CN107957525A - 冶炼电炉电气参数在线测量系统 - Google Patents

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CN107957525A CN201810040272.2A CN201810040272A CN107957525A CN 107957525 A CN107957525 A CN 107957525A CN 201810040272 A CN201810040272 A CN 201810040272A CN 107957525 A CN107957525 A CN 107957525A
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Abstract

本发明涉及冶炼电炉技术领域，尤其是冶炼电炉电气参数在线测量系统，包括计算机监控系统、CAN总线和三组电气参数测量电路板，三组电气参数测量电路板均通过CAN总线连接计算机监控系统，电气参数测量电路板包括MCU、交流信号转换模块、交流信号采集处理模块、温度控制模块和看门狗，交流信号转换模块通过交流信号采集处理模块连接MCU，温度控制模块和看门狗均连接MCU。本发明有益效果：本发明利用串行通信CAN总线建立通讯网络，能满足实时性、远距离通讯及可扩展性的需求，而且能有效降低成本、缩短开发时间，计算机监控软件的设计利用LabWindows/CVI为软件开发工具，采用多线程结构的软件设计方法，大大提高了系统的响应速度。

Description

冶炼电炉电气参数在线测量系统
技术领域
本发明涉及冶炼电炉技术领域，尤其是冶炼电炉电气参数在线测量系统。
背景技术
通常冶金行业中采用的冶炼电炉都是大型耗能装置，有的炼钢电弧炉容量高达5000kVA，交变电流达2000A以上。强大的交流电流，严重的电磁干扰，复杂的二次布线网络，以及恶劣的高温环境，给电炉电气参数的准确测量带来极大的困难，使之成为电力工业一直在攻克的重大难题。本课题主要是针对冶炼电炉电气参数测量问题所展开，研究的切入点包括：大电流测量方案的设计、电气参数测量方案的确定。
目前，国内对冶炼电炉二次侧大电流的测量，除了采用大型电流互感器外，通常采用变压器带三次绕组和将一次侧高压互感器抽头的办法，这几种方法虽能有效地实现大电流的测量，但仍存在以下不足：
(1)大型电流互感器
电流互感器变比大所导致的结果：首先能耗大，每台大型的互感器相当于一个大的耗能电炉，长期安装在电路中要耗掉大量的电能；其次成本高，由于直流互感器采用大量的铜线绕成，从而使制造成本较高；最后体积大，重量大，安装麻烦且测量精度低。
(2)变压器带三次绕组法
此方法虽然能较准确的测控母线上的电流值，但付出的代价却相当大：比如25000kVA的电炉变压器，增加三次绕组后，体积约增大1/3，不仅增加铁心、铜线重量和占地空间，仅变压器用油就比无三次绕组时增加十几吨，增加的电量损耗大于5％，造价也相应高出几十万元。
(3)变压器一次侧装互感器并抽头法
此方法的理论基础，建立在变压器功率恒定且二次电压不变的假设之上。而炼钢过程中炉况的不断变化导致变压器功率变化，从而二次电流急剧增高，烧毁变压器。大型变压器本身是一个大的电抗器，二次电流需要一定的延时，才能反映一次电流的变化，故该方法不能及时准确地反映变压器二次电流的实际动态状况，采用分流技术对冶炼电炉短网电流进行测量。经分流后的电流将大大减小，测量端只通过小型互感器即可，这样不仅可以减小能耗，降低成本，而且结构紧凑。
冶炼电炉的安全、可靠、准确和经济运行必须依靠安装在生产现场上的监测电压、电流、功率、电能、功率因数、频率、相位等电气参数的仪器仪表来保证。随着微处理技术、数字化测量技术和通讯技术的飞速发展，对交流电气参数测试系统智能化、自动化和网络化的要求也越来越高。在国外，研制生产的电气参数现场综合测试仪已基本解决了一系列现场电量参数的检测问题，并能接近在实验室检测的水平。如：德国EMH公司推出的PTS1.1、PTS1.3型多功能电能表现场检测装置，澳大利亚红相电力设备公司生产的679型0.1级现场测试仪，这些产品可测量各种电能参数、自动量程切换、采用全数字处理，抗干扰能力强。上述这两种现场测试仪器虽然准确性高，但功能单一，价格昂贵。在国内，电气参数现场测试仪的研制生产受到我国电力工业飞速发展的影响，制造水平不断提高，如以深圳科陆公司为代表的CL302系列三相电测量仪表检测装置、南京丹迪克公司的DK系列三相电测量仪表检测装置，这些产品从单一的电能计量现场测试发展到多功能可检测电压、电流、功率、频率、相位等多种功能的现场测试仪器。但这些产品一方面存在体积大、重量重、操作繁琐、成本价格也较高。另一方面在产品的稳定性、可靠性还需进一步改进完善提高。
因此，对于上述问题有必要提出冶炼电炉电气参数在线测量系统。
发明内容
本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了冶炼电炉电气参数在线测量系统。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
冶炼电炉电气参数在线测量系统，包括计算机监控系统、CAN总线和三组电气参数测量电路板，三组电气参数测量电路板均通过CAN总线连接计算机监控系统，所述电气参数测量电路板包括MCU、交流信号转换模块、交流信号采集处理模块、温度控制模块和看门狗，所述交流信号转换模块通过交流信号采集处理模块连接MCU，所述温度控制模块和看门狗均连接MCU。
优选地，所述交流信号转换模块包括电流互感器、电压互感器和抗混叠滤波器，所述电流互感器、电压互感器均连接抗混叠滤波器。
优选地，所述MCU连接CAN总线驱动器，所述CAN总线驱动器通过CAN总线连接CAN总线驱动器，所述CAN总线驱动器通过MAX232连接上位机。
优选地，所述MCU还连接有系统数据通信模块和电源检测电路。
优选地，所述MUC采用AT89S52单片机。
优选地，所述交流信号采集处理模块采用ATT7022电能计量芯片，其中信号处理结果由ATT7022电能计量芯的SPI口传送给MCU，MCU通过CAN总线与上位机进行通讯，在测量过程中，对电量需要进行温度补偿。
优选地，所述温度控制模块采用DS18B20温度传感器对环境温度及母线温度进行测量。
优选地，所述看门狗采用MAX1232芯片，并对MCU的电源供电及软件的执行进行监控。
优选地，所述CAN总线与上位机之间通过网络适配器CAN/RS232进行实时通信，完成全分布式多机通讯。
优选地，所述计算机监控系统包括单片机控制系统和计算机监控软件，所述单片机控制包括ATT7022的操作模块、DS18B20的操作模块、串口初始化模块、主程序模块；计算机监控软件采用LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发工具，采用双线程结构，次线程完成软件与硬件的通信、数据交换及数据处理；主线程完成软件与操作用户的交互及数据记录。
本发明有益效果：本发明利用串行通信CAN总线建立通讯网络，能满足实时性、远距离通讯及可扩展性的需求，而且能有效降低成本、缩短开发时间，计算机监控软件的设计利用LabWindows/CVI为软件开发工具，采用多线程结构的软件设计方法，大大提高了系统的响应速度。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的电气参数测量电路板结构框图；
图3是本发明的数据转换结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1并结合图2和图3所示，冶炼电炉电气参数在线测量系统，包括计算机监控系统、CAN总线和三组电气参数测量电路板，三组电气参数测量电路板均通过CAN总线连接计算机监控系统，所述电气参数测量电路板包括MCU、交流信号转换模块、交流信号采集处理模块、温度控制模块和看门狗，所述交流信号转换模块通过交流信号采集处理模块连接MCU，所述温度控制模块和看门狗均连接MCU。
进一步的，所述交流信号转换模块包括电流互感器、电压互感器和抗混叠滤波器，所述电流互感器、电压互感器均连接抗混叠滤波器，所述MCU连接CAN总线驱动器，所述CAN总线驱动器通过CAN总线连接CAN总线驱动器，所述CAN总线驱动器通过MAX232连接上位机。
其中，所述MCU还连接有系统数据通信模块和电源检测电路，所述MUC采用AT89S52单片机，所述交流信号采集处理模块采用ATT7022电能计量芯片，其中信号处理结果由ATT7022电能计量芯的SPI口传送给MCU，MCU通过CAN总线与上位机进行通讯，在测量过程中，对电量需要进行温度补偿。
此外，所述温度控制模块采用DS18B20温度传感器对环境温度及母线温度进行测量，所述看门狗采用MAX1232芯片，并对MCU的电源供电及软件的执行进行监控。
其中，所述CAN总线与上位机之间通过网络适配器CAN/RS232进行实时通信，完成全分布式多机通讯，所述计算机监控系统包括单片机控制系统和计算机监控软件，所述单片机控制包括ATT7022的操作模块、DS18B20的操作模块、串口初始化模块、主程序模块；计算机监控软件采用LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发工具，采用双线程结构，次线程完成软件与硬件的通信、数据交换及数据处理；主线程完成软件与操作用户的交互及数据记录。
本发明利用串行通信CAN总线建立通讯网络，能满足实时性、远距离通讯及可扩展性的需求，而且能有效降低成本、缩短开发时间，计算机监控软件的设计利用LabWindows/CVI为软件开发工具，采用多线程结构的软件设计方法，大大提高了系统的响应速度。
本测控系统的参数测量采用专用的电能计量芯片ATT7022,该芯片是一个高精度的三相电能计量芯片,适用于三相三线或三相四线。它集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。因此它能够测量各相以及合相的有功、无功等功率参数，同时还能测量电压和电流有效值、频率、功率因数等相关参数，能充分满足电力参数测量系统中多功能测量的需求。所有计量参数以及校表参数都可以通过ATT7022提供的SPI接口与外部MCU之间进行传递。并且其内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。
其中本发明
(1)通过采用分流技术，解决了大电流的测量困难。本文提出了分流测量的设计思想，即在直径达50mm每根导线上并联分流导线，通过测量分流导线的电流推算流过母线的电流。经过分流的电流只需通过小型电流互感器即可进入测量电路板，避免了使用大型电流互感器所引起的材料损耗大、测量精度低、电磁干扰以及涡流、铁损等问题；通常冶炼电炉为三相电，其中每相分流导线的个数在5～8之间，在此本课题通过电能计量芯片ATT7022解决了多路电气参数测量问题，多路分流法的使用不仅可以对电炉各点进行全面检测，而且可实现远距离测量，解决了互感器安装困难的问题，提高了抗干扰能力。
(2)利用温度补偿技术，克服了温度变化对测量精度的影响。冶炼电炉的高温环境对电气参数的测量精度有很大影响，通过选用单总线温度传感器DS18B20对环境及母线温度的测量，总结出测量参数随温度变化的规律，然后对其进行有效补偿。单总线传感器的选取不仅解决了一条总线上挂接多个芯片的问题，而且电路设计简单、抗干扰性好，便于远距离传输。
(3)针对分流法测量大电流，制作出一套电炉运行现场的模拟装置。由该装置可以产生2000A的大电流，测量端选用与某电炉母线相同材质空心铜管，高温环境的模拟通过加热电阻丝给铜管加热实现，经多次试验证明该装置能较好的模拟大电流测量环境。
(4)测量电路交流信号采集处理模块的设计解决了多路高精度综合测量的问题。系统选用专用电能计量芯片ATT7022进行信号采集处理，可同时采集三相电压及三相电流的有效值；并通过内部集成DSP技术对测量参数进行处理，能够测量各相以及合相的有功、无功等功率参数，同时还能测量电压和电流有效值、频率、功率因数等相关参数，充分满足电力参数测量系统中多功能测量的需求；该芯片通过硬件实现信号的采集处理，测量精度高，响应速度快，避免了繁重的软件编程，节省了程序存储器的空间。
(5)通信模块的设计采用基于自定义串行通信协议的CAN总线通信。该通信方案的设计既集成了CAN总线通信稳定可靠、传输距离远、组网简便的优点；又具有自己的特色，通过自定义串行通信协议，不但降低了设计成本，而且缩短了开发周期。
(6)利用LabWindows/CVI为软件开发工具设计的计算机监控系统，其功能强大、界面友好、操作简单。具有测量参数显示、电流标定及多机通信等功能。程序设计中双线程技术的使用，有效提高了系统的响应速度，解决了因数据处理量大而引起的界面反应慢或死机现象。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：包括计算机监控系统、CAN总线和三组电气参数测量电路板，三组电气参数测量电路板均通过CAN总线连接计算机监控系统，所述电气参数测量电路板包括MCU、交流信号转换模块、交流信号采集处理模块、温度控制模块和看门狗，所述交流信号转换模块通过交流信号采集处理模块连接MCU，所述温度控制模块和看门狗均连接MCU。
2.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述交流信号转换模块包括电流互感器、电压互感器和抗混叠滤波器，所述电流互感器、电压互感器均连接抗混叠滤波器。
3.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述MCU连接CAN总线驱动器，所述CAN总线驱动器通过CAN总线连接CAN总线驱动器，所述CAN总线驱动器通过MAX232连接上位机。
4.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述MCU还连接有系统数据通信模块和电源检测电路。
5.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述MUC采用AT89S52单片机。
6.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述交流信号采集处理模块采用ATT7022电能计量芯片，其中信号处理结果由ATT7022电能计量芯的SPI口传送给MCU，MCU通过CAN总线与上位机进行通讯，在测量过程中，对电量需要进行温度补偿。
7.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述温度控制模块采用DS18B20温度传感器对环境温度及母线温度进行测量。
8.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述看门狗采用MAX1232芯片，并对MCU的电源供电及软件的执行进行监控。
9.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述CAN总线与上位机之间通过网络适配器CAN/RS232进行实时通信，完成全分布式多机通讯。
10.如权利要求1所述的冶炼电炉电气参数在线测量系统，其特征在于：所述计算机监控系统包括单片机控制系统和计算机监控软件，所述单片机控制包括ATT7022的操作模块、DS18B20的操作模块、串口初始化模块、主程序模块；
计算机监控软件采用LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发工具，采用双线程结构，次线程完成软件与硬件的通信、数据交换及数据处理；主线程完成软件与操作用户的交互及数据记录。
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