控机上，实现数据的共享，避免了人工抄写数据造成的误差，也可以增加测量频次，提高温度在线性检测，为生产管理者及时准确的提供反映槽况的重要参数温度情况，也将为提高控制水平和专家决策系统的构建奠定了基础。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
1、一种CAN总线网络式电解槽电解质温度的测量方法，其特征在于：
a.以符合控制器局域网络CAN通讯协议的方式，在多重节点间进行数据的通讯，利用标准CAN总线判优来确保CAN总线上实时数据的传输优先于非实时数据的传输，确保在每个时间分隔期间都能传输实时数据；
b.在生产现场利用热电偶测得电解槽电解质温度，通过A/D转换缓冲模块设置包含电解车间号和工区号的电解槽槽号和CAN总线网络通讯号，通过系统时钟模块实现当前测定温度时间的设置，并实现所测温度数据的实时存储功能；
c.利用CAN总线方式或RS232串口将所测温度数据批量发送到监控机和相对应的槽控机上，温度数据自动插入数据库，自动生成电解工艺参数报表，并在监控机和槽控机界面上实时显示。
一种CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置，是包含九个集成电路的完整嵌入式装置，其中以带A/D转换器、设计有配套测温程序的单片机为该装置的核心，其余八个集成电路通过地址单元分别与单片机相连，其中：A/D转换缓冲模块采用隔离斩波放大器及其外围电路构成，对输入信号进行隔离，确保被隔离信号不失真，A/D转换缓冲模块的功能是隔离热电偶产生的电势，避免大电压的误引入对CPU产生破坏，对输入电压进行滤波，保证A/D转换的准确，A/D转换缓冲模块的输出与单片机通过编程设定的模拟输入口连接；键盘模块采用一个4*4键盘构成，键盘模块的功能是提供数据输入和菜单选项的输入工具，通过单片机一个8位口组成4*4键；液晶显示器利用行和列自动扫描芯片构成液晶控制模块，液晶显示器是提供数据和信息输出的工具，通过单片机一个8位口驱动标准的128*64点阵液晶模块；CAN通讯模块采用CAN接口控制器及外围电路构成，CAN通讯模块的功能是提供数据传输的通道，通过单片机一个数据总线与单片机相连，通过对数据区的读写操作CAN总线通讯；系统时钟模块采用实时时钟芯片加外围电路构成，系统时钟模块的功能是提供CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置所需的实时时钟，以便确定数据存储、更新的具体时间，通过SPI接口与单片机连接；冷端温度测量模块采用一线测温器件组成，冷端温度测量模块的功能是热电偶测温需要冷端温度才能计算测量温度，冷端温度测量模块通过1线ONE-WIRE接口与单片机连接提供冷端温度；RS232模块通过对单片机所带的RS232串口进行电平转换得到，RS232模块的功能是提供数据传输的另一通道，提供对计算机的直接传输；电源管理模块采用电源管理芯片组成，电源管理模块的功能是提供对CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置所带Ni电池升压、过流、充电、电压低的报警，直接与单片机电源连接。
上述CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置，其中所述CAN总线接口和RS232串口设计为同一个接口，靠针号不同实现传输通道之间的转换。
上述CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置，其中所述A/D转换缓冲模块选用的是24位∑-Δ型A/D转换器。
上述CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置，其中所述冷端温度测量模块的热电偶接入口连接的是镍铬—镍硅K型热电偶。
本发明提供的CAN总线网络式电解槽电解质温度的测量方法及装置，是一种为测量铝电解槽电解质温度而专门研制开发的，测量内容含测量时间、环境温度(冷端温度)、电解槽电解质温度。该方法与装置有效利用了电解现场CAN总线网络方式传送温度信号，将测温装置接入现场工业控制网络系统，突破了国内外现有测温仪的技术局限。基于CAN总线网络将所测量电解质温度传送给槽控机和监控机，配合铝电解计算机控制系统监控机程序与CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置相配合的测温程序，实现电解槽电解质温度的测量、存储、网络化传送和报表的自动生成功能，实现数据的共享，避免了人工抄写数据造成的误差，也可以增加测量频次，提高温度在线性检测。本发明是为铝电解厂房专门设计的，能输入电解槽号和网络通讯号等参数。可采用最新的集成高精密24位∑-Δ型A/D转换器的单片机，使测温装置达到最高的精度，并具有良好的抗干扰性。使用高精度数字镍铬—镍硅K型热电偶测量冷端温度，使冷端温度补偿同样也达到很高的精度。CAN总线接口和RS232串口设计为同一个接口，靠针号不同实现传输通道之间的转换，使传输通道的通用性增强。
附图说明
图1为CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置总体构成示意图
图2为CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置主程序流程图
图3为CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置总线信号接口程序流程图
图4为CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置串口信号接口程序流程图
图5为CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置键盘信号接口程序流程图
图6为CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置温度信号接口程序流程图
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的CAN总线网络式电解槽电解质温度的测量方法及装置，具体实施时，是由九个集成电路组成完整嵌入式装置，其中以带24位∑-Δ型A/D转换器的单片机为其核心，其余八个集成电路分别与单片机相连。其中：A/D转换缓冲模块采用在工业级温度范围内温度漂移只有1微伏的高精度隔离斩波放大器及其外围电路构成隔离缓冲模块对输入信号进行隔离，确保被隔离信号不失真，其功能是隔离热电偶产生的电势，避免大电压的误引入对CPU产生破坏，对输入电压进行滤波，保证A/D转换的准确，其输出与单片机通过编程设定的模拟输入口连接，A/D转换缓冲模块通过键盘模块输入、液晶显示器输出实现包含电解车间号和工区号的电解槽槽号和CAN总线网络通讯号的设置；键盘模块采用一个4*4的薄膜键盘构成，其功能提供数据输入和菜单选项的输入工具，通过单片机一个8位口可以组成4*4键；液晶显示器利用液晶控制组件，即行和列自动扫描芯片构成液晶控制模块，其功能提供数据和信息等输出的工具，通过单片机一个8位口可以驱动标准的128*64点阵液晶模块；CAN通讯模块采用飞利浦公司的CAN接口控制器及外围电路构成，其功能提供数据传输的通道，通过单片机一个数据总线与单片机相连，通过对数据区的读写操作CAN总线通讯；系统时钟模块采用DALLAS公司的实时时钟芯片加外围电路构成，可显示时间到秒，润年自动进行加减时间，其功能提供网络式铝电解质测温装置所需的实时时钟，以便确定数据存储、更新的具体时间，通过SPI接口与单片机的连接；冷端温度测量模块采用了DALLAS的一线测温器件组成，精度达0.5摄氏度，其功能是热电偶测温需要冷端温度才能计算测量温度，冷端温度测量模块提供冷端温度，通过1线ONE-WIRE接口与单片机的连接；RS232模块通过对单片机所带的RS232串口进行电平转换得到，电路用MAXIUM公司芯片加外部电路构成，其功能提供数据传输的另一通道，主要是可提供对计算机直接传输；电源管理模块采用德州仪器公司的电源管理芯片组成，可将电压从2伏提高到5伏，效率可达85％以上，其功能是提供对测温装置所带Ni电池升压、过流、充电、电压低的报警，直接与单片机电源连接。
上述RS232串口和CAN总线接口为同一个接口，靠针号不同实现传输通道之间的转换。可用配套提供的接口线即可连接。
●RS232串口 ●CAN总线接口
针号 功能 针号 功能
2----------OUT 1------------CANH
3----------IN 9------------CANL
4----------DTR
5----------GND
6----------DTR
7----------RTS
8----------RTS
电源接口：DC5V，200Ma
热电偶接入口：连接镍铬—镍硅K型热电偶
图2至图6是与CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置相配合的测温程序。本发明提供的CAN总线网络式铝电解质测温方法及装置，其接口程序采用目前在工程中使用较多的C语言作为开发工具；监控机监控程序用Visual Basic 5.0开发了基于Windows98以上操作系统、集监控和槽况诊断于一体的面向对象的32位铝电解槽智能模糊控制系统监控软件，该软件采用多进程及多线程思想来规划系统，用事件驱动方式来设计程序，用Access数据库来组织文件，充分利用Window程序的可视化特点，提供一个全新的人机交互界面，接收网络式铝电解质测温装置利用CAN总线传送的温度信息，温度数据自动插入数据库，自动生成电解工艺参数报表，并在监控界面上显示。
下面结合实现CAN总线网络式电解槽电解质温度的测量方法及装置的程序流程图，进一步描述该测温装置是如何工作的：
该测温装置的核心部分——带24位∑-Δ型A/D转换器的单片机，按图2至图6所示的主程序进行主处理。即在开始后，进行参数初始化操作，检查外围器件，判断外围器件是否正常？如显示外围器件错误信号则手动复位，如外围器件正常则读取菜单项、显示菜单项、读取总线信号，判断总线信号有否？如有则处理总线信号，之后返回读取菜单项，如没有总线信号则读取串口信号，判断串口信号有否？如有则处理串口信号，之后返回读取菜单项，如没有串口信号则读取键盘，判断有键盘按下否？如有则处理键盘信号，之后返回读取菜单项，如没有键盘信号则测量温度，处理温度信号，之后返回读取菜单项。
上述总线信号的处理是按图3所述的接口程序进行的，即在开始后，判断收到的命令正确否？如不正确则返回读取菜单项，如正确则收到上传请求信号、收到测量温度信号，通过CAN总线上传电解槽的温度信号，之后返回读取菜单项。
上述串口信号的处理是按图4所述的接口程序进行的，即在开始后，判断收到的命令正确否？如不正确则返回读取菜单项，如正确则收到上传请求信号、收到测量温度信号，通过RS232串口上传电解槽的温度信号，之后返回读取菜单项。
上述键盘信号的处理是按图5所示的接口程序进行的，即在开始后，判断键盘信号正确否？如不正确则丢弃键盘信号结束，如正确则判断是否是返回选项？如是则返回初始状态，如不是则根据当前菜单项处理改变界面，根据菜单改变上此菜单项存储单元，结束。
上述温度信号的处理是按图6所示的接口程序进行的，即在开始后，判断温度信号是否超出上下限？如超出则丢弃温度信号结束，如未超出则进行数字滤波，判断信号是否稳定？如稳定则保存温度信号，如不稳定则结束。
CAN总线网络式电解槽电解质温度的测量方法及装置的操作过程：
1、开关机
打开电源开关。液晶显示器应正常显示。正常显示信息如下：
面板左上显示的为当前时间，为“小时:分:秒”。如果当前时间不对，可进入菜单“设置”中进行修改。
面板右上为当前空气温度，单位为℃。
开机后时间应走动，如果不变化请按一下复位键确认关机可关电源开关，关机后液晶应不显示。
| 11:33:15 1 5.1网络式测温仪 |
开机后界面
注意：关机后当前时间会继续走动，关机后请按充电要求及时对电池进行充电。
2、菜单选项
要进行测温等工作请按键盘任意键。液晶将显示如下信息：
| 0.测温1.设置2.通讯3.上传 |
选项菜单
上述菜单中：
测温：完成温度测量和存储，是使用者最经常使用的功能。
设置：主要完成当前时间设置和车间号、工段号设置。
通讯：完成所要测量的电解槽号和相应槽控机CAN通讯号的设置。
上传：完成向CAN总线和RS232串口传送测量温度信号。上述菜单使用对应的数字键选定。例如：欲进行测温则按数字0键。用键盘上的取消键可返回开机后界面。
3、测温
插上热电偶接口，选定菜单测温项。液晶显示器即显示如下内容：
测温界面
在测温界面中，左上为当前槽号的最近一次测量温度日期，右上为当前槽号和最近一次的测量结果，该结果为历史数据。
屏幕中间为当前温度。
屏幕下面为菜单选项。当菜单项为反色显示时按确认键确定执行相关功能。使用向左键可以在3个菜单条中循环选定，选定的菜单变为反色。
保存菜单是将当前测量温度作为当前槽号槽温保存，执行后自动转入下一台槽的测量。需要看上一台的数值请选上1台菜单
上1台菜单为选定当前槽号的上一台电解槽，执行后槽号应变化为上1台电解槽槽号。顺序按通讯设置中的序号。
下1台菜单为选定当前槽号的下一台电解槽，执行后槽号应变化为下1台电解槽槽号。顺序按通讯设置中的序号。
4、设置
设置功能提供设置时间和电解槽车间号以及工段号。选定后屏幕显示如下。
| 时间：03-09-1515:30代号：10保存 |
设置菜单
时间为修改当前时间，按“年-月-日”和“时:分”设定。修改位置通过数值变为反色显示，当键入数字后(按相应数字键)自动跳到下一个位置。
代号设置为设置电解槽的代号中的车间号和工段号。例如“10”代表1车间0工段。
在保存菜单变为反色后，按确认键即执行保存命令。保存后可在屏幕首页上看到设置的时间。日期可在测温保存后可看到当前日期。代号可在测温的电解槽槽号中看到。
不改变当前设置退出按取消键。
5、通讯
通讯选项为选定设置电解槽槽号和CAN总线通讯号。选定后显示如下：
| SN PN CN00 001 00101 002 00202 003 00303 004 00404 005 00505 006 00606 007 007 |
通讯设置界面
通讯设置界面在屏幕中共分为3列：
第一列“SN”的内容为序号，使用者不能进行改变。其内容为选择槽号时的顺序。
第二列“PN”的内容为槽号，按10进制输入。例如：001号代表001号槽，它与车间号和工段号共同组成完整的槽号。
第三列“CN”的内容为CAN总线通讯号。按相应电解槽的槽控机在CAN总线上的通讯号输入，为10进制输入。
输入时当前输入位置用反色显示。当按下数值键后自动选择下一个数值，按向左键也可选择下一个位置。如想改变下一台槽的槽号和通讯号，可按向下键将当前输入位置改变为下一行。当在最后一行时按向下键则进入下一屏。
按确认键将上述改变保存并退回上级菜单。不保存退出可按取消键。
当前可设置40台电解槽的槽号和通讯号。
6、上传
选择上传菜单后，屏幕显示如下所示：
| 传送中CAN RS232 |
传送选项界面
传送方式有CAN总线和RS232串口可选，反色为当前选项，使用确认键选定。
传送时将当前40台电解槽最近槽温和时间进行上传，通过CAN总线可自动将槽温信息下传给槽控机。配合上微机程序和为测温装置配套的数据处理程序可自动完成电解槽槽温数据库的存储和下发。
传送时屏幕将显示“传送中”，发送完显示“传送完成”
按取消键退出本菜单。
注意：CAN总线传送时，一定确保CAN总线正确连接，如CAN总线未连时使用CAN总线传送，将使测温装置进入等待状态，此时只能按复位键退出。
7、充电
将与测温装置配套提供的专用电源插入电源插座，充电灯亮，表明正在充电的过程中，
充电完毕后充电完毕灯亮。
充电完毕后测温装置可使用5小时左右。
建议每两天充电一次。
●主要性能参数：
1.配合K型热电偶，温度测量范围：0～1300℃。
2.测量精度：取决于热电偶精度。
3.冷端温度测量范围：-30℃～+120℃。精度0.5℃。
4.电源：DC5V，200mA
●主要功能：
1、测量和存储40台电解槽槽温或更多电解槽，并具有掉电存储功能；
2、通过CAN总线网络向电解槽槽控机和监控机传送测量温度功能；
3、可选通过RS232串口向监控机传送测量数据；
4、CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置接口程序功能，利用对单片机内外部的操作，完成说明书所包含的功能；
5、监控机监控程序用Visual Basic 5.0开发了基于Windows98以上操作系统、集监控和槽况诊断于一体的面向对象的32位铝电解槽智能模糊控制系统监控软件，接收电解质温度测量装置利用CAN总线传送的温度信息，温度数据自动插入数据库，自动生成电解工艺参数报表，并在监控界面上显示。
Claims (5)
1.一种CAN总线网络式电解槽电解质温度测量方法，其特征在于：
a.以符合控制器局域网络CAN通讯协议的方式，在多重节点间进行数据的通讯，利用标准CAN总线判优来确保CAN总线上实时数据的传输优先于非实时数据的传输，确保在每个时间分隔期间都能传输实时数据；
b.在生产现场利用热电偶测得电解槽电解质温度，通过A/D转换缓冲模块设置包含电解车间号和工区号的电解槽槽号和CAN总线网络通讯号，通过系统时钟模块实现当前测定温度时间的设置，并实现所测温度数据的实时存储功能；
c.利用CAN总线方式或RS232串口将所测温度数据批量发送到监控机和相对应的槽控机上，温度数据自动插入数据库，自动生成电解工艺参数报表，并在监控机和槽控机界面上实时显示。
2.一种实现如权利要求1所述方法的CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置，其特征在于它是包含九个集成电路的完整嵌入式装置，其中以带A/D转换器的单片机为该装置的核心部分，其余八个集成电路分别与单片机相连，其中：A/D转换缓冲模块采用隔离斩波放大器及其外围电路构成，对输入信号进行隔离，确保被隔离信号不失真，A/D转换缓冲模块的功能是隔离热电偶产生的电势，避免大电压的误引入对CPU产生破坏，对输入电压进行滤波，保证A/D转换的准确，A/D转换缓冲模块的输出与单片机通过编程设定的模拟输入口连接；键盘模块采用一个4*4键盘构成，键盘模块的功能是提供数据输入和菜单选项的输入工具，通过单片机一个8位口组成4*4键；液晶显示器利用行和列自动扫描芯片构成液晶控制模块，液晶显示器是提供数据和信息输出的工具，通过单片机一个8位口驱动标准的128*64点阵液晶模块；CAN通讯模块采用CAN接口控制器及外围电路构成，CAN通讯模块的功能是提供数据传输的通道，通过单片机一个数据总线与单片机相连，通过对数据区的读写操作CAN总线通讯；系统时钟模块采用实时时钟芯片加外围电路构成，系统时钟模块的功能是提供CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置所需的实时时钟，以便确定数据存储、更新的具体时间，通过SPI接口与单片机连接；冷端温度测量模块采用一线测温器件组成，冷端温度测量模块的功能是热电偶测温需要冷端温度才能计算测量温度，冷端温度测量模块提供冷端温度，通过1线ONE-WIRE接口与单片机连接；RS232模块通过对单片机所带的RS232串口进行电平转换得到，RS232模块的功能是提供数据传输的另一通道，提供对计算机的直接传输；电源管理模块采用电源管理芯片组成，电源管理模块的功能是提供对CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置所带Ni电池升压、过流、充电、电压低的报警，直接与单片机电源连接。
3.根据权利要求2所述的CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置，其特征在于其中所述A/D转换缓冲模块选用的是24位∑-△型A/D转换器。
4.根据权利要求2所述的CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置，其特征在于其中所述冷端温度测量模块的热电偶接入口连接的是镍铬-镍硅K型热电偶。
5.根据权利要求2所述的CAN总线网络式电解槽电解质温度测量装置，其特征在于其中所述RS232串口和CAN口为同一个接口，靠针号不同实现传输通道之间的转换。
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