CN111913409A - 罩式炉氧含量检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种罩式炉氧含量检测装置，包括数据采集处理系统、安全报警系统；所述数据采集处理系统包括逻辑事务控制器、信号调理模块、模数转换模块、电源基准模块、氧含量4～20mA输出模块、执行动作反馈模块，所述逻辑事务控制器分别与模数转换模块、氧含量4～20mA输出模块、执行动作反馈模块相连接，信号调理模块与氧探头相连，所述模数转换模块分别与信号调理模块、电源基准模块相连接，所述氧含量4～20mA输出模块与PLC控制器相连接，所述安全报警系统与逻辑事务控制器相连接。本发明采用双核控制器分工协同作用，双核之间进行数据握手通信，通过定制协议，能够有效诊断单核出问题的情况。
Description
技术领域
本发明涉及工业测量领域，具体地涉及一种罩式炉氧含量检测装置。
背景技术
以氢气等可燃性气体为燃料的罩式炉在热处理领域运用越来越广，但是氢气本身易燃易爆，使用的安全可靠性特别重要。开始加热前，需要将罩式炉内抽真空，保证氧含量处于安全位置，此时炉内氧含量是由氧传感器探测到的mV信号转换成实际氧含量值现场显示和通过4～20mA信号远传给PLC(Programmable Logic Controller)。目前在氧含量气体分析仪的技术领域，单体产品已经比较完善，但在安全性和综合性方面的不足主要体现在：1)主控制器只有一个，若主控制器损坏，无法自动告知用户；2)接口较少，无法适应工业现场常用的低成本接口，如氧含量值以4～20mA输出；3)工业氧传感器需要加热到一定温度才能真实反应炉内氧含量，所以对加热电路也需要进行监控；4)一个控制器接一路氧传感器，造成了利用率的低下。
公开号为CN 206515283U的专利文献公开了一种压机氧含量检测装置，压机氧含量检测装置的测温热电偶的输出端连接着信号转换器Ⅰ的输入端；信号转换器Ⅰ、信号转换器Ⅱ、按键控制、电源模块的输出端连接着单片机的输入端；氧化锆管的输出端连接着信号转换器Ⅱ的输入端；单片机的输出端连接着继电器、电机驱动、阀门驱动、显示模块、报警模块的输入端；继电器的输出端连接着电炉加热的输入端；电机驱动的输出端连接着电机的输入端；阀门驱动的输出端连接着电磁阀的输入端。该方案通过电炉加热提供测量氧含量的高温环境，加热源远离氧探头，加热温度传递时间长，且该方案所有数据都在设备内部运转，不能与外界进行通信互动。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种罩式炉氧含量检测装置。
根据本发明提供的一种罩式炉氧含量检测装置，包括数据采集处理系统、安全报警系统；所述数据采集处理系统包括逻辑事务控制器、信号调理模块、模数转换模块、电源基准模块、氧含量4～20mA输出模块、执行动作反馈模块，所述逻辑事务控制器分别与模数转换模块、氧含量4～20mA输出模块、执行动作反馈模块相连接，信号调理模块与氧探头相连，所述模数转换模块分别与信号调理模块、电源基准模块相连接，所述氧含量4～20mA输出模块与PLC控制器相连接，所述安全报警系统与逻辑事务控制器相连接。
优选地，所述安全报警系统包括安全事务控制器、加热断线报警模块、氧气超限报警模块、现场显示模块、无线通信模块，所述安全事务控制器分别与加热断线报警模块、氧气超限报警模块、现场显示模块、无线通信模块相连接，所述安全事务控制器与逻辑事务控制相连接。
优选地，所述信号调理模块前端设置有多通过编码器，多通道编码器连接多个氧探头采集信号；所述信号处理模块后端设置有保真采样电路，能够对输入的信号进行滤波防反接、电压放大、温漂补偿处理。
优选地，所述模数转换模块与逻辑事务控制器通过SPI总线相连接，所述氧含量4～20mA输出模块与逻辑事务控制器通过8位数据总线相连接，所述执行动作反馈模块与逻辑事务控制器的IO口相连接。
优选地，所述执行动作反馈模块对逻辑事务控制器通过氧含量4～20mA输出模块传送给PLC的IO信号进行监视，通过光耦合作用将这些IO信号的高低状态返回给逻辑事务控制器，逻辑事务控制器将这些IO信号与输出命令进行比对，形成一个确认闭环。
优选地，所述加热断线报警模块、氧气超限报警模块分别与安全事务控制器的IO口相连接，所述现场显示模块与安全事务控制器通过USB接口相连接，无线通信模块与安全事务控制器通过UART总线相连接，安全事务控制器与逻辑事务控制器通过UART总线相连接。
优选地，所述加热断线报警模块连接氧探头上设置的加热系统并对加热系统的供电电流进行监测，所述加热断线报警模块包括前端电流传感器、后端阈值判断电路，后端阈值判断电路将前端电流传感器输出信号整形后与设定值比较，若小于设定值则判断为加热断线并发出报警，若大于设定值则为正常状态不需要干预。
优选地，所述氧气超限报警模块将氧含量值信号传递给安全事务控制器与警戒值进行比较判断，若超过警戒值，则通过逻辑事务控制器向PLC传递报警信号，触发罩式炉的吹扫动作。
优选地，逻辑事务控制器、安全事务控制器分工协同工作，两控制器之间采用UART通信方式，数据双向传输并确认，两控制器之间采用应答报文协议，并使用事件标识符、错误校验、程序跑飞重启三种机制。
优选地，所述逻辑事务控制器采用LPC2136芯片，所述模数转换模块采用16位AD转换芯片MAX1134，所述电源基准模块采用REF3020芯片，所述氧含量4～20mA输出模块采用AD558芯片和AD694芯片组合；
所述安全事务控制器采用LPC2136芯片，所述氧气超限报警模块采用TLP421光耦隔离芯片，所述现场显示模块采用RTSI043A03TFT显示屏，所述无线网络通信模块采用DTU器件。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用双核(逻辑事务控制器、安全事务控制器)分工协同作用，每个核工作有主次，一个核专门做数据采集和处理，并且对传输给PLC的IO信号做监测；另一个核做现场显示和数据远传，并对重要参数进行安全报警，其中双核之间进行数据握手通信，通过定制协议，能够有效诊断单核出问题的情况。
2、本发明通过多通道编码器，实现了一个控制器监测多路氧探头传感器状态的目的，通过多通道编码地址模式，使得控制端能用少量端口区分多路信号各自的状态。
3、本发明包括多种通信方案(氧含量4～20mA输出模块、无线通讯模块)，多种通信方案之间可以切换，4～20mA的信号适合PLC主控柜的信息接收，DTU无线通信技术利于网络的重组设计，能够适应于不同工况条件。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明氧含量控制装置结构示意框图。
图2为本发明数据采集处理系统结构示意框图。
图3为本发明安全警系统结构示意框图。
图4为本发明双核工作结构示意框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明达到了到一个控制器监测多路氧传感器状态的目的，通过多通道编码地址模式，使得控制端能用少量端口区分多路信号各自的状态。采用双核分工协同的设计理念，每个核工作有主次，一个核专门做数据采集和处理，并且对传输给PLC的IO信号做监测；另一个核做现场显示和数据远传，并对重要参数进行安全报警，其中双核之间进行数据握手通信，通过定制协议，能够有效诊断单核出问题的情况，并进行报警指示。为了适应不同工况条件，多种通信方案可供切换，4～20mA的信号适合PLC主控柜的信息接收，DTU无线通信技术利于网络的重组设计，无改造成本，消息推送便捷。
本发明罩式炉氧含量检测装置采用模块化方式组建系统，方便以最小的代价实现模块的独立升级和替换。本装置采用双核控制结构的组合系统，两组控制器组合在一起可以通过数据传递轻易实现协同工作；通过数据握手更好的体现了安全冗余性。
根据本发明提供的一种罩式炉氧含量检测装置，如图1所示，包括数据采集处理系统、安全报警系统；所述数据采集处理系统包括逻辑事务控制器、信号调理模块、模数转换模块、电源基准模块、氧含量4～20mA输出模块、执行动作反馈模块，所述逻辑事务控制器分别与模数转换模块、氧含量4～20mA输出模块、执行动作反馈模块相连接，信号调理模块与氧探头相连，所述模数转换模块分别与信号调理模块、电源基准模块相连接，所述氧含量4～20mA输出模块与PLC控制器相连接，所述安全报警系统与逻辑事务控制器相连接。
所述安全报警系统包括安全事务控制器、加热断线报警模块、氧气超限报警模块、现场显示模块、无线通信模块，所述安全事务控制器分别与加热断线报警模块、氧气超限报警模块、现场显示模块、无线通信模块相连接，所述安全事务控制器与逻辑事务控制相连接。
如图2所示，所述信号调理模块前端设置有多通过编码器，多通道编码器连接多个氧探头采集信号；所述信号处理模块后端设置有保真采样电路，优选地，所述信号处理模块后端设置有高保真采样电路，能够对输入的信号进行滤波防反接、电压放大、温漂补偿处理。所述模数转换模块与逻辑事务控制器通过SPI总线相连接，所述氧含量4～20mA输出模块与逻辑事务控制器通过8位数据总线相连接，所述执行动作反馈模块与逻辑事务控制器的IO口相连接。所述执行动作反馈模块对逻辑事务控制器通过氧含量4～20mA输出模块传送给PLC的IO信号进行监视，通过光耦合作用将这些IO信号的高低状态返回给逻辑事务控制器，逻辑事务控制器将这些IO信号与输出命令进行比对，形成一个确认闭环。
优选地，逻辑事务控制器采用NXP公司生产的LPC2136芯片。信号调理模块为了扩展控制器的利用率在前端设计了多通道编码器，把N个通道的氧含量信息通过编码方式只需占用log2N的逻辑事务控制器管脚即可识别到具体脚位信息；在后端配合高保真采样电路把传感器输入的实际信号进行滤波、放大、温漂补偿，保证将纯净的信号传给模数转换模块。模数转换模块采用美信公司的16位高速AD转换芯片MAX1134，逻辑事务控制器通过SPI总线能够方便的控制该芯片动作，从而保证了采样大数据的及时处理。电源基准模块采用德州仪器公司REF3020芯片，能够给AD转换芯片提供精密的基准电压，保证数据转换的高精度。氧含量4～20mA输出模块是工业现场低成本可靠通信的基本要求，我们采用AD公司的两片芯片AD558和AD694组合完成，AD558通过8位数据总线将逻辑事务控制器的信号转成0～10V的电压信号，AD694将0～10V的电压信号转成4～20mA的电流信号。执行动作反馈模块6是对氧含量控制器装置传送给PLC的关键IO信号进行监视，通过光耦可以方便的将这些IO信号的高低状态返回给逻辑事务控制器，进行与输出命令的比对，形成一个确认闭环，提升了设备的安全性。
如图3所示，所述加热断线报警模块、氧气超限报警模块分别与安全事务控制器的IO口相连接，所述现场显示模块与安全事务控制器通过USB接口相连接，无线通信模块与安全事务控制器通过UART总线相连接，安全事务控制器与逻辑事务控制器通过UART总线相连接。所述加热断线报警模块连接氧探头上设置的加热系统并对加热系统的供电电流进行监测，以防断线后氧探头输出数据失准影响安全联锁；所述加热断线报警模块包括前端电流传感器、后端阈值判断电路，后端阈值判断电路将前端电流传感器输出信号整形后与设定值比较，若小于设定值则判断为加热断线并发出报警，若大于设定值则为正常状态不需要干预。所述氧气超限报警模块将氧含量值信号传递给安全事务控制器与警戒值进行比较判断，若超过警戒值，则通过逻辑事务控制器向PLC传递报警信号，触发罩式炉的吹扫动作。
优选地，安全事务控制器采用NXP公司生产的LPC2136芯片。现加热断线报警模块采用前端电流传感器加后端阈值判断电路的形式，前端电流传感器具体可以是南京择明公司的ZMCT102型电流互感器，后端阈值判断电路就是将该互感器的输出整形后与设定值比较，若小于设定值则判断为加热断线并发出报警，若大于设定值则为正常状态不需要干预。氧气超限报警模块采用东芝公司的TLP421光耦隔离芯片，利用LPC2136收到的氧含量值进行判断，若超过警戒值，则需要将LPC2136的3.3V的IO信号转换成24V的IO信号立即向PLC报警。现场显示模块采用瑞丽光电公司的RTSI043A03TFT屏显示，该屏幕支持USB通信方式，极大的方便了控制器对屏幕的操作控制。无线网络通信模块采用有人公司的DTU器件，可以方便的将LPC2136的串口数据通过套接字分发、注册包分割、心跳包监控的方式转成无线网络(3G\4G\wifi等)通讯，及时的将报警信息推送到相关责任人的移动设备上，提升了设备的智能化水平。
如图4所示，逻辑事务控制器、安全事务控制器分工协同工作，即采用双核分工协同的工作原理，两控制器之间采用UART通信方式，数据双向传输并确认，两控制器之间采用应答报文协议，并使用事件标识符、错误校验、程序跑飞重启三种机制。以逻辑事务控制器为核心的数据采集处理系统，重点关注氧传感器输出信号的调优处理，转换成PLC可以识别的4～20mA信号，并对与PLC通信的关键IO信号进行监视，确保指令发出后被有效执行。以安全事务控制器为核心的安全报警系统，重点关注设备运行状态，对氧含量的在线监控，一旦发现超限立即报警，触发罩式炉的吹扫动作；氧传感器必须被加热以后才能正常工作，冷态下输出的是随机信号，没有任何意义，所以对加热断线监视也特别关注；此外，还扩展了无线通信，可以将安全报警的相关信息直接推送给相关责任人，实现了移动工作。本发明通信接口多样，兼顾成本要求和移动通信要求，特别是无线消息推送方便了责任人员对现场故障的及时了解。
如图2、图3所示，所述逻辑事务控制器采用LPC2136芯片，所述模数转换模块采用16位AD转换芯片MAX1134，所述电源基准模块采用REF3020芯片，所述氧含量4～20mA输出模块采用AD558芯片和AD694芯片组合；所述安全事务控制器采用LPC2136芯片，所述氧气超限报警模块采用TLP421光耦隔离芯片，所述现场显示模块采用RTSI043A03TFT显示屏，所述无线网络通信模块采用DTU器件。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，包括数据采集处理系统、安全报警系统；所述数据采集处理系统包括逻辑事务控制器、信号调理模块、模数转换模块、电源基准模块、氧含量4～20mA输出模块、执行动作反馈模块，所述逻辑事务控制器分别与模数转换模块、氧含量4～20mA输出模块、执行动作反馈模块相连接，信号调理模块与氧探头相连，所述模数转换模块分别与信号调理模块、电源基准模块相连接，所述氧含量4～20mA输出模块与PLC控制器相连接，所述安全报警系统与逻辑事务控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，所述安全报警系统包括安全事务控制器、加热断线报警模块、氧气超限报警模块、现场显示模块、无线通信模块，所述安全事务控制器分别与加热断线报警模块、氧气超限报警模块、现场显示模块、无线通信模块相连接，所述安全事务控制器与逻辑事务控制相连接。
3.根据权利要求1所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，所述信号调理模块前端设置有多通过编码器，多通道编码器连接多个氧探头采集信号；所述信号处理模块后端设置有保真采样电路，能够对输入的信号进行滤波防反接、电压放大、温漂补偿处理。
4.根据权利要求1所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，所述模数转换模块与逻辑事务控制器通过SPI总线相连接，所述氧含量4～20mA输出模块与逻辑事务控制器通过8位数据总线相连接，所述执行动作反馈模块与逻辑事务控制器的IO口相连接。
5.根据权利要求1所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，所述执行动作反馈模块对逻辑事务控制器通过氧含量4～20mA输出模块传送给PLC的IO信号进行监视，通过光耦合作用将这些IO信号的高低状态返回给逻辑事务控制器，逻辑事务控制器将这些IO信号与输出命令进行比对，形成确认闭环。
6.根据权利要求2所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，所述加热断线报警模块、氧气超限报警模块分别与安全事务控制器的IO口相连接，所述现场显示模块与安全事务控制器通过USB接口相连接，无线通信模块与安全事务控制器通过UART总线相连接，安全事务控制器与逻辑事务控制器通过UART总线相连接。
7.根据权利要求2所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，所述加热断线报警模块连接氧探头上设置的加热系统并对加热系统的供电电流进行监测，所述加热断线报警模块包括前端电流传感器、后端阈值判断电路，后端阈值判断电路将前端电流传感器输出信号整形后与设定值比较，若小于设定值则判断为加热断线并发出报警，若大于设定值则为正常状态不需要干预。
8.根据权利要求2所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，所述氧气超限报警模块将氧含量值信号传递给安全事务控制器与警戒值进行比较判断，若超过警戒值，则通过逻辑事务控制器向PLC传递报警信号，触发罩式炉的吹扫动作。
9.根据权利要求2所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，逻辑事务控制器、安全事务控制器分工协同工作，两控制器之间采用UART通信方式，数据双向传输并确认，两控制器之间采用应答报文协议，并使用事件标识符、错误校验、程序跑飞重启三种机制。
10.根据权利要求2所述的罩式炉氧含量检测装置，其特征在于，所述逻辑事务控制器采用LPC2136芯片，所述模数转换模块采用16位AD转换芯片MAX1134，所述电源基准模块采用REF3020芯片，所述氧含量4～20mA输出模块采用AD558芯片和AD694芯片组合；
所述安全事务控制器采用LPC2136芯片，所述氧气超限报警模块采用TLP421光耦隔离芯片，所述现场显示模块采用RTSI043A03 TFT显示屏，所述无线网络通信模块采用DTU器件。
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