基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

葉竹輝

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710018)

煉鋼作為鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),其產(chǎn)品的質(zhì)量直接關(guān)系到下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然目前國(guó)內(nèi)外煉鐵方式逐漸增多,更為節(jié)能的還原性煉鐵等方式得到推廣。但高爐煉鐵方式在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中仍然占據(jù)較大的比重,短時(shí)間內(nèi)不會(huì)被完全取代。熱負(fù)荷作為高爐冶煉運(yùn)行的重要參數(shù),其反映高爐內(nèi)的熱負(fù)荷情況。通過(guò)對(duì)高爐熱負(fù)荷參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量能夠預(yù)先得知高爐被侵蝕部位,進(jìn)而增加冷卻水流避免高爐爆炸等安全事故的出現(xiàn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議作為多學(xué)科、跨領(lǐng)域的系統(tǒng)性工程,在很多工業(yè)生產(chǎn)中均具有廣泛的應(yīng)用。因此本文主要探究一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),希望能夠確保高爐安全生產(chǎn)、延長(zhǎng)高爐設(shè)備使用壽命。

1 高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

高爐內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)以保護(hù)高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及爐殼為目的。在高爐正常工作過(guò)程中,延長(zhǎng)高爐的使用壽命。因此冷卻系統(tǒng)必須具有通常的熱量傳遞功能,能夠降低熱應(yīng)力等多高爐內(nèi)部耐火材料造成的腐蝕[1]。

由于軟水密閉冷卻循環(huán)技術(shù)不斷完善,目前大多數(shù)的鋼鐵企業(yè)建設(shè)的高爐多采用該系統(tǒng)進(jìn)行高爐冷卻。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟水密閉冷卻結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示,在完全密閉的系統(tǒng)環(huán)境下,循環(huán)水泵帶動(dòng)低壓鍋爐軟水作為冷卻水進(jìn)行循環(huán),冷卻高爐設(shè)備中的熱量。熱量冷卻后經(jīng)由熱交換器發(fā)散。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的膨脹罐主要用于吸收系統(tǒng)中因?yàn)闊崃堪l(fā)散以及溫度升高所導(dǎo)致的膨脹,依照膨脹程度的差異,系統(tǒng)中的N2產(chǎn)生不同的工作壓力。高爐爐身下部作為熱流強(qiáng)度分布最大的區(qū)域,其耐火磚更容易受到高溫鐵水的侵蝕[2-3]。通過(guò)安裝冷卻裝置,在軟水密閉冷卻系統(tǒng)的工作下,能夠使得高爐在冷卻水的加持下,在熱表面形成渣皮,進(jìn)而避免高爐被熱腐蝕。熱負(fù)荷參數(shù)作為冷卻系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)的重要參照,是高爐冷卻水量確定的重要依據(jù),通常情況下。當(dāng)高爐爐體熱負(fù)荷增大時(shí),冷卻壁的熱負(fù)荷會(huì)明顯降低,冷卻壁水溫差值減小[4]。

2 高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)采用在高爐軟水進(jìn)出口總管上開(kāi)孔的方式,借助不同深度的熱電阻監(jiān)測(cè)總管中的軟水溫度,由于主要依賴于溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量,系統(tǒng)的施工量較小,但對(duì)進(jìn)出水溫度的監(jiān)測(cè)效果有限。且這一檢測(cè)方式會(huì)消耗大量的高溫電纜,可能因?yàn)橐粋€(gè)測(cè)溫點(diǎn)的故障而導(dǎo)致整體監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)癱瘓[5]。

為了克服傳統(tǒng)高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的缺陷,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用多路中繼的RS485總線方式,通過(guò)總線電纜以及多個(gè)中繼器實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集,然后經(jīng)由總線匯集采集數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)線發(fā)送至上位機(jī)[6]。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

充分考慮傳統(tǒng)熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的缺陷,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)的加工。借助無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)對(duì)高爐水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè),然后經(jīng)由無(wú)線溫度采集終端匯總,通過(guò)RS485總線以及ARM協(xié)調(diào)器傳遞至上位機(jī)[7-8]。這一測(cè)溫方式選擇能夠減輕電纜鋪設(shè)的成本,且便于安裝和維護(hù),滿足高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要。

2.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

2.2.1 通信協(xié)議選擇原則

(1)為提升整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳輸效率,無(wú)線傳輸部分需要具備較強(qiáng)的抗干擾能力以及穿透能力。

(2)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)等裝置需要具有較高防護(hù)等級(jí),避免高溫腐蝕。

(3)參照現(xiàn)階段我國(guó)高爐的使用情況,一般高爐使用壽命為5年,因此無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的電池續(xù)航能力至少在5年。

2.2.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議選擇與設(shè)計(jì)

對(duì)比現(xiàn)有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議可知,藍(lán)牙以及無(wú)線高保真等傳輸距離較短,且受到鋼板等工作環(huán)境的影響,穿透力不強(qiáng)。因此本系統(tǒng)采用自主研發(fā)的基于身份標(biāo)識(shí)的無(wú)線通信協(xié)議進(jìn)行測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的采集和傳輸[9]。將每一個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份標(biāo)識(shí)設(shè)置并保存。采集終端與具有身份標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系。同時(shí)通信協(xié)議依據(jù)身份標(biāo)識(shí)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度以及續(xù)航能力進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)連續(xù)性發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量較低時(shí),移除身份標(biāo)識(shí),并將該身份標(biāo)識(shí)所覆蓋位置增加到最近的終端中。這一工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)極大地提升了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的靈活性[10]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

物理層:定義通信基頻433 M,頻道寬度200 kHz,接收寬度59 kHz,高斯頻移鍵控調(diào)制解調(diào)模式,數(shù)據(jù)波特2.5 kbit/s。

數(shù)據(jù)鏈路層:定義采集終端地址0x0001,功能碼0xG6,節(jié)點(diǎn)溫度長(zhǎng)度0x02(2字節(jié)代表一個(gè)溫度長(zhǎng)度);有效數(shù)據(jù)化整。

網(wǎng)絡(luò)層:定義節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)應(yīng)答:在0～20頻道內(nèi)進(jìn)行可通信終端掃描,如應(yīng)答保存節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí),并記錄節(jié)點(diǎn)傳輸溫度數(shù)據(jù),未應(yīng)答繼續(xù)掃描。

應(yīng)用層:定義節(jié)點(diǎn)身份標(biāo)識(shí),對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,判斷節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)。

3 高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)所使用的無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)安裝于高爐冷卻壁位置,以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水溫差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)包括以下幾部分:

(1)電源模塊。采用鋰亞硫酸氯30 000 mAh電池對(duì)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電,滿電電壓4.5 V,測(cè)溫節(jié)點(diǎn)其他器件如轉(zhuǎn)換器等工作電壓為3.3 V,同時(shí)采用REG711-3.3升降壓芯片作為主導(dǎo)芯片。

(2)采樣電路。使用比率電橋溫度采樣電路,Pt1000采用三線制,電路輸出于AD轉(zhuǎn)換器參考電壓采用差分式,簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

(3)AD轉(zhuǎn)換模塊。為實(shí)現(xiàn)將溫度采樣差分模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的目的,選用AD7799作為轉(zhuǎn)換模塊主要芯片,其中內(nèi)置的程控放大器能夠?qū)?shù)字濾波進(jìn)行調(diào)節(jié)[11]。

3.2 采集終端

采集終端作為數(shù)據(jù)處理的另一重要硬件設(shè)備,負(fù)擔(dān)著節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳的重要責(zé)任。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下幾部分:

(1)按鍵顯示模塊。設(shè)計(jì)獨(dú)立4位自彈式按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器的翻頁(yè)查詢以及對(duì)電池電量的監(jiān)測(cè)。

(2)RS485通信模塊。采用平衡差分式總線通信方式,總線標(biāo)號(hào)分別為A+以及B-,當(dāng)A+大于B-200mV時(shí)表示高信號(hào)電平,當(dāng)A+小于B-200mV時(shí)表示低信號(hào)電平,接口電路使用完全隔離型ADM2587接口芯片[12]。

3.3 ARM協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器硬件系統(tǒng)選用ARM11開(kāi)發(fā)板。主處理器選擇三星S3C6410,內(nèi)存選用BGA封裝,接口資源選擇10/100M以太網(wǎng)接口。協(xié)調(diào)器能夠通過(guò)總線對(duì)所有采集終端進(jìn)行輪詢,溫度數(shù)據(jù)采集后打包發(fā)送至上位機(jī)[13]。

4 高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

4.1 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)控制設(shè)計(jì)

在IAR Embedded Workbench環(huán)境下完成,采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫。相較于Keil C等低端處理器,IAR環(huán)境下編譯生成的代碼具有更小的內(nèi)存占用、更高的運(yùn)行效率。主程序包含硬件初始化、電池電量以及溫度監(jiān)測(cè)。使用定時(shí)喚醒工作模式,通過(guò)定時(shí)睡眠喚醒方式進(jìn)行測(cè)溫節(jié)點(diǎn)喚醒。節(jié)點(diǎn)喚醒后轉(zhuǎn)為工作狀態(tài),完成對(duì)溫度等采樣。

4.2 無(wú)線采集終端程序設(shè)計(jì)

無(wú)線采集終端主程序包括接收子程序、按鍵顯示子程序、通信子程序以及信號(hào)強(qiáng)度四部分。無(wú)線接收終端接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。數(shù)據(jù)讀取后存儲(chǔ)至寄存器中,在數(shù)據(jù)接收完成后退出接收狀態(tài)。按鍵顯示子程序在按鍵I/O端口初始化狀態(tài)下進(jìn)行LCD清屏,然后借助具體編碼以及字庫(kù)進(jìn)行使用說(shuō)明書查詢。通信子程序在正常狀態(tài)下可判斷并接收指令類型,發(fā)送應(yīng)答信號(hào)數(shù)據(jù)包給協(xié)調(diào)器[14]。信號(hào)強(qiáng)度程序通過(guò)CC1110內(nèi)部的寄存器讀取節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度,借助信號(hào)接收強(qiáng)度值實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)通信鏈質(zhì)量的采集,降低無(wú)線通信出現(xiàn)誤碼的發(fā)生率,提升無(wú)線通信的質(zhì)量。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)的精度低,不僅會(huì)消耗一定數(shù)量的高溫電纜,還容易在日常工作中出現(xiàn)損害,具有較高的施工以及維護(hù)成本。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議技術(shù)應(yīng)用于高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)具有較好的應(yīng)用效果,不僅能夠克服傳統(tǒng)高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)的束縛,還能夠提升監(jiān)測(cè)的精度,提升系統(tǒng)的適用性。本文綜合分析了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),希望能夠提升高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)的信息化和管理水平。