基于現場(chǎng)總線(xiàn)的回轉窯看火系統設計

　　在過(guò)程工業(yè)中，回轉窯是重要的生產(chǎn)設備，它被廣泛應用于我國的冶金、建材等行業(yè)中。但目前我國的回轉窯能耗高、熱效率低，在一定程度上限制了相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。其中一個(gè)重要原因是，我國在這方面的檢測和監控技術(shù)還比較落后，國內大多數回轉窯仍采用人工看火的手段，根據看火工的經(jīng)驗來(lái)判斷窯內工作狀況，從而給出相應的控制操作。由于現場(chǎng)的人工看火要面對很高的溫度和惡劣的工作環(huán)境，這難免影響操作工做出準確的判斷，影響生產(chǎn)質(zhì)量。為此，國內一些大中型企業(yè)陸續采用了工業(yè)電視看火系統，以遠距離監視窯內工況，實(shí)現從人工看火到計算機看火的轉變。這在一定程度上促進(jìn)了過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的穩定與提高。

　　目前，國內使用的工業(yè)電視系統通常采用計算機――圖像采集卡――攝像機來(lái)構成對回轉窯的計算機看火。而且傳統的工業(yè)電視機系統大多都是針對一個(gè)回轉窯而設計的，并且是一次對一點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)測。這樣效率低，預測的準確度也不夠理想?？紤]到現場(chǎng)總線(xiàn)具有通信速率和總線(xiàn)利用率高、開(kāi)放性好、系統成本低、可實(shí)現遠距離傳輸等特點(diǎn)，及DSP具有高效的數字信號處理的特點(diǎn)，因此本文在現有的工業(yè)電視系統基礎上采用現場(chǎng)總線(xiàn)和DSP技術(shù)對窯爐監控系統，在硬件方面著(zhù)重做了一些新的設計，其目的是為了在水泥廠(chǎng)、化工企業(yè)等大型工業(yè)控制的企業(yè)中，實(shí)現對工業(yè)過(guò)程進(jìn)行一對多點(diǎn)的監控，從而減輕操作人員的工作負擔，且提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

　　1．系統的硬件結構設計
　　系統是基于CAN現場(chǎng)總線(xiàn)和TMS320C6202(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為C6202)數字信號處理芯片開(kāi)發(fā)的，主要用于大型過(guò)程工業(yè)中，同時(shí)對多個(gè)回轉窯工況進(jìn)行監控。系統主要由總監控室、數字信號處理與分析模塊、CAN現場(chǎng)總線(xiàn)和現場(chǎng)看火顯示模塊等組成。系統的工作原理是多個(gè)工作現場(chǎng)分別利用CCD攝像機攝取窯內工況，然后將得到的標準視頻信號經(jīng)過(guò)視頻分配器，一路信號送給一個(gè)彩色電視機顯示；另一路信號則進(jìn)行數據采集和A／D轉換后，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸到數字處理與分析模塊。該模塊利用C6202對得到的數字信號進(jìn)行實(shí)時(shí)數據處理和分析，最后將分析的結果傳送給主監控室的PC機上。這樣一方面現場(chǎng)操作人員可以通過(guò)現場(chǎng)的彩色電視機來(lái)觀(guān)察窯內燃燒情況，另一方面總監控室的工作人員可以通過(guò)得到的圖像數據分析結果，及時(shí)掌握各個(gè)工作場(chǎng)地的工況，以實(shí)現計算機看火的目的，并可以及時(shí)對各工作場(chǎng)地進(jìn)行控制。

　　2.各模塊的接口設計
　?、贁底痔幚?、分析模塊和總線(xiàn)接口。數字處理與分析模塊主要由高速數字處理芯片DSP及其外部擴展的FLASH存儲器和SRAM存儲器等組成。其主要作用是：對總線(xiàn)傳來(lái)的數字視頻信號進(jìn)行圖像增強、圖像分割、特征量提取(如對火焰圖像的灰度統計處理)等，利用相應的圖像處理和識別算法得到我們所需要的數據，并將它儲存到DSP外部的SRAM存儲器中。模塊是CAN總線(xiàn)上的主節點(diǎn)，它實(shí)現了對各個(gè)從節點(diǎn)的數據處理和分析，并對從節點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調控制。該模塊提供了INTEL和Motorola兩種尋址方式，且地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)是復用的，而C6202的數據地址總線(xiàn)是分開(kāi)的，無(wú)法和sJAl000的AD7~AD0直接連接。C6202與sJAl000接口的具體設計方法，請參見(jiàn)《TMC6000系列DSPS的原理和應用》一書(shū)。②現場(chǎng)看火模塊與總線(xiàn)接口?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)是一個(gè)純數字系統，它實(shí)現了信號傳輸的全數字化，提高了信號的可靠性、準確性，實(shí)現了檢錯、糾錯功能。因此，我們在從節點(diǎn)模塊的設計中包括了模擬信號的轉化和采集。經(jīng)CCD攝像機輸出的復合模擬視頻信號，通過(guò)視頻分配器分為兩路視頻信號，一路直接供給電視機顯示；另一路經(jīng)視頻輸入處理芯片SAA71 1 1A完成A／D轉換。在這里我們使用CPLD來(lái)模擬12C總線(xiàn)接口的SDA和SCL，以實(shí)現數據傳送。SAA71 1 lA對攝像機的輸入信號進(jìn)行A／D轉換，輸出4：2：2格式的YUV信號。每幀圖像分為奇場(chǎng)和偶場(chǎng)，其采樣點(diǎn)數量多不易處理和存儲。這里我們在CPLD中設計了一個(gè)控制電路將4：2：2格式轉化成CIF或QCIF圖像格式進(jìn)行存儲。其方法是對SAA711l的輸出視頻數字數據采集奇場(chǎng)，舍棄偶場(chǎng)，然后隔一點(diǎn)保存一點(diǎn)即可得到CIF格式圖像，在此基礎上使其行頻率降低一倍，每行的采樣頻率也降低一倍即可得到QCIF格式圖像。采用這種丟掉偶場(chǎng)的方式也會(huì )使圖像更加穩定。③數據處理模塊與PC機接口。該模塊主要是實(shí)現C6202與PC機的接口設計。由于考慮實(shí)時(shí)性的要求，我們采用擴展異步通信芯片TLl6C750來(lái)實(shí)現C6202和PC機高速串行通信。TL16C750是耵公司的異步通信芯片，其內部共有11個(gè)寄存器用于實(shí)現通信參數的設置；引腳A2~A0為片內寄存器的選擇信號；D7~D0為它的雙向8位數據線(xiàn)引腳；其片選信號由CSO、CS1、CS2共同作用(為了簡(jiǎn)便一般將CS0、CS1接高電平，只控制CS2即可)；／ADS是其地址選通信號端，當該引腳有效時(shí)可將CSO、CS1、CS2及A0、A1、A2鎖存在TL16C750內部；XIN和XOUT需接外部時(shí)鐘信號或晶振。通過(guò)對C6202的時(shí)序及TL16C750的分析，我們設計的TL16C750與PC串行通信部分的硬件連接電路，將TL16C750的地址線(xiàn)A0-A2、數據線(xiàn)D0-D7分別和DSP的地址總線(xiàn)XA2~XA4外部數據線(xiàn)XD0~XD7直接相連；將DSP端的/XOE、/XCEO、/XRE、/XWE、XA5也接入FPGA，經(jīng)過(guò)邏輯譯碼生成控制信號，而選通信號CS0、CS1、CS2、讀寫(xiě)信號RD1／WR1、復位信號MR從FPGA輸出。使用了FPGA一方面可以對TL16C750的地址靈活配置，另一方面也可以靈活生成TL16C750的復位、選通和讀寫(xiě)信號，從而增強系統的靈活性，方便系統調試。

　　綜上所述，利用高效的數字處理芯片TMS320C6202和CAN現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，并結合靈活可靠的可編程邏輯器件CPLD／FPGA，可實(shí)現對大型過(guò)程工業(yè)中多個(gè)回轉窯同時(shí)進(jìn)行計算機看火的目的；還可以配備相應的計算機軟件，對各個(gè)回轉窯的圖像數據進(jìn)行同時(shí)分屏觀(guān)測。該系統設計不僅適合于水泥廠(chǎng)等多回轉窯的工況檢測，而且也可用于類(lèi)似工業(yè)中的多目標實(shí)時(shí)監控系統中，具有廣闊的應用前景。