基于嵌入式技術(shù)的水泥回轉(zhuǎn)窯胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：回轉(zhuǎn)窯的溫度控制在水泥生產(chǎn)過程中起著非常重要的作用。本文介紹了一種采用嵌入式技術(shù)和快速紅外測溫掃描儀構(gòu)成的測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了對回轉(zhuǎn)窯胴體溫度實時、連續(xù)的測量，并可以根據(jù)窯正常運行的胴體表面不同區(qū)段的溫度范圍，設(shè)定報警溫度，此系統(tǒng)各項功能已初步得到驗證。
關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯；胴體溫度；紅外測溫；μC／0S-II操作系統(tǒng)

0 引言
    在水泥生產(chǎn)過程中，最重要的工藝環(huán)節(jié)是水泥熟料的煅燒，回轉(zhuǎn)窯是實現(xiàn)水泥熟料煅燒的核心設(shè)備，它的運轉(zhuǎn)情況直接關(guān)系到熟料的產(chǎn)量、質(zhì)量和原料、燃料消耗。溫度過高、熱振蕩過大會引起回轉(zhuǎn)窯窯襯的損壞，嚴(yán)重時還會殃及窯胴體，回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)熟料的過程中，決定窯能否優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗地生產(chǎn)和安全運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素是窯襯。有鑒于此，在窯運轉(zhuǎn)過程中，實時地了解窯內(nèi)狀況，及時采取相應(yīng)的措施，防止窯襯及窯胴體損壞是回轉(zhuǎn)窯實現(xiàn)經(jīng)濟運行的重要保證。
    回轉(zhuǎn)窯在運行過程中是不停地回轉(zhuǎn)的，其回轉(zhuǎn)速度不斷變化；窯胴體表面溫度是一個多變量函數(shù)，它不但與時間、窯軸向位置、窯胴體表面周向位置等因素相關(guān)，還受環(huán)境溫度及其它因素的影響，因此，窯胴體表面溫度不同于其他熱工參數(shù)，難以用常規(guī)的檢測手段來檢測和顯示。
    本設(shè)計采用ARMLPC2119芯片及μC／0S-II操作系統(tǒng)，快速紅外測溫掃描儀對回轉(zhuǎn)窯胴體溫度進行實時、連續(xù)的測量，測量數(shù)據(jù)處理后，可以根據(jù)窯正常運行的胴體表面不同區(qū)段的溫度范圍，設(shè)定報警溫度。窯運行過程中，胴體表面任意一處實際溫度超過正常溫度時，系統(tǒng)立即給出報警信號。

1 紅外輻射測溫原理簡介
    溫度高于絕對零度的物體，它就在不停地向周圍空間輻射電磁波。這種由于物體內(nèi)部的帶電粒子在原子和分子內(nèi)振動而產(chǎn)生的電磁波，稱為熱輻射。熱輻射只是整個電磁波的一個組成部分，熱輻射電磁波是由波長相差很大的紅外線、可見光、紫外線所組成。紅外輻射一般指波長在0．75～1000μm之間的熱輻射。普朗克黑體輻射模型是紅外輻射理論的出發(fā)點，絕對黑體的輻射能力與波長(λ)及溫度(T)之間的函數(shù)關(guān)系如式(1)所示：
    
    依據(jù)這一公式，我們可以繪制出在不同的絕對溫度(T)下，絕對黑體的單色輻射亮度(Lλ)與波長(λ)的函數(shù)曲線如圖1所示。

    由圖1可知：
    (1)隨著溫度的升高，輻射能量增加。這是紅外輻射測溫的理論依據(jù)。
    (2)隨著溫度的升高，輻射波峰向短波方向移動，其規(guī)律由維恩位移定律描述。
    λm·T=2898μm·K。通過維恩定律公式計算出的與某一確定的T所對應(yīng)的λm就是輻射波峰所對應(yīng)的波長。
    (3)輻射能量在短波長處隨溫度增加比長波長處快。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2. 1 系統(tǒng)組成
    本監(jiān)測系統(tǒng)由快速紅外測溫掃描儀、窯回轉(zhuǎn)同步信號發(fā)生器與嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成。如圖2所示。

    快速紅外測溫掃描儀是一種具有快速掃描功能的紅外輻射測溫儀，安裝在距回轉(zhuǎn)窯30～100m處的適當(dāng)位置，掃描角度為90°。它的旋轉(zhuǎn)掃描器通過光學(xué)系統(tǒng)接收來自回轉(zhuǎn)窯胴體表面一個特定區(qū)域(稱為測量元)的紅外輻射，測量元沿平行于回轉(zhuǎn)窯軸線的方向呈直線狀排列?？焖偌t外測溫掃描儀沿回轉(zhuǎn)窯軸線的方向每秒鐘掃描150次，回轉(zhuǎn)窯每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生200～400個完整掃描。某一個掃描得到的是：代表回轉(zhuǎn)窯胴體表面某一個狹窄區(qū)域溫度分布的電壓信號和基準(zhǔn)溫度的電壓信號，這些數(shù)據(jù)再經(jīng)過相關(guān)處理就可以得到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)某一區(qū)段的工況。如窯皮均勻與否、結(jié)圈情況、窯皮或窯襯脫落位置、熱斑的范圍等信息。
    窯同步基準(zhǔn)信號發(fā)生器在回轉(zhuǎn)窯每轉(zhuǎn)一整圈時，產(chǎn)生一個用作同步基準(zhǔn)的同步脈沖，送入嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)以同步脈沖為基準(zhǔn)，采集窯的溫度數(shù)據(jù)。
2．2 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本嵌入式系統(tǒng)以LPC2119為核心，由最小系統(tǒng)、輸入通道和輸出通道等構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2．2．1 最小工作系統(tǒng)
    最小工作系統(tǒng)以PHILIPS公司的LPC2000系列ARM7微控制器LPC2119為核心，采用11．0592MHz晶振，并利用MAX708SD組成復(fù)位電路，它包含一個看門狗定時器、一個微處理器復(fù)位模塊、一個供電失敗比較器及一個手動復(fù)位輸入模塊。系統(tǒng)電源采用78M05、LMlll7-3．3、LMlll7-1．8三種電路產(chǎn)生所需的工作電壓。
2．2．2 輸入通道設(shè)計
    輸入通道主要傳輸窯同步信號，采用TLP52l-2光電器件進行隔離，同時采用三極管限流防止外部接線短路。輸入通道如圖4所示。
2．2．3 輸出通道設(shè)計
    輸出采用數(shù)碼管動態(tài)顯示回轉(zhuǎn)窯各區(qū)段溫度及工況，共計5位共陰極數(shù)碼管組成狀態(tài)顯示電路，由單向總線緩沖器74HC244提供段驅(qū)動，由反向緩沖器7406提供位驅(qū)動，輸出通道電路如圖5所示。

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3 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)采用μC／OS-II操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的平臺，可以避免傳統(tǒng)的前后臺程序設(shè)計時伴隨系統(tǒng)功能增加而造成程序編寫量呈指數(shù)增加以及資源調(diào)度不當(dāng)發(fā)生的死鎖現(xiàn)象，同時也提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。
3．1 μC／OS-II的移植
    μC／OS-II是一個源碼開放的嵌入式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。其核心代碼結(jié)構(gòu)簡潔精練，具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。μC／OS-II的移植對處理器有一定的要求，比如必須具有響應(yīng)中斷的能力，并具有開關(guān)中斷的指令，處理器必須可支持一定數(shù)量的硬件堆棧，并且應(yīng)該有對堆棧指令進行讀／寫操作的指令等。同時，移植時編譯器應(yīng)該具有產(chǎn)生可重入代碼的能力。本設(shè)計所選用的處理器LPC2119以及開發(fā)工具ADSl．2能滿足移植要求。μC／OS-II的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括核心代碼部分、配置代碼部分、處理器相關(guān)代碼部分。其中處理器相關(guān)代碼部分是移植時需要修改的部分，它包括OS_CPU．H、OS_CPU_C．C、OS_CPU_A．S 3個文件，OC_CPU．H包括數(shù)據(jù)類型定義、堆棧單位定義、堆棧增長方向定義、關(guān)中斷和開中斷宏定義等。
    OS_CPU_C．C包含6個函數(shù)，其中，OSInetEnter()是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)，是必需的，其他5個函數(shù)都是鉤子函數(shù)，可以為空。
    OS_CPU_A．S這部分需要對處理器和寄存器進行操作，用匯編語言編寫，包括四個函數(shù)：OSStartHighRdy()函數(shù)被OSStart()調(diào)用，使就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)運行：OSCtwSw()在任務(wù)級切換函數(shù)中調(diào)用，保存任務(wù)環(huán)境變量，將當(dāng)前SP存入TCB中，載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP，中斷返回等；OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit()中調(diào)用，實現(xiàn)中斷級任務(wù)的切換；OSTicklSR()是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)，它為內(nèi)核提供時鐘節(jié)拍，頻率越高系統(tǒng)負(fù)荷越重；使用硬件定時器作為時鐘中斷源，定時中斷頻率一般為10～100Hz。
3．2 用戶任務(wù)設(shè)計
    嵌入式系統(tǒng)中，合理的劃分任務(wù)及優(yōu)先級，不但能簡化軟件設(shè)計的復(fù)雜性、任務(wù)調(diào)度的正確性，而且還能增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性以及實時性。
    本系統(tǒng)軟件主要功能有：a．回轉(zhuǎn)窯工況顯示：b．溫度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理；c．窯同步信號采集；d．回轉(zhuǎn)窯胴體溫度掃描。
    基于μC／OS-II實時操作系統(tǒng)，根據(jù)回轉(zhuǎn)窯胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求，劃分了任務(wù)以及優(yōu)先級，任務(wù)優(yōu)先級取偶數(shù)，為以后系統(tǒng)升級留下空間。如表1所示。

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    TaskSart()是μC／OS-II初始化后運行的第一個任務(wù)，由它來創(chuàng)建自動信號系統(tǒng)的其他任務(wù)，該任務(wù)執(zhí)行一次后刪除，自身不再執(zhí)行。Task_TemScan()任務(wù)對回轉(zhuǎn)窯胴體溫度掃描，Task_Synlnput()對回轉(zhuǎn)窯同步信號采集，Task_TemDataAccess()任務(wù)對掃描得到的溫度數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)處理，生成窯橫向、縱向溫度分布數(shù)據(jù)，TasK_StaDisplay()任務(wù)顯示回轉(zhuǎn)窯各區(qū)段工況，Task_Clock()任務(wù)系統(tǒng)實時時鐘，各任務(wù)關(guān)系如圖6所示。

    在起始任務(wù)中，建立郵箱、信號量以及各個任務(wù)；郵箱及信號量如下：
    Syn_Input=OSSemCreate(0)；同步信號采集啟動信號量
    Tem Scan=OSSemCreate(0)；溫度掃描啟動信號量
    Tem Data=OSSemCreate(0)；溫度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理啟動信號量
    TC Mbox=OSMboxCreate((void*)(0))：回轉(zhuǎn)窯工況顯示郵箱
    軟件流程框圖如圖7所示。

4 結(jié)論
    (1)ARM系列微處理器LPC2119及實時操作系統(tǒng)μC／OS-II應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，增加了系統(tǒng)的實時性、可靠性及靈活性。
    (2)基于LPC2119和μC／OS-II的水泥回轉(zhuǎn)窯胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)各項功能已初步得到驗證。