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摘 要：为了满足水泥生产中回转窑温度安全监控的工艺要求，文章设计了一种基于Labview的水泥回转窑红外测温监控系统，建立了具有红外扫描传感、虚拟仪器监控及网络云数据共享等功能的监控平台，采用多功能的Labview进行软件设计，经实践生产验证，该系统运行稳定，可靠性高，满足水泥窑红外测温监控的安全生产要求，与传统温控设备相比，提高了监控设备的智能化水平和企业的安全生产效率。
关键词：水泥回转窑;红外测温;Labview;温度监控
0 引言
水泥回转窑（以下简称“水泥窑”）是将水泥熟料高温煅烧产出水泥的关键工艺设备。在实际生产中，常发生水泥窑筒体过热导致的窑内衬或筒体损坏，因此针对水泥窑筒体的在线温度监测是保证水泥安全生产的必要手段。目前常见监测方法有工业观测法、接触式测温法及红外扫描测温法等[1]。其中红外扫描测温法采用非接触红外传感方式，具有检测精度高、速度快及实时性好等优点，得到广泛应用。刘强[2]采用PLC对窑筒体红外温度扫描并进行实时监控;唐华明等[3]对水泥窑温度监控软件进行优化设计。本文设计了一种基于Labview的水泥窑红外测温监控系统，实现了在线、完整实时的水泥窑筒体温度监控功能。
1 水泥窑筒体红外测温系统构成
针对高温生产的窑筒体，测温监控系统采用主從机监控设计方案，系统构成如图1所示。从机以C8051F020单片机为控制核心，红外扫描传感采用电机驱动的“碲镉汞红外传感探头”测量窑筒体工作温度，并将信号及窑同步开关信号通过串口485通信方式传输给主机Labview温度监控平台，主机以虚拟仪器Labview为软件工具，实现窑筒体温度在线实时监控，主机平台还通过智能网关将监测数据传输于施耐德EcoStruxure网络云平台实现数据共享。通过红外扫描测温监控，系统不仅可针对窑筒体轴体360°表面多点同步定位温度监测，还可通过Labview软件图形控件生成二维三维热像图，进一步图像分析及预测报警，防止由窑筒体过烧等各种原因造成的窑衬及窑筒体损坏，达到保证设备安全生产的目的。
以窑筒体尺寸为Φ3 m×70 m，转速为3转/min的水泥窑为例，系统采用等角度扫描法，设置红外扫描角度为90°，速度为20线/s，最小分辨面积约为50 mm×60 mm，远小于回转窑耐火砖尺寸，达到温度过热预警的监控要求。红外传感器选用碲镉汞红外探测器，分辨率小于1℃，控制器C8051F020 具有25 MHz高速运算能力，且内置64KB存储器，100 kHz转换频率的12位AD模拟通道，能够完成上述温度的采集存储功能，从机外配传输速度为115 200 B/s的485控制芯片，用于将采集数据传输到上位主机。系统还可将监控数据通过施耐德授权的LAN网关上传于EcoStruxure工业互联网云平台实现数据共享。
2 系统软件设计
Labview是目前广泛应用于工控领域的图形化数据采集软件，集成了多种硬件的通信协议和库函数，方便快速集成满足客户要求的虚拟仪器监控软件。
系统软件首先设置红外测温485通信接口，针对所传输信号特性，对VISA控件进行串口函数配置，设置分时缓冲，以解决数据高速连续采集与传输不匹配的难题。为满足系统连续刷新数据要求，用FOR与WHILE循环嵌套方式建立二维数组与前面板通信，并定时刷新，保证监控实时性和准确性。
此外，软件设计还采用Labview软件自带的强度图、三维图、曲线图及极坐标图等控件对温度数据进行二维三维热像图、温度曲线分布图及极坐标图等监控方式实现窑筒体多方位的温度监控。以二维热像图为例，将70 m长、直径 3 m的窑筒体沿轴向按0～360°展开形成窑筒体二维热像图，如图2所示，该图表示窑筒体表面水泥煅烧工作温度的整体状况，横坐标为窑筒体轴向位置尺寸，纵坐标为其窑旋转角度，图中用20种颜色表示100℃～500℃范围内的温度值，图中还可实现光标点温功能，温度值和距离、角度等信息根据点温在窗口中显示出来。在静态方式下，该图显示窑运行的历史记录数据。在动态方式下，该图显示窑运行的当前数据，并自下而上地滚动表明窑正在运行。窑筒体温度报警可根据不同水泥生产工艺进行安全设置，如果检测温度超限，会及时报警提示，且报警数据可制成存储历史图表，能够查询报警温度产生的时间、温度值、距离和角度，二维热像图可以直观地判断出窑筒体内部高温导致的掉砖、结块甚至红窑的位置范围，提前预警，保证水泥窑高温生产的正常进行。
为了实现网络化数字化监控，系统通过智能网关将监控信息和报警信息上传到施耐德电气的工业互联网EcoStruxure云平台（机器顾问），可向企业管理者、技术人员和用户等多类人员提供实现网络云线上数据共享，不仅实现水泥窑红外温控设备的数字化、信息化和智能化升级，而且提高了企业安全生产效率。
3 系统运行与性能分析
本文设计的水泥回转窑红外测温监控系统已应用于江苏常州某公司的生产现场，该系统运行稳定，可靠性高，满足水泥回转窑红外监控安全生产要求，且与传统的监控设备相比，提升了设备数字化信息化水平，提高了企业安全生产效率。
4 结语
本文集成了红外扫描测温、虚拟仪器监控及网络云数据共享等功能模块，设计实现了以Labview为核心的水泥窑筒体红外测温监控系统，经生产实际应用表明该系统能满足水泥窑安全生产之温控工艺精度要求，具有功能集成度较高、可靠性好及网络数据共享等特点，与同类系统相比，提高了红外监控设备数字化和智能化水平，具有一定的工程实际意义。
[参考文献]
[1]邱立运，姚谦礼.回转窑测温技术现状及发展趋势[J].工业炉，2014（6）：16-20. [2]劉强.基于红外测温的水泥回转窑状态监测系统研究[D].上海：上海交通大学，2012.
[3]唐华明，许博文，王斐，等.基于红外热成像技术的在线扫描测温系统设计[J].红外，2015（1）：12-15.
（编辑 王雪芬）
Design of infrared temperature monitoring system
for cement rotary kiln based on Labview
Lu Haojun， Guo Jianjiang*， Wang Xiangyu， Tian Zhou， Miu Han， Jiang Zilong
（Changzhou Institute of Technology， Changzhou 213022， China）
Abstract：In order to meet the technical requirements of temperature safety monitoring of cement rotary kiln， a infrared temperature monitoring system for cement rotary kiln based on Labview was proposed. A monitoring platform with infrared scanning sensing， virtual instrument and network data sharing was established. The Labview software was used for software design.After production verification， the system runs stably and has high reliability， which can meet the safety requirements of infrared temperature monitoring for cement rotary kiln. Compared with the traditional equipment， the intelligent level of the equipment and the safety production efficiency of the enterprise are improved.
Key words：cement rotary kiln; infrared temperature sensing; Labview; temperature monitoring
关键词：水泥回转窑;红外测温;Labview;温度监控
0 引言
水泥回转窑（以下简称“水泥窑”）是将水泥熟料高温煅烧产出水泥的关键工艺设备。在实际生产中，常发生水泥窑筒体过热导致的窑内衬或筒体损坏，因此针对水泥窑筒体的在线温度监测是保证水泥安全生产的必要手段。目前常见监测方法有工业观测法、接触式测温法及红外扫描测温法等[1]。其中红外扫描测温法采用非接触红外传感方式，具有检测精度高、速度快及实时性好等优点，得到广泛应用。刘强[2]采用PLC对窑筒体红外温度扫描并进行实时监控;唐华明等[3]对水泥窑温度监控软件进行优化设计。本文设计了一种基于Labview的水泥窑红外测温监控系统，实现了在线、完整实时的水泥窑筒体温度监控功能。
1 水泥窑筒体红外测温系统构成
针对高温生产的窑筒体，测温监控系统采用主從机监控设计方案，系统构成如图1所示。从机以C8051F020单片机为控制核心，红外扫描传感采用电机驱动的“碲镉汞红外传感探头”测量窑筒体工作温度，并将信号及窑同步开关信号通过串口485通信方式传输给主机Labview温度监控平台，主机以虚拟仪器Labview为软件工具，实现窑筒体温度在线实时监控，主机平台还通过智能网关将监测数据传输于施耐德EcoStruxure网络云平台实现数据共享。通过红外扫描测温监控，系统不仅可针对窑筒体轴体360°表面多点同步定位温度监测，还可通过Labview软件图形控件生成二维三维热像图，进一步图像分析及预测报警，防止由窑筒体过烧等各种原因造成的窑衬及窑筒体损坏，达到保证设备安全生产的目的。
以窑筒体尺寸为Φ3 m×70 m，转速为3转/min的水泥窑为例，系统采用等角度扫描法，设置红外扫描角度为90°，速度为20线/s，最小分辨面积约为50 mm×60 mm，远小于回转窑耐火砖尺寸，达到温度过热预警的监控要求。红外传感器选用碲镉汞红外探测器，分辨率小于1℃，控制器C8051F020 具有25 MHz高速运算能力，且内置64KB存储器，100 kHz转换频率的12位AD模拟通道，能够完成上述温度的采集存储功能，从机外配传输速度为115 200 B/s的485控制芯片，用于将采集数据传输到上位主机。系统还可将监控数据通过施耐德授权的LAN网关上传于EcoStruxure工业互联网云平台实现数据共享。
2 系统软件设计
Labview是目前广泛应用于工控领域的图形化数据采集软件，集成了多种硬件的通信协议和库函数，方便快速集成满足客户要求的虚拟仪器监控软件。
系统软件首先设置红外测温485通信接口，针对所传输信号特性，对VISA控件进行串口函数配置，设置分时缓冲，以解决数据高速连续采集与传输不匹配的难题。为满足系统连续刷新数据要求，用FOR与WHILE循环嵌套方式建立二维数组与前面板通信，并定时刷新，保证监控实时性和准确性。
此外，软件设计还采用Labview软件自带的强度图、三维图、曲线图及极坐标图等控件对温度数据进行二维三维热像图、温度曲线分布图及极坐标图等监控方式实现窑筒体多方位的温度监控。以二维热像图为例，将70 m长、直径 3 m的窑筒体沿轴向按0～360°展开形成窑筒体二维热像图，如图2所示，该图表示窑筒体表面水泥煅烧工作温度的整体状况，横坐标为窑筒体轴向位置尺寸，纵坐标为其窑旋转角度，图中用20种颜色表示100℃～500℃范围内的温度值，图中还可实现光标点温功能，温度值和距离、角度等信息根据点温在窗口中显示出来。在静态方式下，该图显示窑运行的历史记录数据。在动态方式下，该图显示窑运行的当前数据，并自下而上地滚动表明窑正在运行。窑筒体温度报警可根据不同水泥生产工艺进行安全设置，如果检测温度超限，会及时报警提示，且报警数据可制成存储历史图表，能够查询报警温度产生的时间、温度值、距离和角度，二维热像图可以直观地判断出窑筒体内部高温导致的掉砖、结块甚至红窑的位置范围，提前预警，保证水泥窑高温生产的正常进行。
为了实现网络化数字化监控，系统通过智能网关将监控信息和报警信息上传到施耐德电气的工业互联网EcoStruxure云平台（机器顾问），可向企业管理者、技术人员和用户等多类人员提供实现网络云线上数据共享，不仅实现水泥窑红外温控设备的数字化、信息化和智能化升级，而且提高了企业安全生产效率。
3 系统运行与性能分析
本文设计的水泥回转窑红外测温监控系统已应用于江苏常州某公司的生产现场，该系统运行稳定，可靠性高，满足水泥回转窑红外监控安全生产要求，且与传统的监控设备相比，提升了设备数字化信息化水平，提高了企业安全生产效率。
4 结语
本文集成了红外扫描测温、虚拟仪器监控及网络云数据共享等功能模块，设计实现了以Labview为核心的水泥窑筒体红外测温监控系统，经生产实际应用表明该系统能满足水泥窑安全生产之温控工艺精度要求，具有功能集成度较高、可靠性好及网络数据共享等特点，与同类系统相比，提高了红外监控设备数字化和智能化水平，具有一定的工程实际意义。
[参考文献]
[1]邱立运，姚谦礼.回转窑测温技术现状及发展趋势[J].工业炉，2014（6）：16-20. [2]劉强.基于红外测温的水泥回转窑状态监测系统研究[D].上海：上海交通大学，2012.
[3]唐华明，许博文，王斐，等.基于红外热成像技术的在线扫描测温系统设计[J].红外，2015（1）：12-15.
（编辑 王雪芬）
Design of infrared temperature monitoring system
for cement rotary kiln based on Labview
Lu Haojun， Guo Jianjiang*， Wang Xiangyu， Tian Zhou， Miu Han， Jiang Zilong
（Changzhou Institute of Technology， Changzhou 213022， China）
Abstract：In order to meet the technical requirements of temperature safety monitoring of cement rotary kiln， a infrared temperature monitoring system for cement rotary kiln based on Labview was proposed. A monitoring platform with infrared scanning sensing， virtual instrument and network data sharing was established. The Labview software was used for software design.After production verification， the system runs stably and has high reliability， which can meet the safety requirements of infrared temperature monitoring for cement rotary kiln. Compared with the traditional equipment， the intelligent level of the equipment and the safety production efficiency of the enterprise are improved.
Key words：cement rotary kiln; infrared temperature sensing; Labview; temperature monitoring