虚拟数字窑炉制造技术

本实用新型专利技术涉及一种虚拟数字窑炉，由机箱和内部电路模块组成，机箱内安装有电路主模块、多个电路子模块和电源，有信号线连接到外壳的接线端，其特点是：电路主模块主要由单片微机ＣＰＵ构成，其中单片微机ＣＰＵ上连接有液晶显示器和接口电路及小键盘和接口电路，同时单片微机ＣＰＵ还通过通讯接口与多个电路子模块之间进行双向通讯；上述电路子模块由单片机ＣＰＵｎ构成，其中单片机ＣＰＵｎ通过Ａ／Ｄ转换电路输入模拟信号，同时通过Ｄ／Ａ转换电路输出数字信号，单片机ＣＰＵｎ上还通过开关量输入和开关量输出电路与各路开关相连接。本实用新型专利技术通过计算机硬件和软件模拟各种窑炉的物理特性并把这些特性量化输出。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于窑炉自动化领域，具体地讲是一种虚拟数字窑炉。
技术介绍
在窑炉自动化领域，目前工业窑炉基本上没有实现真正意义上的自动控制(即完全无人值守自动控制，例如全自动洗衣机就实现了真正意义的洗衣自动控制)。在窑炉自动化研究中，自动控制理论的研究和新的自动控制方法的实现都需要具体窑炉作为实验对象，用以验证其理论和方法的正确性。在高校和研究院所，培养学生的实验室需要窑炉作为训练工具。一方面，建立真正的窑炉不仅花费巨资、运行费用高而且安全隐患大；另一方面，窑炉种类繁多，为训练或研究而建立多种真实窑炉是任何单位和个人都很难做到的。在工厂，训练新工人和熟练工人的代价也很大，不仅费用高而且时间长。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种经济、安全而又完全具有窑炉特性的虚拟数字窑炉，以克服上述的不足。为了实现上述目的，本技术由机箱和内部电路模块组成，机箱内安装有电路主模块、多个电路子模块和电源，有信号线连接到外壳的接线端，其特点是电路主模块主要由单片微机CPU构成，其中单片微机CPU上连接有液晶显示器和接口电路及小键盘和接口电路，同时单片微机CPU还通过通讯接口与多个电路子模块之间进行双向通讯；上述电路子模块由单片机CPUn构成，其中单片机CPUn通过模/数(A/D)转换电路输入模拟信号，同时通过数/模(D/A)转换电路输出数字信号，单片机CPUn上还通过开关量输入和开关量输出电路与各路开关相连接，单片机CPUn还通过通讯接口与主模块中的单片微机CPU相互连接；上述通讯接口既可以是RS232接口或RS485接口，也可以两个通讯接口同时并用。本技术所指窑炉包括工业窑炉和实验研究用窑炉。本技术具有以下特点1、一种虚拟窑炉，并非真实窑炉；2、用数字模拟电路和微处理器组成，包含计算机软件；3、是一种电子装置，也可以完全用计算机软件实现；4、具有窑炉的物理特性，有输入和输出信号；5、通过按键或功能选择，可以设定成各种窑炉，如陶瓷窑，水泥窑，炼钢炉，炼铁炉，炼铝炉，电阻炉，电磁炉，微波炉等；6、给定输入信号，虚拟数字窑炉可以表现出窑炉的物理特性，从输出信号线可以测量出具体的电压或电流数值；7、输出信号可以是模拟量，也可以是数字量；8、具有与其他计算机连接的端口，如RS485，RS232等；9、输出信号包括窑炉的所有热工参数，如温度，热容，压力等；10、输入信号是相应窑炉的所有输入信号，如电炉的输入电流，输入电压，功率大小等；11、可以选择测量传感器，如测量温度的传感器有热电偶，热电阻等；12、可以给出具体窑炉的外形图，流程图和操作工艺流程；13、通过计算机硬件和软件模拟各种窑炉的物理特性并把这些特性量化输出。附图说明图1为本技术电路子模块原理框图。图2为本技术电路主模块原理框图。图3为本技术电路子模块与主模块连接框图。图4为本技术实施例水泥回转窑煅烧工艺框图。图5为本技术应用实例原理框图。具体实施方式以下结合附图及实施例对本技术作进一步的描述。本技术的机箱外壳具体窑炉的外形，例如水泥回转窑实际外形的按比例缩小，面板上有具体窑炉的平面图形或立体图形。本技术由机箱和内部电路模块组成，机箱内安装有电路子模块、电路主模块和电源，有信号线连接到外壳的接线端。内部电路由n个电路子模块和一个主电路模块组成，框图如图1、图2所示。n小于128，具体数值由窑炉的变量个数决定，例如陶瓷窑的变量个数与水泥窑的变量个数是不一样的。多个电路模块组成虚拟数字窑炉电路，模块之间通过RS485完成通信连接，如图4所示。如图1所示，本技术电路子模块有11路模拟量输入、8路模拟量输出、12路开关量输出和12路开关量输入。A1-A8～模拟量输出；B1-B11～模拟量输入；k1-k12～开关量输出；h1-h12～开关量输入。单片机CPUn通过RS485接口接收主模块送来的信息，模拟量通过D/A及模拟放大电路输出，模拟温度、压力、流量等物理量信号，其大小可以选择为0-10mv、0-5V；开关量通过开关量输入和输出电路K送出，其电平为TTL电平。单片机CPUn通过A/D及模拟放大电路接收模拟信号并变换成数字信号，由RS485接口送给主模块。单片机CPUn通过开关量输入和输出电路K连接开关量信号并变换成TTL电平，由RS485接口送给主模块。子模块以DS87C520为控制芯片，该芯片有两个串行通信接口，一个连接MAX487扩展一个RS485端口；另一个连接MAX233扩展一个RS232端口；连接2片24LC256扩展64K FLASH存储器，用以保存数据。如图2所示，本技术电路主模块有两个通信接口RS485用于与子模块的数字通信；RS232接口用于与PC机之间的数字通信。液晶显示器及接口电路LED、小键盘及接口电路JP与单片微机CPU连接完成人机交换信息。例如，显示各种窑炉的图形、曲线和参数；选择窑炉的类型和型号等。窑炉数学模型和求解由主模块单片机完成，并模拟窑炉的各种物理量，用数字信号形式送给子模块。模拟信号和开关信号的产生和接收由子模块单片机CPUn和外围电路实现。主模块以AT89C51作为控制芯片，连接MAX7300扩展出12个开关量输入和12个开关量输出；连接MAX5306扩展8路DA电路；连接MAX2543扩展11路AD电路。本技术通过计算机硬件和软件模拟各种窑炉的物理特性并把这些特性量化输出。以水泥回转窑为例。如图4所示，水泥回转窑分成预热带、分解带、烧成带。预热带用方程f1(T1，T2，T3，...Tn，p1，p2，...pn，y1，y2，....yn)＝0描述。分解带用方程f2(T1，T2，T3，...Tn，p1，p2，...pn，y1，y2，....yn)＝0描述。烧成带用方程f3(T1，T2，T3，...Tn，p1，p2，...pn，y1，y2，....yn)＝0描述。其中变量Yi(i＝1，2，3...)为输入，Ti、pi(i＝1，2，3...)为输出变量。已知输入值，求解方程f1()＝0，，f2()＝0，f3()＝0，可以得到相应的输出值，于是便模拟出水泥回转窑的物理特性。这些物理特性通过具体硬件电路再现为实际的电压或电流信号，供测量和控制用。硬件电路框图如图1所示。对水泥回转窑来说，输出变量主要是温度、压力信号和水泥熟料产量，输入是煤粉量、空气量和水泥生料量。煤粉量和其他输入量通过电路输入，经模拟量到数字量的转化后输入到计算机，计算机解方程得到输出量。煤粉量的变化直接影响温度变化，温度值通过电路变换成热电偶信号，于是将此信号与温度仪表连接就可以显示出该虚拟数字水泥回转窑的温度变化。压力信号和水泥熟料信号也同此理。相同的原理可以用于其他窑炉，不同的是数学模型和输入输出变量。如图5所示，本技术的输出信号与传统的仪器仪表或计算机连接，给定输入信号，便可以得到相应的输出量。其信号的变化等同于真实的窑炉，如同连接在真实的窑炉上。权利要求1.一种虚拟数字窑炉，由机箱和内部电路模块组成，机箱内安装有电路主模块、多个电路子模块和电源，有信号线连接到外壳的接线端，其特征在于电路主模块主要由单片微机(CPU)构成，其中单片微机(CPU)上连接有液晶显示器和接口电路(LED)及小键盘和接口电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟数字窑炉，由机箱和内部电路模块组成，机箱内安装有电路主模块、多个电路子模块和电源，有信号线连接到外壳的接线端，其特征在于：电路主模块主要由单片微机（ＣＰＵ）构成，其中单片微机（ＣＰＵ）上连接有液晶显示器和接口电路（ＬＥＤ）及小键盘和接口电路（ＪＰ），同时单片微机ＣＰＵ还通过通讯接口与多个电路子模块之间进行双向通讯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈进，黄海燕，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]