中频感应炉监测与故障诊断系统设计与实现

摘要

中频感应炉是利用金属在交变磁场中，产生感应电流来加热金属的一种专用设备，其交变磁场频率一般在200～2000Hz，该设备主要用于金属熔炼、机械零件的毛坯锻造和零件热处理工艺中。该设备主要由可控硅中频电源、中频淬火变压器、炉体内的感应线圈、电容、冷却系统等组成。实际生产中由于冷却水的原因（水垢、水流不均等），造成晶闸管器件损坏的概率较高，同时晶闸管作为中频感应炉最易损坏的部件之一，目前存在着不易检修以及检修成本高等问题。因此，设计一套中频感应炉监测与故障诊断系统，实现中频感应炉的运行状态监测与晶闸管故障诊断对实际生产具有重要意义。
　　文中对比分析了采用单片机、工控机、ARM处理器作为核心处理器器件组成的监测与故障诊断系统的优缺点，提出了一种基于ARM处理器与VGA转接模块的解决方案。该方案包括三个子系统：实现对电源柜状态实时监测与控制的电源柜远程控制与显示系统；实现对炉体水温实时监测的炉体水温显示系统；实现对晶闸管故障诊断以及冷却水温实时监测的电源柜主电路状态与水温显示系统。
　　在具体方案实现中，硬件平台采用了功耗低且速度快的STM32处理器，外围配置了VGA转接模块、SD卡、RS-485通信、DS18B20温度传感器、DS2450模数转换芯片等接口电路；软件上采用了模块化的编程方法，包括SD卡驱动、VGA模块驱动、1-wire驱动、Modbus协议等。1-wire总线仅需一条数据线即可完成传感器组网，本文采用的1-wire总线多点温度与多点电压采集方案较大程度上简化了工业现场布线，完成50m通信距离的80路温度或28路电压采集仅需一条4芯传输线；同时VGA转接模块的选用提供了便捷的显示输出，本系统不需要额外的工控机或PC机即可独立输出VGA信号。
　　根据上述方案研制的监测与故障诊断系统样机，经过测试，该系统能够在工业现场完成对中频感应炉的运行状态进行监测以及对晶闸管故障的诊断，VGA转接模块、SD卡、1-wire器件等的选用使得系统具有使用简单、可定制性高、用户界面良好等优点。该系统为中频感应炉系统在预防故障以及故障诊断两方面提供了有效的保证。

目录

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1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 课题研究动态及发展趋势

1.3 主要工作及结构组成

2 中频感应炉监测与故障诊断系统总体方案设计

2.1 需求分析

2.2 总体方案设计

2.3 本章小结

3 中频感应炉监测与故障诊断系统硬件设计

3.1 系统硬件总体设计

3.2 主控单元电路设计

3.3 1-wire器件电路设计

3.4 VGA转接模块电路设计

3.5 SD卡电路设计

3.6 RS-485电路设计

3.7 按键控制电路设计

3.8 继电器驱动电路设计

3.9 晶闸管检测电路设计

3.10 电源电路设计

3.11 本章小结

4 中频感应炉监测与故障诊断系统软件设计

4.1 系统软件总体设计

4.2 1-wire器件软件设计

4.3 VGA转接模块软件设计

4.4 SD卡软件设计

4.5 RS-485通信软件设计

4.6 本章小结

5 中频感应炉监测与故障诊断系统的调试与测试

5.1 系统硬件与软件的调试

5.2 系统基础功能测试

5.3 测试结论

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

硕士期间参与的科研项目与成果