基于現(xiàn)場總線的回轉(zhuǎn)窯看火系統(tǒng)設(shè)計

　　在過程工業(yè)中，回轉(zhuǎn)窯是重要的生產(chǎn)設(shè)備，它被廣泛應(yīng)用于我國的冶金、建材等行業(yè)中。但目前我國的回轉(zhuǎn)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。其中一個重要原因是，我國在這方面的檢測和監(jiān)控技術(shù)還比較落后，國內(nèi)大多數(shù)回轉(zhuǎn)窯仍采用人工看火的手段，根據(jù)看火工的經(jīng)驗來判斷窯內(nèi)工作狀況，從而給出相應(yīng)的控制操作。由于現(xiàn)場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(nèi)一些大中型企業(yè)陸續(xù)采用了工業(yè)電視看火系統(tǒng)，以遠距離監(jiān)視窯內(nèi)工況，實現(xiàn)從人工看火到計算機看火的轉(zhuǎn)變。這在一定程度上促進了過程工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的穩(wěn)定與提高。

　　目前，國內(nèi)使用的工業(yè)電視系統(tǒng)通常采用計算機――圖像采集卡――攝像機來構(gòu)成對回轉(zhuǎn)窯的計算機看火。而且傳統(tǒng)的工業(yè)電視機系統(tǒng)大多都是針對一個回轉(zhuǎn)窯而設(shè)計的，并且是一次對一點進行觀測。這樣效率低，預(yù)測的準確度也不夠理想?？紤]到現(xiàn)場總線具有通信速率和總線利用率高、開放性好、系統(tǒng)成本低、可實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)忍攸c，及DSP具有高效的數(shù)字信號處理的特點，因此本文在現(xiàn)有的工業(yè)電視系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用現(xiàn)場總線和DSP技術(shù)對窯爐監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件方面著重做了一些新的設(shè)計，其目的是為了在水泥廠、化工企業(yè)等大型工業(yè)控制的企業(yè)中，實現(xiàn)對工業(yè)過程進行一對多點的監(jiān)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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　系統(tǒng)是基于CAN現(xiàn)場總線和TMS320C6202(以下簡稱為C6202)數(shù)字信號處理芯片開發(fā)的，主要用于大型過程工業(yè)中，同時對多個回轉(zhuǎn)窯工況進行監(jiān)控。系統(tǒng)主要由總監(jiān)控室、數(shù)字信號處理與分析模塊、CAN現(xiàn)場總線和現(xiàn)場看火顯示模塊等組成。系統(tǒng)的工作原理是多個工作現(xiàn)場分別利用CCD攝像機攝取窯內(nèi)工況，然后將得到的標準視頻信號經(jīng)過視頻分配器，一路信號送給一個彩色電視機顯示；另一路信號則進行數(shù)據(jù)采集和A／D轉(zhuǎn)換后，通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)綌?shù)字處理與分析模塊。該模塊利用C6202對得到的數(shù)字信號進行實時數(shù)據(jù)處理和分析，最后將分析的結(jié)果傳送給主監(jiān)控室的PC機上。這樣一方面現(xiàn)場操作人員可以通過現(xiàn)場的彩色電視機來觀察窯內(nèi)燃燒情況，另一方面總監(jiān)控室的工作人員可以通過得到的圖像數(shù)據(jù)分析結(jié)果，及時掌握各個工作場地的工況，以實現(xiàn)計算機看火的目的，并可以及時對各工作場地進行控制。

　　2.各模塊的接口設(shè)計
　?、贁?shù)字處理、分析模塊和總線接口。數(shù)字處理與分析模塊主要由高速數(shù)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：對總線傳來的數(shù)字視頻信號進行圖像增強、圖像分割、特征量提取(如對火焰圖像的灰度統(tǒng)計處理)等，利用相應(yīng)的圖像處理和識別算法得到我們所需要的數(shù)據(jù)，并將它儲存到DSP外部的SRAM存儲器中。模塊是CAN總線上的主節(jié)點，它實現(xiàn)了對各個從節(jié)點的數(shù)據(jù)處理和分析，并對從節(jié)點進行協(xié)調(diào)控制。該模塊提供了INTEL和Motorola兩種尋址方式，且地址總線和數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的，而C6202的數(shù)據(jù)地址總線是分開的，無法和sJAl000的AD7~AD0直接連接。C6202與sJAl000接口的具體設(shè)計方法，請參見《TMC6000系列DSPS的原理和應(yīng)用》一書。②現(xiàn)場看火模塊與總線接口?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是一個純數(shù)字系統(tǒng)，它實現(xiàn)了信號傳輸?shù)娜珨?shù)字化，提高了信號的可靠性、準確性，實現(xiàn)了檢錯、糾錯功能。因此，我們在從節(jié)點模塊的設(shè)計中包括了模擬信號的轉(zhuǎn)化和采集。經(jīng)CCD攝像機輸出的復(fù)合模擬視頻信號，通過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(zhuǎn)換。在這里我們使用CPLD來模擬12C總線接口的SDA和SCL，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。SAA71 1 lA對攝像機的輸入信號進行A／D轉(zhuǎn)換，輸出4：2：2格式的YUV信號。每幀圖像分為奇場和偶場，其采樣點數(shù)量多不易處理和存儲。這里我們在CPLD中設(shè)計了一個控制電路將4：2：2格式轉(zhuǎn)化成CIF或QCIF圖像格式進行存儲。其方法是對SAA711l的輸出視頻數(shù)字數(shù)據(jù)采集奇場，舍棄偶場，然后隔一點保存一點即可得到CIF格式圖像，在此基礎(chǔ)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。采用這種丟掉偶場的方式也會使圖像更加穩(wěn)定。③數(shù)據(jù)處理模塊與PC機接口。該模塊主要是實現(xiàn)C6202與PC機的接口設(shè)計。由于考慮實時性的要求，我們采用擴展異步通信芯片TLl6C750來實現(xiàn)C6202和PC機高速串行通信。TL16C750是耵公司的異步通信芯片，其內(nèi)部共有11個寄存器用于實現(xiàn)通信參數(shù)的設(shè)置；引腳A2~A0為片內(nèi)寄存器的選擇信號；D7~D0為它的雙向8位數(shù)據(jù)線引腳；其片選信號由CSO、CS1、CS2共同作用(為了簡便一般將CS0、CS1接高電平，只控制CS2即可)；／ADS是其地址選通信號端，當該引腳有效時可將CSO、CS1、CS2及A0、A1、A2鎖存在TL16C750內(nèi)部；XIN和XOUT需接外部時鐘信號或晶振。通過對C6202的時序及TL16C750的分析，我們設(shè)計的TL16C750與PC串行通信部分的硬件連接電路，將TL16C750的地址線A0-A2、數(shù)據(jù)線D0-D7分別和DSP的地址總線XA2~XA4外部數(shù)據(jù)線XD0~XD7直接相連；將DSP端的/XOE、/XCEO、/XRE、/XWE、XA5也接入FPGA，經(jīng)過邏輯譯碼生成控制信號，而選通信號CS0、CS1、CS2、讀寫信號RD1／WR1、復(fù)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(fù)位、選通和讀寫信號，從而增強系統(tǒng)的靈活性，方便系統(tǒng)調(diào)試。

　　綜上所述，利用高效的數(shù)字處理芯片TMS320C6202和CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，并結(jié)合靈活可靠的可編程邏輯器件CPLD／FPGA，可實現(xiàn)對大型過程工業(yè)中多個回轉(zhuǎn)窯同時進行計算機看火的目的；還可以配備相應(yīng)的計算機軟件，對各個回轉(zhuǎn)窯的圖像數(shù)據(jù)進行同時分屏觀測。該系統(tǒng)設(shè)計不僅適合于水泥廠等多回轉(zhuǎn)窯的工況檢測，而且也可用于類似工業(yè)中的多目標實時監(jiān)控系統(tǒng)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。