CN102279019A

CN102279019A - 一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置

Info

Publication number: CN102279019A
Application number: CN2011101764678A
Authority: CN
Inventors: 吴玉香; 李哲; 刘华
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2011-12-14

Abstract

一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，包括数据采集板和上位机监控系统。数据采集板包括三相电参数采集模块、微处理器、电能计量芯片、温度和压力采集模块、串口通信模块、脉冲宽度调制扩展模块、输入输出模块、继电器输出模块。三相电参数采集模块、电能计量芯片、微处理器依次相连，温度和压力采集模块、脉冲宽度调制扩展模块、串口通信模块、输入输出模块均与微处理器连接，继电器输出模块与输入输出模块相连。上位机监控系统通过串口与数据采集板通信，接收、显示和存储数据采集板采集到的数据，并且发送指令以实现控制功能。本发明能完成生产现场的数据采集和设备状态的安全监控，提高中频感应炉的可靠性和自动化水平。

Description

一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置

技术领域

本发明涉及铸造装备的监控技术，具体涉及一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置。

背景技术

数据采集与监控技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题，是以传感信号的测量与处理，以微型计算机为基础形成的一门综合性技术。其任务是对生产现场各种参数进行采集和处理，得到所需的数据，并将数据按要求进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视。数据采集与监控装置一般需要长时间、高速度地进行大量的数据的采集、组织、存储、处理，并对生产进行有效的监控，提高生产效率。实际应用中的数据采集与监控装置主要分为上位机和下位机两个部分，上位机一般是指计算机，下位机一般是指数据采集板卡。嵌入式和计算机技术的普遍性、灵活性，使得数据采集与监控装置的设计要求能够得到充分的满足。

通过生产现场考察发现，国内厂商生产的大功率中频感应炉存在着可靠性差、自动化程度低等不足。比如各种状态参数主要采用模拟仪表进行测量和显示，需要专人进行数据记录和安全监控；水冷系统没有相应的预警和保护功能，安全性得不到保障。要想提高中频感应炉的可靠性和自动化水平，需要为中频感应炉配备一种数据采集与监控装置。然而，通过检索现有专利发现，在中频感应炉的相关发明和实用新型专利中，缺少一种专用的数据采集与监控装置。中频感应炉的相关技术创新主要是针对中频电源、炉体和控制方式等方面的创新，而在设备的检测、监控和管理，以及设备异常的处理和保护措施等方面却少有改进。

发明内容

本发明提供一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，是为提高560KW大功率中频感应炉可靠性和自动化水平而设计的一种数据采集与监控装置，主要完成中频电源和冷却水系统的检测和保护，并为后续扩展电源控制功能预留空间。

本发明的大功率中频感应炉数据采集与监控装置，包括数据采集板及上位机监控系统，主要完成中频电源和冷却水系统的检测和保护、控制。

所述数据采集板包括三相电参数采集模块、微处理器、电能计量芯片、温度和压力采集模块、串口通信模块、脉冲宽度调制扩展模块（以下简称PWM扩展模块）、输入输出模块（以下简称I/O模块）、继电器输出模块。

其中三相电参数采集模块通过模数转换接口与电能计量芯片相连，微处理器通过SPI与电能计量芯片相连，温度和压力采集模块通过模数转换接口与微处理器相连， PWM扩展模块、串口通信模块、I/O模块均与微处理器相连，继电器输出模块与I/O模块相连。

所述上位机监控系统包括数据显示模块、数据存储模块、通信模块和操作模块，用于接收、显示和存储数据采集板采集到的数据，并且发送指令，以实现控制功能。

三相电参数采集模块对中频感应炉的三相电信号进行取样和信号调理，并且将采集到的电信号数据通过电能计量芯片进行运算，再通过SPI实现与微处理器之间的数据交换；温度和压力采集模块将冷却水系统的温度和压力转换为电信号，并将采集到的电信号通过A/D通道输入微处理器，由微处理器计算得出温度和压力值；串口通信模块将微处理器中的三相电参数和温度、压力值上传给上位监控系统； PWM扩展模块与微处理器连接，为以后扩展中频电源控制功能预留资源；微处理器对I/O模块中按键、发光二极管和蜂鸣器的控制，以及通过I/O模块实现对继电器输出模块的控制。

本发明采用运算放大器构成三相电信号取样电路和差分放大电路，以达到隔离模拟和数字信号、保护复位振荡电路（MCU电路）、提高有用信号传输性能的作用。由于电能计量芯片的电压通道输入信号在10mV至1V时，线性误差小于0.5%；电流通道输入在2mV至1V时，线性误差小于0.5%。本发明将电能计量芯片的A/D转换接口差分输入电压有效值控制在0.1V左右。

上述三相电参数采集模块由精密电流互感器和电流型电压互感器以三相三线制接法构成。

其中电流型电压互感器的输入电流、输出电流均限制在0mA～5mA，精密电流互感器的输入电流限制在0A～10A，输出电流为0mA～10mA。

所述温度和压力采集模块包括温度传感器和压力传感器；温度传感器为负温度系数热敏式电阻（NTC热敏电阻），阻值在10KΩ～100KΩ，具有灵敏度高、响应快、寿命长、价格低等优点。

所述压力传感器为压阻式压力传感器，压力在0.35MPa～3.5MPa，具有较高的精度以及较好的线性特性。

微处理器为TI C2000系列DSP；所述电能计量芯片为ATT系列芯片，该系列芯片内嵌有DSP核和六路二阶A/D转换模块。

微处理器的主要功能是完成中频感应炉供电电源的三相电数据，以及冷却系统的温度和压力数据的采集和处理，并且能够通过串行外设接口与上位机监控系统收发数据(进行数据交换)。所以整个程序设计采用前后台系统结构，主程序是一个无限循环，循环中调用各种函数完成相应的功能，这部分可以看成后台行为。前台程序通过中断调用来处理突发事件；后台程序则掌管整个嵌入式系统软、硬件资源的分配、管理以及任务的调度，是一个系统管理调度程序。DSP程序的前台部分为定时器中断，后台程序分为六个模块，分别为系统初始化模块、三相电参数采集模块、A/D采样模块、串口通信模块、异常处理模块、按键响应模块。

所述上位机监控系统基于微软基础类库（MFC）单文档形式开发监控系统主界面，数据显示模块通过MSChart控件实现状态跟踪功能，数据存储模块通过ACCESS数据库存储数据，并通过开放数据库连接（ODBC）技术将数据库与主界面进行关联，通信模块通过MSComm控件实现串口通信功能，操作模块通过对话框的方式实现功能选择、参数设置、报警提示等人机交互功能。监控系统的人机交互功能主要通过对话框方式实现，包括功能设置，状态跟踪，系统日志，报警提示等。监控系统能够采集的参数包括三相电压和电流、无功功率、有功功率、功率因数、频率，以及冷却水温度和压力等。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明针对大功率中频感应炉设计，将检测、保护和控制等功能集成在数据采集板上，提高了中频感应炉的可靠性和自动化水平。选用专用DSP作为数据采集板微处理器，能够支持实时、高速的数据采集与处理，满足系统集成和功能扩展的需要，为PWM控制提供了更加灵活、高效的解决方案；

（2）本发明数据采集板上的三相电参数采集模块由精密电流互感器和电流型电压互感器以三相三线制接法构成，相比三相四线制接法，只需两个电压互感器和两个电流互感器，节约了成本，缩小了数据采集板的体积；

（3）本发明数据采集板上的电能计量芯片自带16位高精度A/D转换模块和DSP核，其中的固化程序，能够自行完成参数的计算，不仅提高了系统电参数的测量精度，而且降低了微处理器的软件复杂度，减少了微处理器的计算工作量；

（4）本发明的数据采集板通过串口与计算机通信，结构简单，稳定性好。经过初步校正，电参数采集精度达到0.5%，温度和压力采集精度达到1%；

（5）本发明的上位机监控系统交互界面友好，操作方便，响应快捷；使用InstallShield Wizard软件打包工具，对监控软件进行打包。安装程序能够在Windows XP操作系统环境下正常运行；

（6）本实用新型的中频感应炉数据采集与监控装置能对大功率中频电源三相电参数及其冷却水系统的温度和压力信号的数据采集，并且上位机和下位机均能实现数据异常的判断、处理和报警功能。同时，该数据采集与监控装置能够扩展中频电源控制功能，取代原有的单片机控制系统。

附图说明

图1为本发明的中频感应炉数据采集与监控装置结构图；

图2为图1所示数据采集板的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1

本发明的中频感应炉数据采集与监控装置结构如图1所示：包括数据采集板和上位机监控系统。

数据采集板结构如图2所示，包括三相电参数采集模块、微处理器、电能计量芯片、温度和压力采集模块、串口通信模块、PWM扩展模块、I/O模块、继电器输出模块。三相电参数采集模块与电能计量芯片相连，电能计量芯片通过串行外设接口与微处理器连接，温度和压力采集模块、PWM扩展模块、串口通信模块、I/O模块均与微处理器连接，继电器输出模块与I/O模块连接。

三相电参数采集模块与电能计量芯片相连，电能计量芯片通过串行外设接口与微处理器连接，温度和压力采集模块、PWM扩展模块、串口通信模块、I/O模块均与微处理器连接，继电器输出模块与I/O模块连接。

三相电参数采集模块由精密电流互感器和电流型电压互感器以三相三线制接法构成，其中的信号取样和调理电路由运算放大器LM324和LM358完成。LM324含四路双电源运放，两路接500

取样电阻，取电压信号，另外两路接150

取样电阻，取电流信号，然后通过LM358构成的差分放大器处理后接入电能计量芯片的A/D采样通道。

温度和压力采集模块中的温度传感器选用100KΩ，B常数为4250的负温度系数热敏电阻，标称阻值精度为±1%，B值对应误差为±1%；压力传感器采用压阻式压力传感器，选用STI-HT系列隔离膜充油压阻式压力传感器中的HT15。

串口通信模块采用RS-232异步串行通信，数据采集板上配置两路串口J1和J2。J1用于和上位机监控软件进行数据交互，J2可用于扩展其它功能。同时，J1可用于程序烧写，便于下位机软件升级。

微处理器选用TMS320F2812，包含16路A/D采样通道和两个事件管理器（EVA和EVB）模块，其事件管理器（EV）模块是一个典型的扩展功能模块，特别适用于电力电子、运动控制和电机控制等领域。事件管理器模块主要包括通用定时器、PWM电路、捕获单元以及正交编码脉冲电路（QEP）。本发明中预留EVA接口和8个A/D采样通道，主要用于PWM扩展模块的功能扩展，取代中频感应炉原有的单片机控制系统，将数据采集和电源控制功能集成在一起。

电能计量芯片选用ATT系列的ATT7022C。

I/O模块主要用来控制蜂鸣器、按键和LED。其中，蜂鸣器和一个LED组成声光报警电路，三个按键和三个LED组成按键输入电路，三个LED作为按键提示灯使用；三个按键分别用来控制PWM、串口通信、报警功能的开关。此外，可以在I/O口上扩展继电器输出模块，实现电气控制功能。

上位机监控系统包括数据显示模块、数据存储模块、通信模块和操作模块，数据显示模块显示的参数包括三相电压和电流、无功功率、有功功率、功率因数、频率，以及冷却水温度和压力等。数据存储模块通过ACCESS数据库存储数据，通过开放数据库连接技术（ODBC技术）将数据库与主界面进行关联。通信模块用于接收下位机采集到的数据，以及向下位机发送控制指令。操作模块用于实现人机交互功能。上位机监控系统具有报警提示和状态跟踪功能，用户可以手动修改报警上下限，可以查看指定参数的动态变化。

本发明的数据采集与监控装置通过三相电参数采集模块、温度和压力采集模块与中频感应炉现场的三相电源和水冷系统连接，从而采集中频感应炉的三相电参数、温度、压力信号。三相电压和三相电流信号通过数据采集板上的三相电参数采集模块转换后，进入电能计量芯片。由电能计量芯片计算出三相电参数，并通过SPI传给微处理器。温度和压力采集模块将温度和压力转换为电信号后，通过A/D采样通道进入微处理器。微处理器通过PWM扩展模块的事件管理器A(EVA)，产生PWM控制信号。数据采集板通过串口通信模块将所有数据更新发送到上位机监控系统。上位机监控系统通过通信模块接收和发送数据，通过存储模块对数据进行存储和处理，通过显示模块显示数据和状态，通过操作模块实现功能选择、参数设置、报警提示等人机交互功能。如果发生数据超出系统设定的正常范围，微处理器将通过I/O模块发出报警信号和保护信号，通过继电器输出模块执行保护动作，同时，上位机监控系统也会通过显示模块发出报警提示。

Claims

1.一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，其特征在于包括数据采集板和上位机监控系统；

所述数据采集板包括三相电参数采集模块、微处理器、电能计量芯片、温度和压力采集模块、串口通信模块、脉冲宽度调制扩展模块、输入输出模块、继电器输出模块；

其中三相电参数采集模块通过模数转换接口与电能计量芯片相连，微处理器通过串行外设接口与电能计量芯片相连，温度和压力采集模块通过模数转换接口与微处理器相连，脉冲宽度调制扩展模块、串口通信模块、输入输出模块均与微处理器相连，继电器输出模块与输入输出模块相连；

三相电参数采集模块进行三相电信号的取样和信号调理，并且将采集到的电信号数据通过电能计量芯片进行运算，再通过串行外设接口实现与微处理器之间的数据交换；温度和压力采集模块将冷却水系统的温度和压力转换为电信号，并将电信号通过模数转换通道输入微处理器，由微处理器计算得出温度和压力值；串口通信模块与上位机监控系统串口相连，将微处理器中的三相电参数和温度、压力值上传给监控系统；脉冲宽度调制扩展模块与微处理器连接，为以后扩展中频电源控制功能预留资源；继电器输出模块、输入输出模块和微处理器依次相连，以实现微处理器对输入输出模块中按键、发光二极管和蜂鸣器的控制，以及通过输入输出模块实现对继电器输出模块的控制；

2.根据权利要求1所述的一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，其特征在于：所述三相电参数采集模块由精密电流互感器和电流型电压互感器以三相三线制接法构成。

3.根据权利要求2所述的一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，其特征在于：所述电流型电压互感器的输入电流、输出电流均限制在0mA～5mA，精密电流互感器的输入电流限制在0A～10A，输出电流为0mA～10mA。

4.根据权利要求1所述的一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，其特征在于：所述温度和压力采集模块包括温度传感器、压力传感器。

5.根据权利要求4所述的一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，其特征在于：所述温度传感器为阻值在10KΩ～100KΩ的负温度系数热敏式电阻，所述压力传感器为压力在0.35MPa～3.5MPa的压阻式压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，其特征在于：所述微处理器为TI C2000系列数字信号处理器；所述电能计量芯片为ATT系列芯片，该系列芯片内嵌有数字信号处理器核和六路二阶A/D转换模块。

7.根据权利要求1或6所述的一种大功率中频感应炉数据采集与监控装置，其其特征在于：所述上位机监控系统基于微软基础类库单文档形式开发监控系统主界面，数据显示模块通过MSChart控件实现状态跟踪功能，数据存储模块通过ACCESS数据库存储数据，通过开放数据库连接技术将数据库与主界面进行关联，通信模块通过MSComm控件实现串口通信功能，操作模块通过对话框的方式实现人机交互功能。