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

　　在過(guò)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(guó)的冶金、建材等行業(yè)中。但目前我國(guó)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(gè)重要原因是，我國(guó)在這方面的檢測(cè)和監(jiān)控技術(shù)還比較落后，國(guó)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(yàn)來(lái)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(chǎng)的人工看火要面對(duì)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(zhǔn)確的判斷，影響生產(chǎn)質(zhì)量。為此，國(guó)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(yuǎn)距離監(jiān)視窯內(nèi)工況，實(shí)現(xiàn)從人工看火到計(jì)算機(jī)看火的轉(zhuǎn)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(wěn)定與提高。

　　目前，國(guó)內(nèi)使用的工業(yè)電視系統(tǒng)通常采用計(jì)算機(jī)――圖像采集卡――攝像機(jī)來(lái)構(gòu)成對(duì)回轉(zhuǎn)窯的計(jì)算機(jī)看火。而且傳統(tǒng)的工業(yè)電視機(jī)系統(tǒng)大多都是針對(duì)一個(gè)回轉(zhuǎn)窯而設(shè)計(jì)的，并且是一次對(duì)一點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。這樣效率低，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度也不夠理想?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)總線具有通信速率和總線利用率高、開(kāi)放性好、系統(tǒng)成本低、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，及DSP具有高效的數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)，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(chǎng)總線和DSP技術(shù)對(duì)窯爐監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件方面著重做了一些新的設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行一對(duì)多點(diǎn)的監(jiān)控，從而減輕操作人員的工作負(fù)擔(dān)，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(jì)
　　系統(tǒng)是基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線和TMS320C6202(以下簡(jiǎn)稱為C6202)數(shù)字信號(hào)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(duì)多個(gè)回轉(zhuǎn)窯工況進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)主要由總監(jiān)控室、數(shù)字信號(hào)處理與分析模塊、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)看火顯示模塊等組成。系統(tǒng)的工作原理是多個(gè)工作現(xiàn)場(chǎng)分別利用CCD攝像機(jī)攝取窯內(nèi)工況，然后將得到的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻分配器，一路信號(hào)送給一個(gè)彩色電視機(jī)顯示；另一路信號(hào)則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和A／D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)綌?shù)字處理與分析模塊。該模塊利用C6202對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)上。這樣一方面現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的彩色電視機(jī)來(lái)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(guò)得到的圖像數(shù)據(jù)分析結(jié)果，及時(shí)掌握各個(gè)工作場(chǎng)地的工況，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)看火的目的，并可以及時(shí)對(duì)各工作場(chǎng)地進(jìn)行控制。

　　2.各模塊的接口設(shè)計(jì)
　?、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(kuò)展的FLASH存儲(chǔ)器和SRAM存儲(chǔ)器等組成。其主要作用是：對(duì)總線傳來(lái)的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行圖像增強(qiáng)、圖像分割、特征量提取(如對(duì)火焰圖像的灰度統(tǒng)計(jì)處理)等，利用相應(yīng)的圖像處理和識(shí)別算法得到我們所需要的數(shù)據(jù)，并將它儲(chǔ)存到DSP外部的SRAM存儲(chǔ)器中。模塊是CAN總線上的主節(jié)點(diǎn)，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理和分析，并對(duì)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(kāi)的，無(wú)法和sJAl000的AD7~AD0直接連接。C6202與sJAl000接口的具體設(shè)計(jì)方法，請(qǐng)參見(jiàn)《TMC6000系列DSPS的原理和應(yīng)用》一書(shū)。②現(xiàn)場(chǎng)看火模塊與總線接口?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)是一個(gè)純數(shù)字系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸?shù)娜珨?shù)字化，提高了信號(hào)的可靠性、準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能。因此，我們?cè)趶墓?jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)中包括了模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)化和采集。經(jīng)CCD攝像機(jī)輸出的復(fù)合模擬視頻信號(hào)，通過(guò)視頻分配器分為兩路視頻信號(hào)，一路直接供給電視機(jī)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(lái)模擬12C總線接口的SDA和SCL，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。SAA71 1 lA對(duì)攝像機(jī)的輸入信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，輸出4：2：2格式的YUV信號(hào)。每幀圖像分為奇場(chǎng)和偶場(chǎng)，其采樣點(diǎn)數(shù)量多不易處理和存儲(chǔ)。這里我們?cè)贑PLD中設(shè)計(jì)了一個(gè)控制電路將4：2：2格式轉(zhuǎn)化成CIF或QCIF圖像格式進(jìn)行存儲(chǔ)。其方法是對(duì)SAA711l的輸出視頻數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)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(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(chǎng)的方式也會(huì)使圖像更加穩(wěn)定。③數(shù)據(jù)處理模塊與PC機(jī)接口。該模塊主要是實(shí)現(xiàn)C6202與PC機(jī)的接口設(shè)計(jì)。由于考慮實(shí)時(shí)性的要求，我們采用擴(kuò)展異步通信芯片TLl6C750來(lái)實(shí)現(xiàn)C6202和PC機(jī)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(gè)寄存器用于實(shí)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(hào)；D7~D0為它的雙向8位數(shù)據(jù)線引腳；其片選信號(hào)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(hào)端，當(dāng)該引腳有效時(shí)可將CSO、CS1、CS2及A0、A1、A2鎖存在TL16C750內(nèi)部；XIN和XOUT需接外部時(shí)鐘信號(hào)或晶振。通過(guò)對(duì)C6202的時(shí)序及TL16C750的分析，我們?cè)O(shè)計(jì)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(guò)邏輯譯碼生成控制信號(hào)，而選通信號(hào)CS0、CS1、CS2、讀寫(xiě)信號(hào)RD1／WR1、復(fù)位信號(hào)MR從FPGA輸出。使用了FPGA一方面可以對(duì)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(xiě)信號(hào)，從而增強(qiáng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)大型過(guò)程工業(yè)中多個(gè)回轉(zhuǎn)窯同時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)看火的目的；還可以配備相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)各個(gè)回轉(zhuǎn)窯的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)分屏觀測(cè)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅適合于水泥廠等多回轉(zhuǎn)窯的工況檢測(cè)，而且也可用于類似工業(yè)中的多目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。