專利名稱：一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及鑄造裝備的監控技術，具體涉及一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置。
背景技術：
數據采集與監控技術是信息科學的重要分支之一，它研究信息數據的采集、存儲、 處理以及控制等問題，是以傳感信號的測量與處理，以微型計算機為基礎形成的一門綜合性技術。其任務是對生產現場各種參數進行采集和處理，得到所需的數據，并將數據按要求進行顯示或打印，以便實現對某些物理量的監視。數據采集與監控裝置一般需要長時間、 高速度地進行大量的數據的采集、組織、存儲、處理，并對生產進行有效的監控，提高生產效率。實際應用中的數據采集與監控裝置主要分為上位機和下位機兩個部分，上位機一般是指計算機，下位機一般是指數據采集板卡。嵌入式和計算機技術的普遍性、靈活性，使得數據采集與監控裝置的設計要求能夠得到充分的滿足。通過生產現場考察發現，國內廠商生產的大功率中頻感應爐存在著可靠性差、自動化程度低等不足。比如各種狀態參數主要采用模擬儀表進行測量和顯示，需要專人進行數據記錄和安全監控；水冷系統沒有相應的預警和保護功能，安全性得不到保障。要想提高中頻感應爐的可靠性和自動化水平，需要為中頻感應爐配備一種數據采集與監控裝置。然而，通過檢索現有專利發現，在中頻感應爐的相關發明和實用新型專利中，缺少一種專用的數據采集與監控裝置。中頻感應爐的相關技術創新主要是針對中頻電源、爐體和控制方式等方面的創新，而在設備的檢測、監控和管理，以及設備異常的處理和保護措施等方面卻少有改進。
發明內容
本發明提供一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，是為提高560KW大功率中頻感應爐可靠性和自動化水平而設計的一種數據采集與監控裝置，主要完成中頻電源和冷卻水系統的檢測和保護，并為后續擴展電源控制功能預留空間。本發明的大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，包括數據采集板及上位機監控系統，主要完成中頻電源和冷卻水系統的檢測和保護、控制。所述數據采集板包括三相電參數采集模塊、微處理器、電能計量芯片、溫度和壓力采集模塊、串口通信模塊、脈沖寬度調制擴展模塊(以下簡稱PWM擴展模塊)、輸入輸出模塊 (以下簡稱I/O模塊)、繼電器輸出模塊。其中三相電參數采集模塊通過模數轉換接口與電能計量芯片相連，微處理器通過 SPI與電能計量芯片相連，溫度和壓力采集模塊通過模數轉換接口與微處理器相連，PWM擴展模塊、串口通信模塊、I/O模塊均與微處理器相連，繼電器輸出模塊與I/O模塊相連。所述上位機監控系統包括數據顯示模塊、數據存儲模塊、通信模塊和操作模塊，用于接收、顯示和存儲數據采集板采集到的數據，并且發送指令，以實現控制功能。
三相電參數采集模塊對中頻感應爐的三相電信號進行取樣和信號調理，并且將采集到的電信號數據通過電能計量芯片進行運算，再通過SPI實現與微處理器之間的數據交換；溫度和壓力采集模塊將冷卻水系統的溫度和壓力轉換為電信號，并將采集到的電信號通過A/D通道輸入微處理器，由微處理器計算得出溫度和壓力值；串口通信模塊將微處理器中的三相電參數和溫度、壓力值上傳給上位監控系統；PWM擴展模塊與微處理器連接， 為以后擴展中頻電源控制功能預留資源；微處理器對I/O模塊中按鍵、發光二極管和蜂鳴器的控制，以及通過I/O模塊實現對繼電器輸出模塊的控制。本發明采用運算放大器構成三相電信號取樣電路和差分放大電路，以達到隔離模擬和數字信號、保護復位振蕩電路(MCU電路)、提高有用信號傳輸性能的作用。由于電能計量芯片的電壓通道輸入信號在IOmV至IV時，線性誤差小于0. 5% ；電流通道輸入在2mV至 IV時，線性誤差小于0. 5%。本發明將電能計量芯片的A/D轉換接口差分輸入電壓有效值控制在0. IV左右。 上述三相電參數采集模塊由精密電流互感器和電流型電壓互感器以三相三線制接法構成。其中電流型電壓互感器的輸入電流、輸出電流均限制在OmA 5mA，精密電流互感器的輸入電流限制在OA 10A，輸出電流為OmA 10mA。所述溫度和壓力采集模塊包括溫度傳感器和壓力傳感器；溫度傳感器為負溫度系數熱敏式電阻(NTC熱敏電阻)，阻值在10ΚΩ 100ΚΩ，具有靈敏度高、響應快、壽命長、價格低等優點。所述壓力傳感器為壓阻式壓力傳感器，壓力在0. 35MPa 3. 5MPa，具有較高的精度以及較好的線性特性。微處理器為TI C2000系列DSP ；所述電能計量芯片為ATT系列芯片，該系列芯片內嵌有DSP核和六路二階A/D轉換模塊。微處理器的主要功能是完成中頻感應爐供電電源的三相電數據，以及冷卻系統的溫度和壓力數據的采集和處理，并且能夠通過串行外設接口與上位機監控系統收發數據 (進行數據交換)。所以整個程序設計采用前后臺系統結構，主程序是一個無限循環，循環中調用各種函數完成相應的功能，這部分可以看成后臺行為。前臺程序通過中斷調用來處理突發事件；后臺程序則掌管整個嵌入式系統軟、硬件資源的分配、管理以及任務的調度， 是一個系統管理調度程序。DSP程序的前臺部分為定時器中斷，后臺程序分為六個模塊，分別為系統初始化模塊、三相電參數采集模塊、A/D采樣模塊、串口通信模塊、異常處理模塊、 按鍵響應模塊。所述上位機監控系統基于微軟基礎類庫(MFC)單文檔形式開發監控系統主界面， 數據顯示模塊通過MSChart控件實現狀態跟蹤功能，數據存儲模塊通過ACCESS數據庫存儲數據，并通過開放數據庫連接(ODBC)技術將數據庫與主界面進行關聯，通信模塊通過 MSComm控件實現串口通信功能，操作模塊通過對話框的方式實現功能選擇、參數設置、報警提示等人機交互功能。監控系統的人機交互功能主要通過對話框方式實現，包括功能設置， 狀態跟蹤，系統日志，報警提示等。監控系統能夠采集的參數包括三相電壓和電流、無功功率、有功功率、功率因數、頻率，以及冷卻水溫度和壓力等。與現有技術相比，本發明具有以下優點(1)本發明針對大功率中頻感應爐設計，將檢測、保護和控制等功能集成在數據采集板上，提高了中頻感應爐的可靠性和自動化水平。選用專用DSP作為數據采集板微處理器，能夠支持實時、高速的數據采集與處理，滿足系統集成和功能擴展的需要，為PWM控制提供了更加靈活、高效的解決方案；
(2 )本發明數據采集板上的三相電參數采集模塊由精密電流互感器和電流型電壓互感器以三相三線制接法構成，相比三相四線制接法，只需兩個電壓互感器和兩個電流互感器， 節約了成本，縮小了數據采集板的體積；
(3)本發明數據采集板上的電能計量芯片自帶16位高精度A/D轉換模塊和DSP核，其中的固化程序，能夠自行完成參數的計算，不僅提高了系統電參數的測量精度，而且降低了微處理器的軟件復雜度，減少了微處理器的計算工作量；
(4)本發明的數據采集板通過串口與計算機通信，結構簡單，穩定性好。經過初步校正， 電參數采集精度達到0. 5%，溫度和壓力采集精度達到1% ；
(5)本發明的上位機監控系統交互界面友好，操作方便，響應快捷；使用hstallShield Wizard軟件打包工具，對監控軟件進行打包。安裝程序能夠在Windows XP操作系統環境下正常運行；
(6)本實用新型的中頻感應爐數據采集與監控裝置能對大功率中頻電源三相電參數及其冷卻水系統的溫度和壓力信號的數據采集，并且上位機和下位機均能實現數據異常的判斷、處理和報警功能。同時，該數據采集與監控裝置能夠擴展中頻電源控制功能，取代原有的單片機控制系統。
圖1為本發明的中頻感應爐數據采集與監控裝置結構圖； 圖2為圖1所示數據采集板的結構框圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明，但不限于此。實施例1
本發明的中頻感應爐數據采集與監控裝置結構如圖1所示包括數據采集板和上位機監控系統。數據采集板結構如圖2所示，包括三相電參數采集模塊、微處理器、電能計量芯片、溫度和壓力采集模塊、串口通信模塊、PWM擴展模塊、I/O模塊、繼電器輸出模塊。三相電參數采集模塊與電能計量芯片相連，電能計量芯片通過串行外設接口與微處理器連接，溫度和壓力采集模塊、PWM擴展模塊、串口通信模塊、I/O模塊均與微處理器連接，繼電器輸出模塊與I/O模塊連接。三相電參數采集模塊與電能計量芯片相連，電能計量芯片通過串行外設接口與微處理器連接，溫度和壓力采集模塊、PWM擴展模塊、串口通信模塊、I/O模塊均與微處理器連接，繼電器輸出模塊與I/O模塊連接。三相電參數采集模塊由精密電流互感器和電流型電壓互感器以三相三線制接法構成，其中的信號取樣和調理電路由運算放大器LM3M和LM358完成。LM324含四路雙電源運放，兩路接500Ω取樣電阻，取
電壓信號，另外兩路接150 Ω取樣電阻，取電流信號，然后通過LM358構成的差分放大器處理后接入電能計量芯片的A/D采樣通道。溫度和壓力采集模塊中的溫度傳感器選用100ΚΩ，Β常數為4250的負溫度系數熱敏電阻，標稱阻值精度為士 1%，B值對應誤差為士 1%;壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器， 選用STI-HT系列隔離膜充油壓阻式壓力傳感器中的ΗΤ15。串口通信模塊采用RS-232異步串行通信，數據采集板上配置兩路串口 Jl和J2。 Jl用于和上位機監控軟件進行數據交互，J2可用于擴展其它功能。同時，Jl可用于程序燒寫，便于下位機軟件升級。微處理器選用TMS320F2812，包含16路A/D采樣通道和兩個事件管理器(EVA和 EVB)模塊，其事件管理器(EV)模塊是一個典型的擴展功能模塊，特別適用于電力電子、運動控制和電機控制等領域。事件管理器模塊主要包括通用定時器、PWM電路、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路(QEP )。本發明中預留EVA接口和8個A/D采樣通道，主要用于PWM擴展模塊的功能擴展，取代中頻感應爐原有的單片機控制系統，將數據采集和電源控制功能集成在一起。電能計量芯片選用ATT系列的ATT7022C。I/O模塊主要用來控制蜂鳴器、按鍵和LED。其中，蜂鳴器和一個LED組成聲光報警電路，三個按鍵和三個LED組成按鍵輸入電路，三個LED作為按鍵提示燈使用；三個按鍵分別用來控制PWM、串口通信、報警功能的開關。此外，可以在I/O 口上擴展繼電器輸出模塊，實現電氣控制功能。上位機監控系統包括數據顯示模塊、數據存儲模塊、通信模塊和操作模塊，數據顯示模塊顯示的參數包括三相電壓和電流、無功功率、有功功率、功率因數、頻率，以及冷卻水溫度和壓力等。數據存儲模塊通過ACCESS數據庫存儲數據，通過開放數據庫連接技術 (ODBC技術)將數據庫與主界面進行關聯。通信模塊用于接收下位機采集到的數據，以及向下位機發送控制指令。操作模塊用于實現人機交互功能。上位機監控系統具有報警提示和狀態跟蹤功能，用戶可以手動修改報警上下限，可以查看指定參數的動態變化。本發明的數據采集與監控裝置通過三相電參數采集模塊、溫度和壓力采集模塊與中頻感應爐現場的三相電源和水冷系統連接，從而采集中頻感應爐的三相電參數、溫度、 壓力信號。三相電壓和三相電流信號通過數據采集板上的三相電參數采集模塊轉換后，進入電能計量芯片。由電能計量芯片計算出三相電參數，并通過SPI傳給微處理器。溫度和壓力采集模塊將溫度和壓力轉換為電信號后，通過A/D采樣通道進入微處理器。微處理器通過PWM擴展模塊的事件管理器A (EVA)，產生PWM控制信號。數據采集板通過串口通信模塊將所有數據更新發送到上位機監控系統。上位機監控系統通過通信模塊接收和發送數據， 通過存儲模塊對數據進行存儲和處理，通過顯示模塊顯示數據和狀態，通過操作模塊實現功能選擇、參數設置、報警提示等人機交互功能。如果發生數據超出系統設定的正常范圍， 微處理器將通過I/O模塊發出報警信號和保護信號，通過繼電器輸出模塊執行保護動作， 同時，上位機監控系統也會通過顯示模塊發出報警提示。
權利要求
1.一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，其特征在于包括數據采集板和上位機監控系統；所述數據采集板包括三相電參數采集模塊、微處理器、電能計量芯片、溫度和壓力采集模塊、串口通信模塊、脈沖寬度調制擴展模塊、輸入輸出模塊、繼電器輸出模塊；其中三相電參數采集模塊通過模數轉換接口與電能計量芯片相連，微處理器通過串行外設接口與電能計量芯片相連，溫度和壓力采集模塊通過模數轉換接口與微處理器相連， 脈沖寬度調制擴展模塊、串口通信模塊、輸入輸出模塊均與微處理器相連，繼電器輸出模塊與輸入輸出模塊相連；三相電參數采集模塊進行三相電信號的取樣和信號調理，并且將采集到的電信號數據通過電能計量芯片進行運算，再通過串行外設接口實現與微處理器之間的數據交換；溫度和壓力采集模塊將冷卻水系統的溫度和壓力轉換為電信號，并將電信號通過模數轉換通道輸入微處理器，由微處理器計算得出溫度和壓力值；串口通信模塊與上位機監控系統串口相連，將微處理器中的三相電參數和溫度、壓力值上傳給監控系統；脈沖寬度調制擴展模塊與微處理器連接，為以后擴展中頻電源控制功能預留資源；繼電器輸出模塊、輸入輸出模塊和微處理器依次相連，以實現微處理器對輸入輸出模塊中按鍵、發光二極管和蜂鳴器的控制，以及通過輸入輸出模塊實現對繼電器輸出模塊的控制；所述上位機監控系統包括數據顯示模塊、數據存儲模塊、通信模塊和操作模塊，用于接收、顯示和存儲數據采集板采集到的數據，并且發送指令，以實現控制功能。
2.根據權利要求1所述的一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，其特征在于 所述三相電參數采集模塊由精密電流互感器和電流型電壓互感器以三相三線制接法構成。
3.根據權利要求2所述的一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，其特征在于 所述電流型電壓互感器的輸入電流、輸出電流均限制在OmA 5mA，精密電流互感器的輸入電流限制在OA 10A，輸出電流為OmA 10mA。
4.根據權利要求1所述的一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，其特征在于 所述溫度和壓力采集模塊包括溫度傳感器、壓力傳感器。
5.根據權利要求4所述的一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，其特征在于 所述溫度傳感器為阻值在10ΚΩ 100ΚΩ的負溫度系數熱敏式電阻，所述壓力傳感器為壓力在0. 35MPa 3. 5MPa的壓阻式壓力傳感器。
6.根據權利要求1所述的一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，其特征在于 所述微處理器為TI C2000系列數字信號處理器；所述電能計量芯片為ATT系列芯片，該系列芯片內嵌有數字信號處理器核和六路二階A/D轉換模塊。
7.根據權利要求1或6所述的一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，其其特征在于所述上位機監控系統基于微軟基礎類庫單文檔形式開發監控系統主界面，數據顯示模塊通過MSChart控件實現狀態跟蹤功能，數據存儲模塊通過ACCESS數據庫存儲數據，通過開放數據庫連接技術將數據庫與主界面進行關聯，通信模塊通過MSComm控件實現串口通信功能，操作模塊通過對話框的方式實現人機交互功能。
全文摘要
一種大功率中頻感應爐數據采集與監控裝置，包括數據采集板和上位機監控系統。數據采集板包括三相電參數采集模塊、微處理器、電能計量芯片、溫度和壓力采集模塊、串口通信模塊、脈沖寬度調制擴展模塊、輸入輸出模塊、繼電器輸出模塊。三相電參數采集模塊、電能計量芯片、微處理器依次相連，溫度和壓力采集模塊、脈沖寬度調制擴展模塊、串口通信模塊、輸入輸出模塊均與微處理器連接，繼電器輸出模塊與輸入輸出模塊相連。上位機監控系統通過串口與數據采集板通信，接收、顯示和存儲數據采集板采集到的數據，并且發送指令以實現控制功能。本發明能完成生產現場的數據采集和設備狀態的安全監控，提高中頻感應爐的可靠性和自動化水平。
文檔編號G01D21/02GK102279019SQ20111017646
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月28日 優先權日2011年6月28日
發明者劉華, 吳玉香, 李哲 申請人:華南理工大學