銅加工罩式爐遠(yuǎn)程溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉飛飛 徐隆姬 馬禮然

摘? 要： 銅加工企業(yè)為了保證銅帶退火工藝要求，需要工人現(xiàn)場(chǎng)巡視爐內(nèi)溫度和氣壓情況并做記錄。為了保證工人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)了一套以STM32最小系統(tǒng)板為主控制器的遠(yuǎn)程溫壓數(shù)據(jù)采集硬件終端和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了罩式爐的溫壓遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、主要硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了在OneNet平臺(tái)上對(duì)罩式爐溫壓遠(yuǎn)程的有效在線監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 銅加工罩式爐; 溫壓監(jiān)測(cè); 遠(yuǎn)程通信; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)采集; 實(shí)時(shí)傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)： TN931+.3?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）14?0017?04

Design of remote temperature and pressure monitoring system for copper

processing bell?type furnace

LIU Feifei， XU Longji， MA Liran

（Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China）

Abstract： In order to ensure the annealing process quality of copper strip， the copper processing enterprises need workers to inspect the temperature and air pressure in the furnace on site and make records. A remote temperature and pressure data acquisition hardware terminal and a monitoring system are designed to keep workers away from dangerous working conditions， which takes the STM32 minimum system board as the main controller. The composition， main hardware circuit design and software design of the temperature and pressure remote monitoring system for the bell?type furnace are introduced emphatically. In the system testing， the effective remote online monitoring of temperature and pressure inside bell?type furnace was realized on the OneNet platform.

Keywords： copper processing bell?type furnace; temperature and pressure monitoring; remote communication; system design; data acquisition; real?time transmission

0? 引? 言

我國(guó)銅加工企業(yè)為保證罩式爐生產(chǎn)安全和工藝要求， 必須對(duì)爐內(nèi)的溫度和氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 控制其在合理范圍之內(nèi)[1?2]。目前， 大部分企業(yè)安排工人在爐體旁巡視溫控儀和氣壓表的數(shù)據(jù)并記錄備案，但是爐體高溫對(duì)工人的健康影響很大，并且出現(xiàn)過(guò)爐內(nèi)溫度壓力過(guò)高發(fā)生的生產(chǎn)事故。盡管有的企業(yè)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)來(lái)解決遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)問(wèn)題，但是還需要通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和通信線路，因此成本高昂。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)板為主控制器的罩式爐遠(yuǎn)程溫壓數(shù)據(jù)采集與發(fā)送監(jiān)測(cè)硬件終端?？梢缘顷懼袊?guó)移動(dòng)公司開(kāi)放的OneNet云臺(tái)管理中心實(shí)現(xiàn)在任意的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端在線監(jiān)測(cè)，從成本和實(shí)用性上有很大優(yōu)勢(shì)，提高了企業(yè)生產(chǎn)安全系數(shù)和生產(chǎn)效率。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以STM32最小系統(tǒng)板為主控制器通過(guò)調(diào)度各個(gè)其他功能模塊協(xié)調(diào)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送處理。

首先溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x將采集的數(shù)據(jù)傳輸給STM32處理器處理， 然后應(yīng)用EC20無(wú)線模塊連接到4G網(wǎng)絡(luò)并且訪問(wèn)OneNet云平臺(tái)并將數(shù)據(jù)上傳， 用戶(hù)可以通過(guò)PC或者移動(dòng)客戶(hù)端訪問(wèn)OneNet平臺(tái)上的系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)監(jiān)測(cè)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)硬件終端設(shè)計(jì)

本文進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理使用的主控制器是STM32F103RBT6最小系統(tǒng)板，系統(tǒng)板自帶時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，通過(guò)配上外圍測(cè)量設(shè)備和發(fā)送模塊構(gòu)成系統(tǒng)監(jiān)測(cè)硬件終端。

該單片機(jī)是STM32系列單片機(jī)的增強(qiáng)型的32位，以ARM Cortex?M3為內(nèi)核，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度快，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的實(shí)時(shí)性要求，具備大容量的SRAM和FLASH便于程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，多達(dá)3個(gè)UART串口和幾十個(gè)I/O控制端口，豐富的外設(shè)接口方便與外部設(shè)備的通信和控制[1?2]。監(jiān)測(cè)終端整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

[溫度控制儀][氣壓測(cè)量?jī)x儀][MCU

STM32F103RBT6][EC20無(wú)線模塊]

2.1? 無(wú)線通信模塊電源電路設(shè)計(jì)

STM32F103RBT6最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)自帶有額定輸入電壓DC 5～36 V轉(zhuǎn)5 V電路，其輸入電源由現(xiàn)場(chǎng)控制柜提供。由于EC20無(wú)線模塊需要提供3.8 V外接工作電源，所以需要經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換提供額定電壓。本文利用STM32主控制器最小系統(tǒng)板轉(zhuǎn)換后得到的5 V電源，再經(jīng)過(guò)如圖3所設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)換電路得到3.8 V電源。轉(zhuǎn)換芯片采用的是MIC29302WU，輸出電壓穩(wěn)定，滿(mǎn)足無(wú)線模塊對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求。

2.2? 溫壓采集模塊電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)罩式爐溫度精確測(cè)量和控制，采用國(guó)產(chǎn)的溫控儀，型號(hào)為E300，帶數(shù)字顯示和按鍵參數(shù)設(shè)置功能，并且?guī)в卸喾N型號(hào)熱電偶溫度采集端口，同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)多種加熱機(jī)構(gòu)輸出功能，其內(nèi)置的PID算法很好地滿(mǎn)足了對(duì)爐子的恒溫控制。在氣壓測(cè)量方面選擇星儀CYZ11型氣壓測(cè)量?jī)x表，該表具有數(shù)字氣壓顯示和串口通信功能，既可以支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)也可以現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字觀測(cè)。

溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x都支持RS 485通信端口。RS 485總線傳輸距離可達(dá)上千米，接口在總線上允許連接多達(dá)255個(gè)從站，即具有多從站功能，方便后期擴(kuò)展多個(gè)爐體溫壓數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

為了使得與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證通信的兼容和穩(wěn)定，使用SP3485芯片對(duì)主控制器串口傳輸進(jìn)行轉(zhuǎn)換才可通信，設(shè)計(jì)如圖4所示的外圍硬件通信電路?，F(xiàn)場(chǎng)采用雙絞屏蔽電纜與系統(tǒng)板通信端口進(jìn)行連接。其中，RS 485A，RS 485B接溫度控制儀、氣壓測(cè)量?jī)x的通信端口。

2.3? 無(wú)線通信傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

為了將采集的溫度和氣壓數(shù)據(jù)向OneNet云平臺(tái)發(fā)送，硬件上選擇了由移遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的型號(hào)為EC20無(wú)線4G網(wǎng)絡(luò)通信模組。該模組支持內(nèi)置豐富的通信協(xié)議，自帶SIM卡槽和網(wǎng)絡(luò)天線，很方便與云平臺(tái)之間進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)通信和與主控制器最小系統(tǒng)板的硬件組合。

使用具備4G網(wǎng)絡(luò)功能無(wú)線傳輸模塊，相比傳統(tǒng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸速度更快，數(shù)據(jù)容量大，通信費(fèi)用低，在復(fù)雜的環(huán)境下也有很好的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力等優(yōu)勢(shì)。同樣由于串口的兼容性問(wèn)題，本文通過(guò)MAX2232芯片，將主控制器和EC20模塊的串口全部轉(zhuǎn)換成RS 232進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)外圍電路如圖5所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為 ARM公司的Keil μVision 5，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序采用 C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要由現(xiàn)場(chǎng)采集軟件的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。

3.1? 溫壓采集程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)罩式爐的溫壓有效采集，本文選擇了均支持MODBUS_RTU協(xié)議的溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x，通信傳輸為異步方式。在主站和子站之間傳遞的每一數(shù)據(jù)幀都是11位的串行數(shù)據(jù)流，包括1位起始、8位數(shù)據(jù)、1位校驗(yàn)和1位停止[3?5]。MODBUS_RTU協(xié)議幀格式：第1位幀為地址碼，即需要訪問(wèn)的從設(shè)備地址;第2位幀為功能碼，即需要讀取或?qū)懭氲炔僮鞣绞? 第3，4位幀為主機(jī)欲訪問(wèn)從機(jī)設(shè)備的起始寄存器地址;第5，6位幀為要訪問(wèn)的寄存器個(gè)數(shù);最后兩位幀為CRC校驗(yàn)碼，如果CRC校驗(yàn)無(wú)誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

為了讀取現(xiàn)場(chǎng)溫壓信息先訪問(wèn)相關(guān)的地址碼，然后寫(xiě)入功能碼設(shè)置相關(guān)的寄存器，讀取相關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)值。具體的溫壓采集信息幀協(xié)議格式參數(shù)如表1所示。

主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也可以廣播輪詢(xún)方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信時(shí)，需要從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)檢驗(yàn)程序是否有效，如果以廣播方式查詢(xún)的，則不需要做任何回應(yīng)。本文使用輪詢(xún)方式訪問(wèn)溫控儀和氣壓測(cè)量?jī)x。

采集溫度和氣壓數(shù)據(jù)的程序采用定時(shí)中斷方式不斷執(zhí)行循環(huán)采集程序，采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后放在程序的寄存器中等待讀取發(fā)送。溫壓采集和處理程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3.2? 數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

3.2.1? 云平臺(tái)項(xiàng)目創(chuàng)建

OneNet是中國(guó)移動(dòng)公司開(kāi)發(fā)的免費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)云，平臺(tái)支持接入的公開(kāi)協(xié)議包括EDP，MQTT，HTTP，以及私有協(xié)議[6?8]。

本文選擇MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議接入。設(shè)備接入平臺(tái)前需要在官網(wǎng)完成注冊(cè)賬戶(hù)、新建項(xiàng)目、新增設(shè)備、新增數(shù)據(jù)流等步驟[9?10]。在此過(guò)程會(huì)生成設(shè)備ID、APIKEY設(shè)備接入鑰匙、產(chǎn)品ID、鑒權(quán)信息等信息，這些信息是建立云平臺(tái)通信的重要參數(shù)。最后在平臺(tái)提供的工具欄中拖動(dòng)儀表盤(pán)和曲線圖繪制監(jiān)測(cè)界面，等通信建立以后選擇數(shù)據(jù)流即可在線監(jiān)測(cè)溫壓數(shù)據(jù)，本文選擇的數(shù)據(jù)刷新時(shí)間為5 s，足以滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)精度要求。

3.2.2? 云平臺(tái)通信建立

STM32最小系統(tǒng)板控制器通過(guò)指令控制EC20模塊主要分兩部分： 第1部分是網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的通信建立。系統(tǒng)上電后EC20模塊檢測(cè)SIM卡是否有效并開(kāi)始嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，在規(guī)定時(shí)間之內(nèi)未加入成功，則退出入網(wǎng)，重新嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，如4G網(wǎng)絡(luò)登錄成功，則按照OneNet平臺(tái)創(chuàng)建的設(shè)備ID與權(quán)鑒字符串等入口參數(shù)信息封成連接請(qǐng)求包，與平臺(tái)服務(wù)器連接，定義網(wǎng)絡(luò)和OneNet平臺(tái)接入?yún)?shù)的結(jié)構(gòu)體和連接函數(shù)，程序如下所示：

typedef struct

{ char devID[15];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//設(shè)備ID

char apiKey[35];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //接入密匙

char proID[10];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //產(chǎn)品ID

char auif[50];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //鑒權(quán)信息

char ip[16];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //服務(wù)器IP地址

char port[8];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //端口號(hào)

const unsigned char protocol;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//協(xié)議類(lèi)型

unsigned char network ： 1;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//接入標(biāo)志

}ONETNET_INFO;? ? ? ? ? ? ? ?//平臺(tái)登錄與接入?yún)?shù)結(jié)構(gòu)體

NET_DEVICE_Init（oneNetInfo.protocol，oneNetInfo.ip，

oneNetInfo.port）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //平臺(tái)登錄函數(shù)

OneNet_DevLink（oneNetInfo.devID，oneNetInfo.proID，

oneNetInfo.auif）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //平臺(tái)接入函數(shù)

第2部分是數(shù)據(jù)發(fā)送。與平臺(tái)連接之后發(fā)送溫壓數(shù)據(jù)包，若發(fā)送不成功，返回重新對(duì)數(shù)據(jù)打包發(fā)送。整個(gè)溫壓數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

4? 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)上電端口初始化硬件監(jiān)測(cè)終端以后自動(dòng)加入4G網(wǎng)絡(luò)，向云平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)。通過(guò)登錄中國(guó)移動(dòng)的OneNet云平臺(tái)管理中心，進(jìn)入監(jiān)控界面可以通過(guò)儀表盤(pán)很清楚地觀察到爐內(nèi)的溫度和氣壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖8所示。為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差率，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)的記錄生成如表2所示的對(duì)比表，發(fā)現(xiàn)誤差率在5‰以?xún)?nèi)，數(shù)據(jù)精確度滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求。

圖8? 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文將STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)板結(jié)合罩式爐現(xiàn)場(chǎng)的溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x，進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)，成功地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的溫壓采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNet平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，節(jié)約了企業(yè)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)成本。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)架構(gòu)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，為后續(xù)其他工業(yè)控制領(lǐng)域在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐時(shí)葵，章小峰.罩式爐保護(hù)氣同步回收技術(shù)與應(yīng)用[J].熱處理技術(shù)與裝備，2017，38（4）：59?62.

[2] 韓玉龍，周樂(lè)育.罩式爐退火溫度對(duì)Nb?Ti復(fù)合IF鋼組織及性能的影響[J].金屬熱處理，2018，43（3）：171?176.

[3] 楊鋼.基于STC單片機(jī)與Modbus通信控制[J].電子科學(xué)技術(shù)，2017，4（3）：103?105.

[4] 趙陽(yáng)光，魏霞.基于ModBus協(xié)議的遠(yuǎn)程AI模塊的開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（6）：179?182.

[5] 王佩，陳金鷹，童焦龍.面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嵌入式ModBus協(xié)議分析與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（7）：102?106.

[6] 潘琢金，李冰，羅振，等.基于STM32的UART?WiFi模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（7）：127?130.

[7] 張萍.基于ESP8266和OneNET云平臺(tái)的遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017，17（12）：64?67.

[8] 丁飛，吳飛，艾成萬(wàn)，等.基于OneNET平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，38（4）：24?29.

[9] 陳寶遠(yuǎn)，褚慶文，孫忠祥，等.一種基于OneNet設(shè)備云的智能硬件組網(wǎng)方法[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22（5）：76?80.

[10] 龐培釗，吳夢(mèng)嬌，陳馨，等.基于OneNet設(shè)備云的農(nóng)業(yè)云監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（2）：107?108.