杭州盈控自动化有限公司

    （杭州盈控自动化有限公司，浙江 杭州 311215）黄福彦，王治国、雷敏
                          
    黄福彦（1976-）男，现在为桂林理工大学机械与控制工程学院在读研究生，研究方向为过程控制与参数检测。

    基金项目：广西区自然科学基金项目（2008105960811M13）

    摘要：本文是回转窖无线测温系统的设计，热电偶测量窖内温度产生的电压信号，通过无线电传设备送至操作室，直接显示窖头、窖中和窖尾温度；同时将信号转发到中控室，并转换成4～20mA 电流送其它仪表或控制系统显示，无线测温系统是回转窖无线测温的理想工具和最佳手段。

    关键词：回转窑；无线模块；测温

    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

    传统回转窑的接触式滑环测温中，因其数据传输的特点是摩擦接触式的，容易受到粉尘、大气氧化等因素的影响，其测量温度数据的准确度、及时度、稳定度等随着使用时间延长而逐渐增大[1，2]；因此研究与设计新型回转窑测温系统—无线测温系统有很重要的意义，本文主要从以下几个方面：回转窑无线测温系统的工作原理，回转窑无线测温系统的设计方案，回转炉无线测温系统的系统测试，论述新型回转炉无线测温系统的设计、实现、初步测试等。

    1 回转窑无线测温[2，3]系统的工作原理

    在回转窑的窖头、窖中和窖尾位置安装三台窖温发送器，随回转窑窖体一起旋转，其旋转由间隙供电控制器按照一定的时间间隔控制启动电路工作。3台窖温发送器分别通过各自无线模块以无线方式将窖头、窖中和窖尾温度（包括冷端温度）数据发送窑温接收器等其他部件，具体过程为：回转窑窖头、窖中和窖尾安装的热电偶测量窖内温度，将产生的毫伏信号传送给发送模块，并经电压放大、A/D转换等处理后，传送到单片计算机；同时传送到单片计算机还包括冷端测温电路测得的环境温度数据。

    窖温接收器（带无线模块）接收窖温发送器发送来的温度数据，经单片计算机处理后，发送到窖温显示器中显示窖头、窖中和窖尾温度；同时将这些温度数据以无线方式转发给窖温输出器，经D/A转换后，送计算机显示、记录和进一步处理等。

    2 回转窑无线测温[4-7]系统的设计

    设计的回转窑无线测温系统由窖温发送器、窖温接收器、窖温输出器、无线数传模块、电源断路开关、蓄电池、窖温显示器、热电偶等部件组成，其中三大主要工作构件，分别安装在窖头、窖中和窖尾的垂直窖体表面焊装的3个发送支架上；窖温显示器由单片计算机和4位LED数码管等组成，以总线方式并行连接，可通过接收模块的S1～S3跳线设置分别显示窖头、窖中和窖尾的温度数据，显示热电偶电压A/D值和冷端温度值。

    本系统设计中使用的部分设备的参考型号如下：DZ47-63型小型断路器；BT-6M4.0AC型6V/4Ah蓄电池；6V/1200mA全自动充电器； 参数为0～16.77mV，电压分辨率0.042mV，温度分辨率为4℃的S分度号热电偶；参数为0～48.83mV，电压分辨率为0.122mV，温度分辨率为3℃的K分度号热电偶；频率为429～433MH工作，通信速率为9600bps，发射功率为10mW的无线数传模块等。

    2.1 窖温发送器设计

    由于考虑到回转炉需要外接热电偶、触发开关，或连接水银开关，可实现回转窖转到某个特定位置，发送窖温数据等，或配置无线模块接口，连接无线模块，并对模块提供工作电源、连续工作设置、地址设置、工作电源指示灯等功能。

    因此设计的窖温发送器主要由1个单路窖温综合处理发送器、1个无线数传模块（频率429~433MH工作，通信速率9600bps，发射功率10mW）和1个6伏蓄电池组成，其电路结构如图1所示，这里单路窑温综合处理发生器是核心部件，它由高性能单片计算机、毫伏电压放大器、A/D转换电路、冷端测温电路、稳压电源和间隙供电控制器等组成，可以采集、处理和发送1路热电偶温度数据和1路冷端温度数据等。
                 
                                     图1  窑温发送器内部电路结构图
    2.2 窖温接收器设计

    因为回转炉需要接收来自于多个窑温发送器的温度数据，并转发到窑温显示器中，且需要以声光等形式准确地指示自身工作状态等，所以既要考虑到连接窖温显示器、对外供电等，也要可以同时接收和处理多路窖温数据，送窖温显示器显示，并将数据转发给窖温输出器等。

    初步设计的窑温接收器主要由1个窖温接收转发器、1个无线数传模块和1个电源断路开关，外接3个窖温显示器、1个无线数传天线、外部指示灯等组成，其内部电路结构如图2所示，其中设计中采用温度显示器、指示灯方面采取的处理技术为：温度显示器显示窑头、窑中、窑尾的温度数据，每接收一次数据，刷新一次温度显示；外接指示灯：系统正常运行时光报警（每秒闪亮一次）的工作指示灯、声光报警（每接收一次数据闪亮一次且发声报警提示）的收数指示灯、表示至少一台电池需要充电的欠压指示灯等。
                    
                                  图2  窑温接收器的内部电路结构图
    2.3 窖温输出器设计

    初步设计的窖温输出器主要由1个无线数传模块和1个窖温接收输出器等几部分组成，图中输出模块由高性能单片计算机、D/A转换接口电路、光磁隔离电路、D/A转换电路、输出驱动电路、外部接口电路和稳压电源等组成，它以无线方式接收窖温接收器转发的回转窖温度数据，并转换成4-20mA 电流信号输出给计算机或其它仪表，其电路结构如图3所示。其中在窖温输出器指示灯方面采取的策略是：左边从左到右依次为收到数据时闪亮的收数灯、发送数据时闪亮的发数灯、每秒闪亮1次的工作灯、状态灯、当收到数据声光报警（“嘀”声等可选，本测温系统中统一采用“嘀”声音为声报警声音；右边从左到右分别显示电路的输出状态，设定为输出越高，亮度越亮等。
                 
                                       图3  窑温输出器的内部电路结构图
    3 回转炉无线测温系统的系统测试

    3.1 无线测温系统设备的安装

    （1）安装热电偶

    本无线测温系统中选购的是耐磨耐高温的热电偶，回转窑窖头使用S分度号热电偶，回转窑窖中和窖尾使用K分度号热电偶。回转窖上的热电偶的安装示意图如图4所示，其中端头凸出窖内耐火砖3～5厘米为宜，凸出越多热电偶磨损越快。
                  
                                         图4  热电偶安装示意图
    （2）安装发送支架

    在回转窑的窖头、窖中和窖尾的适当位置，按照如下示意图5在垂直窖体表面焊装3个发送支架，安装过程中要注意尽量靠近热电偶焊接支架，且回转窖旋转一周，发送支架和窖温发送器等不会碰到任何物体或操作员。本设计中发送支架与窖体焊接处使用三角形加强板保证焊接的强度。
                      
                                         图5  发送支架安装示意图
    （3）安装窖温发送器

    检测好系统设备，安装图6所示安装窖头、窖中和窖尾的窖温发送器，且通过发送器底部螺栓固定在发送支架的安装板上。
                    
                                         图6  窖温发送器安装示意图
    （4）安装窖温接收器、安装窖温输出器等

    窖温接收器安装在窖头（或窖尾）操作室中，通过膨胀螺栓和底板上的4个腰形安装孔固定在墙壁上，无线模块固定在输出模块上，窖温输出模块卡在PLC机柜的导轨上等。

    3.2 无线测温系统设备检测与模拟测试

    在对回转窑无线测温系统测试之前，首先需要对窖温输出器、窖温接收器等状态进行检测、并进行模拟测试等，其具体过程如下所示：

    窖温输出器的通电状态检测：连接窖温输出器，并接通电源，如果通电后，听到“嘀”的声报警，无线模块的光报警-电源指示灯亮，输出模块光报警-4个指示灯亮，其中用于表示初始化的灯闪烁等，最后用万用表测量窑温输出器的电流信号输出，若读数是12m A，则完成对窑温输出器的检测。

    窖温接收器通电状态检测：保持窖温输出器通电状态，接通窖温接收器电源，听到“嘀”声报警，光报警-工作指示灯闪烁，若窖头、窖中和窖尾的显示器均显示正常值-0度则表示窑温接收器已完成初始化，窖温输出器会收到数据，发出“嘀”声报警，最后测量窑温输出器的电流信号输出（值约4mA）和查看窖头、窖中和窖尾的温度显示器读数是否是0度，如果是0值，完成对窑温接收器的检测。

    窖温发送器通电状态检测：保持窖温输出器和窖温接收器通电状态，取插好电池插子的窖头发送器，等待2分钟，若窑温发送器声光报警，则表示工作正常，并已开始发送温度数据，同时窖温接收器的窖头温度显示，是否从“0”变为环境温度值，如果满足，则完成对窑温发送器的检测。

    保持电池插好状态，按同样的方法，完成窖中发送器和窖尾发送器等设备的通电检测。

    窖温输出器、窖温接收器等设备通电检测完成后，为进行安装、系统调试等还需要对设备进行模拟测试，其具体步骤如下：首先在窖头发送器上按如上放置热电偶的方法连接一个热电偶，用火烤等方法使热电偶受热，一段时间后，如果窖温接收器显示的窖头温度升高，则设备表示工作正常，此时测量窖温输出器的电流信号值，看是否与显示的温度值吻合；再用同样的方法检测窖中和窖尾发送器，看温度显示是否和对应输出电流吻合等。

    3.3 联合系统测试

    保持窖温接收器和窖温输出器等通电状态，且各个设备均处于工作状态下。回转窑无线测温系统的系统测试过程如下：

    首先对窖温接收器和窖温输出器电源进行断一下操作（例如断5秒后再送电），然后使窖温接收器和窖温输出器重新启动，完成初始化过程，然后等待2分钟，若窖温接收器收到数据，则发出声报警、窑温显示器改变温度显示（冷窖时显示环境温度），若2分钟后未收到数据，则将天线移到其他位置（室外等）再进行测试。

    若窖温接收器收到数据，发出声报警，则窖温输出器将收到窖温接收器转发的数据，也同时发出声报警，改变其输出电流值，如果2分钟后，窖温输出器和窖温输出器的电流已连接到PLC采集端，在计算机上应有温度显示。

    4 结论

    经初步测试，设计的回转窑无线测温系统的强适应性—温度范围广-25℃～+85℃、相对湿度宽10%～90%、适应窖体400℃以下的辐射高温、且量程（窖头）0～1600℃，窖中和窖尾0～1200℃、且稳定工作在交流电压下，信号满足工程所需等、低耗电-窖温发送器约5～20毫瓦，窖温接收器约5瓦，窖温输出器约5瓦等、远信号传输距离-窖温发送器到窖温接收器约150米，窖温接收器转发到窖温输出器300米等；初步估计此测温系统的测试精度可得到1%，是回转窖测温的理想工具和最佳手段。

    参考文献：

    [1] 黄德承, 贾剑平. 回转窑无线测温系统设计[J]. 冶金自动化,2008,s1:124～128.

    [2] 刘肃, 刘位平, 李丽萍,张君静. 回转窑无线限测温系统[C]. 中国金属学会2008年非高炉炼铁年会文集, 2008:186～188.

    [3] 曾德文, 曹建, 丁家峰, 叶绍龙. 基于无线技术的回转窑温度监测系统[J].制造业自动化，2009, 31(4): 95～97.

    [4]杜启亮, 莫鸿强, 毛宗源, 林俊. 硫化钡回转窑红外温度测量与分析[J]. 仪器仪表学报, 2007, 28(8): 1492～1495.

    [5] 李彬, 李业德, 程海涛. 低功耗无线测温系统的设计[J]. 山东理工大学学报(自然科学版), 2009, 23(2):83～87.

    [6] 杨明欣, 王建波, 于志强. 基于TI单片机低功耗无线测温装置的设计[J].仪器技术与传感器, 2008, (8): 87～91.

    [7] 杨明欣, 王建波, 邹云海. 无线测温仪表设计[J]. 微计算机信, 2008, 24(8):185～187.

     摘自《自动化博览》2010年第七期