大型感应电炉功率从几百kW到数千kW不等,其功率元件发热量大,对散热效果要求较高,如线圈、水套、可控硅、电容器和电抗器等都用水冷,通常采用冷却水封闭式循环.受高温、水质变化等因素的影响,使用一段时间后水路会出现堵塞现象,尤其在有整流逆变电源的冷却水回路中,直流电压会对金属管件产生电腐蚀效应,日积月累之后,管路进出的连接部位慢慢被腐蚀物堵塞,如不及时发现将烧坏功率元件,造成短路事故.为避免设备事故,传统的做法有两种:第一种在冷却水回路的回水管路上安装温度开关,发生堵塞时水温度升高引发温度开关动作,发出报警信号提示或切断电源.但这种情况出现时，往往是水路堵塞比较严重,功率元件可能已经不同程度受损;第二种是在每个回水管路安装PT100传感器,直接测量并在巡检仪上显示温度,这样能提前发现问题.但一套设备几十个回路,需要电缆芯数近百根,现场布线难度较大而只测量部分回路的水温.本文介绍一种数字式测温传感器DS18B20,采用单总线通讯方式,很方便地将几十只温度传感器串行连接在一根总线上,解决了布线繁多庸肿的问题,这样所有的冷却水回路都可以测量水温.通过组态软件把各点的温度数据采集进入工控机,电脑画面实时显示和归档各点温度,生成历史曲线可以查询,形成一套完整的水温监控系统.

DS18B20是一种数字式温度传感器,结构如三极管形状大小,只有3个引脚(电源-地-信号).它可以根据现场情况自行封装,测温范围-55 ℃~+125 ℃,能满足测量水温的需要.内部方框图如图 1所示.

图 1

图 1 DS18B20方框图 Fig.1 DS18B20 block diagram

该传感器有3个主要部分组成:64位激光ROM、温度灵敏元件和非易失性温度报警触发器.从图 1中可以看出,与外部的信息交换均经过DQ端实现.64位ROM和ROM操作控制部分允许DS18B20作为一个单线器件工作,并遵循1-wire协议.

1-wire总线是美国Dallas的一项专有技术,由一个总线主节点和多个从节点组成系统,通过一根信号线对从节点进行数据读取.每一个符合1-wire协议的从节点都有一个唯一的地址,包括48位的序列号、8位的家族代码和8位的CRC代码.主节点对各从节点的寻址依据这64位不同代码进行.1-wire总利用一根线实现双向通信.因此其协议对时序的要求比较严格.1-wire单总线适用于单个主机系统,能够控制一个或多个从机设备.所有的传输操作均由初始化序列开始,初始化序列由主机发出的复位脉冲和从机发出的在线应答脉冲组成.一旦主机检测到应答脉冲,就可以发出ROM功能命令.所有的ROM操作命令长度为8位,操作命令有5种:Read ROM、Match ROM、Search ROM、Skip ROM和Alarm Search.执行了ROM命令之后,就可以读取数据.

每个DS18B20均有48位不同的序列号,因此1-wire上可以同时接入多个DS18B20,外部处理器读取相应的序列号即可读取其温度测量数据.

测温系统由主要有4部分构成.即测温元件、1-wire、外部处理器和PC存贮单元.

测温元件:采用DS18B20温度传感器,防水封装,电话水晶头压接.

1-wire:采用扁平式四芯电话线,只用其中三芯,用电话4P三通插接每个测温元件.主要用于外部处理器与测温元件的通讯链路.

外部处理器:采用长英科技LTM8000系列数字化模块,用于处理对测温元件的数据读取以及PC机的信息交换.

PC存贮单元:采用工业PC机,具有RS232接口,并安装组态王软件,组态显示画面窗口,采集和归档每个测温元件的温度数据.

硬件系统配置如图 2.

图 2

图 2 硬件配置系统图 Fig.2 Hard ware-configuiation system diagram

LTM8000系列智能模块是数字化、网络化探头与上位机的纽带,是现场测量的处理及转发中心,对于DS18B20来说就是1-wire上的主机设备.上位机通过基于ASCII码方式的通讯协议发布命令,对LTM8000系列智能模块进行远端控制.模块通过RS485/232转换器与PC机的RS232接口连接.大约由10个不同的命令组成,支持高级语言编程,提供DLL动态连接库及多种组态软件支持,这样就可以在组态软件中对模块进行读写访问,将其所采集的温度数据传输给PC机.该模块有自己的编程软件,能够配置通讯地址、波特率等参数,并且将每个温度传感器进行编址,以识别出每个温度传感器.

每个RS-485网络可连接128个LTM8000系列模块,最远通讯距离可达1.2 km.每个LTM-8000模块可组成8个1-wire网络,每个网络能带8个传感器,因此最多可安装64个传感器,实际使用中单个网络最多可达32个传感器.在使用V类网络时可保证最远测温距离为200 m.

组态王软件是一种开发监控的系统软件,以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代统的封闭式系统.它是一款国产软件,具有适应性强、开放性好以及易于扩展等优点,有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能.

选用组态王软件,主要是因为该产品驱动支持LTM8000的ModbusRTU 通讯协议.KVModbusRtuEx是一个通用的ModbusRTU串口驱动程序,可以通过配置KVModbusRtuEx.ini来定制协议的打包规则.标准的ModbusRTU协议已经在文件中配置,用户可以直接定义这种设备类型,而不需要修改ini配置文件.

组态王分为开发版和运行版,需要硬件授权方可正常使用.开发版用来组态一个完整的工程,主要分为图形界面的设计、构造数据库和建立动画连接等.组态完成并测试后,使用运行版来运行组态的工程,通过画面显示,能实时观察各点温度数据,使用历史曲线功能直观地观察温度变化趋势曲线.根据需要,可以设置温度报警值,一旦传感器温度超过设定值,立即弹出报警画面,提醒操作人员温度异常需立即处理.如果与PLC配套使用,通过命令语言程序还可以将报警变量传递给PLC,直接切断设备电源进行维修处理.

在900 kW铜合金有芯炉上,设计并应用了冷却水温度监控系统.该设备采用整流逆变方式调功电源,可控硅、电抗器、水冷线卷、水冷套及水冷电缆都采用水冷却方式,冷却水回路共计28条.

硬件配置:LTM8662模块1只,DS18B20传感器32只,研华610L工控机1台.组态王软件采用V6.5.1版本,128点授权.

为降低外部干扰,减少总线的分布数量,LTM8662模块只搭建两个总线网络.电源水冷部分21只传感器挂在一条1-wire上,炉体感应器部分7只传感器挂在另一条1-wire上,这样也可以避免相互干扰,在通讯异常时方便排查.

该设备控制系统采用西门S7-314 PLC,采用组态王作为上位机软件,因此,只须将冷却水路监控系统嵌入组态主画面,作为一个子窗口调用即可.通过组态设置,当水温超过60 ℃时,主画面立即弹出报警窗口,并使PLC输出命令断开主电源开关.组态运行的冷却水监控画面如图 3所示.

图 3

图 3 冷却水监控画面 Fig.3 Cooling water monitoring diagram

该监控系统自投入使用以后,在设备维护保养中发挥了重要作用.操作人员能直观看到每个回路的实际温度,点检人员通过查看温度历史曲线,根据各点温度变化趋势,及时制定水路清理计划,运行中既未影响正常生产也未发生堵塞事故.在感应熔炼、感应加热等大功率水冷设备上具有较高的推广价值.