漏钢在连铸生产过程中是一种灾难性事故,会损坏设备并对生产计划造成严重影响,因此,漏钢预报变得十分重要。 在众多漏钢形式中,粘结性漏钢出现的概率最高,目前国内外针对粘结性漏钢的预报方法基本都是通过热电偶测温来实现的。 为了实现准确的漏钢预报,需要对结晶器铜板温度进行准确、 实时的采集。 本文设计的同步采集系统以Altera公司的EP4CE6F17C8N FPGA芯片为主控核心,采用K型热电偶测温,MAX6675芯片对其进行冷端温度补偿及线性化。 利用Verilog HDL语言编写的程序通过FPGA对埋设在结晶器铜板中的数十支热电偶温度进行同步数据采集, 以确保漏钢预报热电偶测温的实时性和准确性。

当结晶器内壁上出现凝固层粘结时,凝固层会不断地被拉破、再生成,并缓慢地向结晶器底部移动,最终发生漏钢。 由于钢液与结晶器发生粘结,随着铸坯不断被拉出结晶器,粘结发生点被拉裂,钢液就会直接在破裂处与结晶器壁接触, 从而导致该点温度上升。

根据这一现象, 利用热电偶对结晶器铜板温度直接进行测量, 在结晶器的两宽边和两窄边经过合理布局30支热电偶(设计结晶器正面和背面选取3行3列,左侧和右侧选取3行2列),对采集的温度进行数据处理、逻辑判断等,从而实现漏钢预报[1]。 本文基于漏钢预报原理, 针对工业现场温度数据的同步采集处理能力方面存在的不足, 给出系统总体设计方案,并进行硬件电路及软件程序设计。

系统框架图如图1,该系统以FPGA为核心,可以同时处理不同任务, 工作效率相较于传统的单片机有很大提高。 多路K型热电偶和MAX6675芯片对结晶器铜板温度进行测量、 调理并转换成数字信号, 经FPGA对30路温度数据进行同步采集与处理,之后经通信模块传送给上位机,供上位机对采集的数据进行分析、处理及显示。

系统硬件部分主要包括测温模块, 温度数据处理模块和数据传输模块。 测温模块的作用是对结晶器铜板的温度进行测量, 温度数据处理模块对采集的热电偶温度进行冷端温度补偿、线性化、模数转换等处理, 数据传输模块则是利用FPGA对多路热电偶温度数据进行同步采集与处理,并传送给上位机。 根据钢铁连铸结晶器的温度范围, 温度传感器选用K型热电偶,温度数据处理模块选择专用K型热电偶调理芯片MAX6675,与上位机的通讯采用485总线进行数据传输。

热电偶与MAX6675引脚接线图如图2所示。

测温模块使用的K型热电偶温度传感器具有非线性、需要冷端温度补偿、输出为模拟量等缺点, 而设计选 用的K型热电偶 串行模数 转换芯片MAX6675自带冷端补偿 , 内部集成了冷端补偿电路、非线性校正电路、端点检测电路等,很好地解决了热电偶应用的一系列问题[2]。

MAX6675时序图如图3。 一个完整的数据读过程需要16个时钟周期, 数据通常在SCK的下降沿被读取。 MAX6675的输出数据为16位,由SO端口以SPI方式输出。 其中,D14-D3与热电偶模拟电压的数字转换量相对应,即温度数据的有效位。 D2为热电偶是否断线的检测位,D1为MAX6675的标示符。 D1和D15位是伪标志位,其结果总为0,D0位为三态。 MAX6675的D14-D3的12位数据为0时, 其对应的温度值为最小值0℃;最大值4095所对应的温度值为1023.75℃。温度值与数字量之间的对应关系为:

本设计所使用的RS485接口相较于RS232具有抗噪声干扰性强,传输距离长和多站能力等特点, 在工业现 场恶劣的 环境下应 用广泛 。 选取的MAX485芯片其接口电路如图4所示。

RS-485是一种半双工通信 ,发送数据和接收数据共用同一物理通道, 在任意时刻只允许一台网络终端设备处于工作状态。 传输线路在通信过程中阻抗不连续或阻抗不匹配时将会引起信号的反射,反射信号与原信号叠加导致数据的误码率增加, 使得正常通信受到影响。 现场RS485网络的通信载体一般采用双绞线,它的特性阻抗为120Ω 左右,设计在位于总线两端的差分端口A与B之间跨接120Ω 匹配电阻[4]。 RS-485通信框图如图5。

RS485总线采取差分信号传输方式 ,由A和B两根线通信, 上位机串口的负逻辑RS-232电平经过RS232/RS-485转换模块转换为标准RS-485电平, 各个下位机的采集模块经过RS-485通信接口电路分别挂接在系统通信总线上, 每一个采集模块分配唯一的地址码, 工作时采取命令 / 应答通信方式,主机给出某一下位机的地址码,向所有下位机都发出询问, 当某一下位机接收地址码与本机地址码相符时,响应指令,发送数据,主机接收数据[5],这种应答式的通信方式可靠性高, 稳定性好, 但是与RS232相比传输效率有所降低, 选用合适的通信协议十分重要,本设计采取Modbus通讯协议,该协议广泛应用于冶金、电力等行业设备及系统。

FPGA内部逻辑如图6所示, 图中数据寄存器模块的功能是为了寄存各路并行输入信号, 用于后期上传。 采集控制模块的主要功能是通过给系统总时钟分频,为MAX6675芯片提供时钟信号SCK和RST。 传输控制模块的作用是调试时利于信号的检测,并利于后期对输入信号的确认,以及为传输模块提供合理的同步时钟, 使每一个数据的传输能够和相应的时钟对应。

由于MAX6675的SO口输出的16位数据中D3-D14位为温度数据的有效位 , 为了将其提取出来,需要先将其进行串并转换,同时,设计所使用的40 MHz晶振 ,需经过分频 ,再对芯片提供时钟 , 根据芯片 数据手册 和实际设 计的电路 , 设计提供1 MHz频率给SCK。 MAX6675完成一次温度数据转换需要0.17~0.22s, 因此, 需设计给RST信号0.4 s即2.5 Hz时钟,即可完成一次数据采集与传输[6]。

温度采集系统流程图如图7所示。

系统的软件设计分为上位机、 下位机和通信3部分。对于下位机部分采用模块化编程方案,设计分为数据采集模块、数据处理模块和数据发送模块,编辑完成后,采用元件例化语句将各部分连接。最后实现整体功能,进行综合调试,这其中还包括分频、控制等附加部分。 调试时,首先调试数据采集模块,之后进行数据处理模块的调试, 使其能够提取出温度数据,FPGA对温度信号同步处理后一方面与设定的温度曲线进行对比, 另一方面按照通信格式进行数据的发送。 最后进行数据发送模块的调试。

系统工作模式为: 系统上电后进行复位、 初始化,对数据采集的速度、发送的波特率、数据的编码方式等一系列参数进行必要的设置。初始化完成后, 通过上位机发送相应指令,进入数据采集模块,数据采集模块同步采集32支热电偶的温度信息,传送给数据处理模块; 数据处理模块把数据按照给定的编码格式进行编码(加入开始、结束标志等),传送给数据发送模块; 数据发送模块把编码好的数据通过485总线发送给上位机。 在数据发送中会判断数据是否发送完成,如果发送结束,再次进入数据采集子程序,进入下一次数据采集,形成循环。同时,实时监测采集的温度数据并将数据进行存储,供后续使用[7]。

与此同时, 连铸现场由于热电偶接触不好等原因会产生少量不良数据。 若不做任何处理, 漏钢预报的准确度将会受到严重影响。实际生产过程中,结晶器外铜板的温度在连铸过程中有一定的变化范围,因此,设计以30%作为设定临界值,即当下一个数据的值与前一个数据的相对大小超过30%时,忽略此数据并以前一个数据替代, 从而有效地避免误报事故,降低系统的误报率。此方式在一定程度上提高了系统的预报水平。

选取结晶器正面第一行(a11-a13)和左侧面第一行(b11-b12)的热电偶在实验室内的同一时刻下的实验数据,数据结果如图8和图9所示。

根据方案设计了硬件电路, 根据硬件电路的设计和工业现场要求进行程序编辑, 以Lab VIEW软件编写的上位机作为监控系统, 通过RS-485总线实现了FPGA数据采集模块与监控系统的实时数据通信。 系统采用FPGA为主控制器可以最大限度地发挥其多路数据同步处理的优势, 提高系统的测温效率。 从上位机监控中可以清晰地看到结晶器各面热电偶的实时温度数据, 根据这些数据能够快速获取高温点、低温点,系统的运行状态等一系列信息, 同时, 存储采集来的温度信息可以供后期数据分析使用。 实验利用FPGA实现的温度同步数据采集系统具有设计体积小、硬件电路简单、操作方便、可靠性高等优点,在工业领域具有较强的实用价值。