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    （杭州盈控自動化有限公司，浙江 杭州 311215）黃福彥，王治國、雷敏
                          
    黃福彥（1976-）男，現(xiàn)在為桂林理工大學機械與控制工程學院在讀研究生，研究方向為過程控制與參數(shù)檢測。

    基金項目：廣西區(qū)自然科學基金項目（2008105960811M13）

    摘要：本文是回轉(zhuǎn)窖無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計，熱電偶測量窖內(nèi)溫度產(chǎn)生的電壓信號，通過無線電傳設(shè)備送至操作室，直接顯示窖頭、窖中和窖尾溫度；同時將信號轉(zhuǎn)發(fā)到中控室，并轉(zhuǎn)換成4～20mA 電流送其它儀表或控制系統(tǒng)顯示，無線測溫系統(tǒng)是回轉(zhuǎn)窖無線測溫的理想工具和最佳手段。

    關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯；無線模塊；測溫

    Abstract: In the design of wireless temperature measuring(WTM)system of rotary kiln, voltage signals which are generated from thermocouples are transmitted to the operating-room,which directly show temperature of the head,middle, end of Rotary kiln, by the radio transmission devices; at the same time, these signals are put forward to the central control room, and converted into 4～20mA current which is sent to other instruments and control system fordisplay. WTMs is an ideal tool and the best means for wireless temperature measurement.

    Key words: Rotary kiln; wireless module; temperature

    傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯的接觸式滑環(huán)測溫中，因其數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c是摩擦接觸式的，容易受到粉塵、大氣氧化等因素的影響，其測量溫度數(shù)據(jù)的準確度、及時度、穩(wěn)定度等隨著使用時間延長而逐漸增大[1，2]；因此研究與設(shè)計新型回轉(zhuǎn)窯測溫系統(tǒng)—無線測溫系統(tǒng)有很重要的意義，本文主要從以下幾個方面：回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)的工作原理，回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計方案，回轉(zhuǎn)爐無線測溫系統(tǒng)的系統(tǒng)測試，論述新型回轉(zhuǎn)爐無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)、初步測試等。

    1 回轉(zhuǎn)窯無線測溫[2，3]系統(tǒng)的工作原理

    在回轉(zhuǎn)窯的窖頭、窖中和窖尾位置安裝三臺窖溫發(fā)送器，隨回轉(zhuǎn)窯窖體一起旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)由間隙供電控制器按照一定的時間間隔控制啟動電路工作。3臺窖溫發(fā)送器分別通過各自無線模塊以無線方式將窖頭、窖中和窖尾溫度（包括冷端溫度）數(shù)據(jù)發(fā)送窯溫接收器等其他部件，具體過程為：回轉(zhuǎn)窯窖頭、窖中和窖尾安裝的熱電偶測量窖內(nèi)溫度，將產(chǎn)生的毫伏信號傳送給發(fā)送模塊，并經(jīng)電壓放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理后，傳送到單片計算機；同時傳送到單片計算機還包括冷端測溫電路測得的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

    窖溫接收器（帶無線模塊）接收窖溫發(fā)送器發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片計算機處理后，發(fā)送到窖溫顯示器中顯示窖頭、窖中和窖尾溫度；同時將這些溫度數(shù)據(jù)以無線方式轉(zhuǎn)發(fā)給窖溫輸出器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，送計算機顯示、記錄和進一步處理等。

    2 回轉(zhuǎn)窯無線測溫[4-7]系統(tǒng)的設(shè)計

    設(shè)計的回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)由窖溫發(fā)送器、窖溫接收器、窖溫輸出器、無線數(shù)傳模塊、電源斷路開關(guān)、蓄電池、窖溫顯示器、熱電偶等部件組成，其中三大主要工作構(gòu)件，分別安裝在窖頭、窖中和窖尾的垂直窖體表面焊裝的3個發(fā)送支架上；窖溫顯示器由單片計算機和4位LED數(shù)碼管等組成，以總線方式并行連接，可通過接收模塊的S1～S3跳線設(shè)置分別顯示窖頭、窖中和窖尾的溫度數(shù)據(jù)，顯示熱電偶電壓A/D值和冷端溫度值。

    本系統(tǒng)設(shè)計中使用的部分設(shè)備的參考型號如下：DZ47-63型小型斷路器；BT-6M4.0AC型6V/4Ah蓄電池；6V/1200mA全自動充電器； 參數(shù)為0～16.77mV，電壓分辨率0.042mV，溫度分辨率為4℃的S分度號熱電偶；參數(shù)為0～48.83mV，電壓分辨率為0.122mV，溫度分辨率為3℃的K分度號熱電偶；頻率為429～433MH工作，通信速率為9600bps，發(fā)射功率為10mW的無線數(shù)傳模塊等。

    2.1 窖溫發(fā)送器設(shè)計

    由于考慮到回轉(zhuǎn)爐需要外接熱電偶、觸發(fā)開關(guān)，或連接水銀開關(guān)，可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窖轉(zhuǎn)到某個特定位置，發(fā)送窖溫數(shù)據(jù)等，或配置無線模塊接口，連接無線模塊，并對模塊提供工作電源、連續(xù)工作設(shè)置、地址設(shè)置、工作電源指示燈等功能。

    因此設(shè)計的窖溫發(fā)送器主要由1個單路窖溫綜合處理發(fā)送器、1個無線數(shù)傳模塊（頻率429~433MH工作，通信速率9600bps，發(fā)射功率10mW）和1個6伏蓄電池組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，這里單路窯溫綜合處理發(fā)生器是核心部件，它由高性能單片計算機、毫伏電壓放大器、A/D轉(zhuǎn)換電路、冷端測溫電路、穩(wěn)壓電源和間隙供電控制器等組成，可以采集、處理和發(fā)送1路熱電偶溫度數(shù)據(jù)和1路冷端溫度數(shù)據(jù)等。
                 
                                     圖1  窯溫發(fā)送器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖
    2.2 窖溫接收器設(shè)計

    因為回轉(zhuǎn)爐需要接收來自于多個窯溫發(fā)送器的溫度數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到窯溫顯示器中，且需要以聲光等形式準確地指示自身工作狀態(tài)等，所以既要考慮到連接窖溫顯示器、對外供電等，也要可以同時接收和處理多路窖溫數(shù)據(jù)，送窖溫顯示器顯示，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給窖溫輸出器等。

    初步設(shè)計的窯溫接收器主要由1個窖溫接收轉(zhuǎn)發(fā)器、1個無線數(shù)傳模塊和1個電源斷路開關(guān)，外接3個窖溫顯示器、1個無線數(shù)傳天線、外部指示燈等組成，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中設(shè)計中采用溫度顯示器、指示燈方面采取的處理技術(shù)為：溫度顯示器顯示窯頭、窯中、窯尾的溫度數(shù)據(jù)，每接收一次數(shù)據(jù)，刷新一次溫度顯示；外接指示燈：系統(tǒng)正常運行時光報警（每秒閃亮一次）的工作指示燈、聲光報警（每接收一次數(shù)據(jù)閃亮一次且發(fā)聲報警提示）的收數(shù)指示燈、表示至少一臺電池需要充電的欠壓指示燈等。
                    
                                  圖2  窯溫接收器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖
    2.3 窖溫輸出器設(shè)計

    初步設(shè)計的窖溫輸出器主要由1個無線數(shù)傳模塊和1個窖溫接收輸出器等幾部分組成，圖中輸出模塊由高性能單片計算機、D/A轉(zhuǎn)換接口電路、光磁隔離電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出驅(qū)動電路、外部接口電路和穩(wěn)壓電源等組成，它以無線方式接收窖溫接收器轉(zhuǎn)發(fā)的回轉(zhuǎn)窖溫度數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成4-20mA 電流信號輸出給計算機或其它儀表，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中在窖溫輸出器指示燈方面采取的策略是：左邊從左到右依次為收到數(shù)據(jù)時閃亮的收數(shù)燈、發(fā)送數(shù)據(jù)時閃亮的發(fā)數(shù)燈、每秒閃亮1次的工作燈、狀態(tài)燈、當收到數(shù)據(jù)聲光報警（“嘀”聲等可選，本測溫系統(tǒng)中統(tǒng)一采用“嘀”聲音為聲報警聲音；右邊從左到右分別顯示電路的輸出狀態(tài)，設(shè)定為輸出越高，亮度越亮等。
                 
                                       圖3  窯溫輸出器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖
    3 回轉(zhuǎn)爐無線測溫系統(tǒng)的系統(tǒng)測試

    3.1 無線測溫系統(tǒng)設(shè)備的安裝

    （1）安裝熱電偶

    本無線測溫系統(tǒng)中選購的是耐磨耐高溫的熱電偶，回轉(zhuǎn)窯窖頭使用S分度號熱電偶，回轉(zhuǎn)窯窖中和窖尾使用K分度號熱電偶。回轉(zhuǎn)窖上的熱電偶的安裝示意圖如圖4所示，其中端頭凸出窖內(nèi)耐火磚3～5厘米為宜，凸出越多熱電偶磨損越快。
                  
                                         圖4  熱電偶安裝示意圖
    （2）安裝發(fā)送支架

    在回轉(zhuǎn)窯的窖頭、窖中和窖尾的適當位置，按照如下示意圖5在垂直窖體表面焊裝3個發(fā)送支架，安裝過程中要注意盡量靠近熱電偶焊接支架，且回轉(zhuǎn)窖旋轉(zhuǎn)一周，發(fā)送支架和窖溫發(fā)送器等不會碰到任何物體或操作員。本設(shè)計中發(fā)送支架與窖體焊接處使用三角形加強板保證焊接的強度。
                      
                                         圖5  發(fā)送支架安裝示意圖
    （3）安裝窖溫發(fā)送器

    檢測好系統(tǒng)設(shè)備，安裝圖6所示安裝窖頭、窖中和窖尾的窖溫發(fā)送器，且通過發(fā)送器底部螺栓固定在發(fā)送支架的安裝板上。
                    
                                         圖6  窖溫發(fā)送器安裝示意圖
    （4）安裝窖溫接收器、安裝窖溫輸出器等

    窖溫接收器安裝在窖頭（或窖尾）操作室中，通過膨脹螺栓和底板上的4個腰形安裝孔固定在墻壁上，無線模塊固定在輸出模塊上，窖溫輸出模塊卡在PLC機柜的導軌上等。

    3.2 無線測溫系統(tǒng)設(shè)備檢測與模擬測試

    在對回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)測試之前，首先需要對窖溫輸出器、窖溫接收器等狀態(tài)進行檢測、并進行模擬測試等，其具體過程如下所示：

    窖溫輸出器的通電狀態(tài)檢測：連接窖溫輸出器，并接通電源，如果通電后，聽到“嘀”的聲報警，無線模塊的光報警-電源指示燈亮，輸出模塊光報警-4個指示燈亮，其中用于表示初始化的燈閃爍等，最后用萬用表測量窯溫輸出器的電流信號輸出，若讀數(shù)是12m A，則完成對窯溫輸出器的檢測。

    窖溫接收器通電狀態(tài)檢測：保持窖溫輸出器通電狀態(tài)，接通窖溫接收器電源，聽到“嘀”聲報警，光報警-工作指示燈閃爍，若窖頭、窖中和窖尾的顯示器均顯示正常值-0度則表示窯溫接收器已完成初始化，窖溫輸出器會收到數(shù)據(jù)，發(fā)出“嘀”聲報警，最后測量窯溫輸出器的電流信號輸出（值約4mA）和查看窖頭、窖中和窖尾的溫度顯示器讀數(shù)是否是0度，如果是0值，完成對窯溫接收器的檢測。

    窖溫發(fā)送器通電狀態(tài)檢測：保持窖溫輸出器和窖溫接收器通電狀態(tài)，取插好電池插子的窖頭發(fā)送器，等待2分鐘，若窯溫發(fā)送器聲光報警，則表示工作正常，并已開始發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，同時窖溫接收器的窖頭溫度顯示，是否從“0”變?yōu)榄h(huán)境溫度值，如果滿足，則完成對窯溫發(fā)送器的檢測。

    保持電池插好狀態(tài)，按同樣的方法，完成窖中發(fā)送器和窖尾發(fā)送器等設(shè)備的通電檢測。

    窖溫輸出器、窖溫接收器等設(shè)備通電檢測完成后，為進行安裝、系統(tǒng)調(diào)試等還需要對設(shè)備進行模擬測試，其具體步驟如下：首先在窖頭發(fā)送器上按如上放置熱電偶的方法連接一個熱電偶，用火烤等方法使熱電偶受熱，一段時間后，如果窖溫接收器顯示的窖頭溫度升高，則設(shè)備表示工作正常，此時測量窖溫輸出器的電流信號值，看是否與顯示的溫度值吻合；再用同樣的方法檢測窖中和窖尾發(fā)送器，看溫度顯示是否和對應輸出電流吻合等。

    3.3 聯(lián)合系統(tǒng)測試

    保持窖溫接收器和窖溫輸出器等通電狀態(tài)，且各個設(shè)備均處于工作狀態(tài)下。回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)的系統(tǒng)測試過程如下：

    首先對窖溫接收器和窖溫輸出器電源進行斷一下操作（例如斷5秒后再送電），然后使窖溫接收器和窖溫輸出器重新啟動，完成初始化過程，然后等待2分鐘，若窖溫接收器收到數(shù)據(jù)，則發(fā)出聲報警、窯溫顯示器改變溫度顯示（冷窖時顯示環(huán)境溫度），若2分鐘后未收到數(shù)據(jù)，則將天線移到其他位置（室外等）再進行測試。

    若窖溫接收器收到數(shù)據(jù)，發(fā)出聲報警，則窖溫輸出器將收到窖溫接收器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，也同時發(fā)出聲報警，改變其輸出電流值，如果2分鐘后，窖溫輸出器和窖溫輸出器的電流已連接到PLC采集端，在計算機上應有溫度顯示。

    4 結(jié)論

    經(jīng)初步測試，設(shè)計的回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)的強適應性—溫度范圍廣-25℃～+85℃、相對濕度寬10%～90%、適應窖體400℃以下的輻射高溫、且量程（窖頭）0～1600℃，窖中和窖尾0～1200℃、且穩(wěn)定工作在交流電壓下，信號滿足工程所需等、低耗電-窖溫發(fā)送器約5～20毫瓦，窖溫接收器約5瓦，窖溫輸出器約5瓦等、遠信號傳輸距離-窖溫發(fā)送器到窖溫接收器約150米，窖溫接收器轉(zhuǎn)發(fā)到窖溫輸出器300米等；初步估計此測溫系統(tǒng)的測試精度可得到1%，是回轉(zhuǎn)窖測溫的理想工具和最佳手段。

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     摘自《自動化博覽》2010年第七期