基于工業無線以太網的燒結礦成分監測系統

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

燒結礦是鋼鐵冶煉的關鍵物料，其成分的穩定性直接影響高爐順行。目前，燒結礦成分檢測普遍采用化學分析或X熒光分析的方法進行[1]，這種實驗室分析方法存在采監測頻率低、實時性不足的缺陷，無法適應和滿足工業生產實時性的需求。在基于瞬發式γ射線中子活化分析（PGNAA）技術的物料成分在線檢測儀器基礎上，利用工業無線以太網構建的實時監測系統能夠在線、快速、實時、準確測量燒結礦中元素含量，自動分析燒結礦成分含量的波動。目前，物料成分在線監測已成功應用于在煤炭、水泥等行業[2]，為工業生產領域未來發展趨勢。經試驗，系統穩定可靠，質檢員可通過監測中心實時觀察燒結礦成分變化規律和趨勢，掌握燒結生產狀況，提高生產效率。此外，該項目的研究有助推進鋼鐵生產自動化技術創新升級，實現智能化生產管理。

1 系統整體設計

整個系統由現場物料測量終端、數據傳輸網絡、遠程監控中心3部分構成。現場物料測量終端主要由基于PGNAA技術的帶式輸送式燒結礦物料成份在線檢測裝置及相關的控制與分析系統組成。數據傳輸網絡由硬件和軟件共同實現，硬件包含可編程邏輯控制器（PLC）、無線訪問接入點、交換機及相關網絡設備，軟件為Visual Basic 6.0和PC Access，主要用于作為 OPC（OLE for process control）客戶端與服務器。遠端監控中心則由具備數據庫管理和控制功能的服務器、組態軟件上位機、報表打印機等組成。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構Fig.1 Overall configuration diagram of the system

燒結礦質量波動實時監測系統的工作流程：（1）監測中心服務器啟動監測系統軟件并登陸；（2）對燒結工藝生產技術指標范圍和基準值進行設置；（3）連接監測量終端并啟動監測終端，同時等待服務器自動建立TCP/IP以太網通信信道；（4）測量終端接受到指令后，監測儀器啟動并將采集的燒結礦元素含量數據實時保存到計算機系統；（5）數據傳輸網絡通過PLC組建的工業無線以太網實時快速將數據傳輸給服務器；（6）服務器接受并存儲PLC發送來的數據，同時通過上位機人機界面（HMI）顯示；（7）操作監測軟件，查看燒結成分穩定性及趨勢和質量分析結果。

系統主要用于燒結生產成品燒結礦的檢測，燒結工藝流程復雜，儀器儀表設備眾多，將物料檢測儀器安裝于燒結冷卻系統與破碎系統之間，成品燒結礦傳送皮帶剛好從檢測儀器中間穿過。如此，檢測儀器能不斷對運送的燒結礦進行原位測量，獲取準確的燒結礦質量信息，同時保障燒結生產線順利正常運行。

2 數據傳輸網絡設計與實現

數據傳輸網絡監測系統是系統順利運行的保障和關鍵組成，工業控制網絡要求信號傳輸足夠快并滿足確定性的要求，實時對變量數據進行準確定時刷新。為此，系統選用工業以太網實現各個設備間的互連通信，保障數據安全、穩定、可靠，各個設備間的連接統一采用TCP/IP協議。數據傳輸網絡主要實現燒結礦質量檢測點的實時數據參數監測，主要包括：現場物料測量終端、無線工業以太網通信網絡、監控中心上位機。

2.1 現場物料測量終端通信設計與實現

現場的測量終端主要設備為工業物料檢測儀器，該儀器為基于PGNAA技術的帶式輸送式燒結礦物料成份在線檢測裝置，包含譜分析及控制系統和計算機處理系統構成，可在1 min內對物料元素成分進行精準測量，其測量數據以固定的文本文檔格式存儲于計算機系統中。系統通過S7-200 PLC獲取實測數據。計算機處理系統安裝有Visual Basic 6.0、PC AccessV1.0 SP4、STEP 7-Micro/WIN V4.0.1軟件，采用OPC方式實現與S7-200 PLC間以太網通信[3]。

S7-200 PLC無法直接對計算機系統中的文本文件進行讀取，在Visual Basic中調用相關函數，通過 “My.Computer.FileSystem.ReadAllText（"C： 燒 結礦元素數據文檔.txt"）”語句讀取成分在線檢測儀器中的數據，并編程實現對文檔數據的解析與存儲。OPC采用客戶/服務器模式，系統以Visual Basic 6.0作為客戶端，PC Access V1.0 SP4作為服務器，在 Visual Basic 6.0中加入“Siemens OPC OPC DAAutomation 2.0”控件，編寫OPC客戶端程序和服務器通信，減少通信程序的開發量周期，采用同步方式和OLE自動化接口進行數據訪問。客戶端的開發完成后，生成exe可執行文件，設置計算機系統開機啟動，便于操作管理。PC Access V1.0 SP4為專門用于S7-200 PLC的OPC服務器（Server）軟件，安裝后建立一個OPC服務器，自動生成名為“S7 200.OPC Server”的服務器，Visual Basic 6.0通過服務器名訪問，并將數據傳入服務其中的變量表中。S7-200 PLC利用STEP 7-Micro/WIN V4.0.1建立PC站，進行相應的硬件組態即可通過網口實現對OPC服務器變量的讀取，通過以太網通信處理器CP 243-1-1智能模塊獲取測量終端采集的燒結礦元素含量數據。

2.2 工業無線以太網通信網絡

燒結生產現場粉塵大，環境惡劣，電磁設備眾多，測量點距離燒結監控室直線距離達上百米，鋪設線纜困難，為此，需要抗干擾性強、可靠性高的工業級產品進行數據傳輸。在數據傳輸網絡的工業以太網中引入無線技術，以工業無線以太網通信網絡作為監控中心與各種終端設備之間信息交換的橋梁和紐帶。工業無線技術同時也是工業領域的熱點技術[4]。

在有線控制網絡中加入無線局域網，其中的一個關鍵設備是接入點。選用研華的無線AP產品EKI-6311GN無線以太網模塊作為接入點，其中，無線局域網是由網絡運營商自動完成，通過配置EKI-6311GN的IP地址即可實現覆蓋范圍內接入點間的數據傳輸。該無線以太網模塊與IEEE 802.11標準兼容，并支持標準的TCP/IP網絡協議，數據傳輸速率高達150Mb/s，能有效實現與有線以太網的接入。

工業無線以太網通信網絡由S7-200 PLC、2個EKI-6311GN接入點、S7-300 PLC組成。2個EKI-6311GN分別與 S7-200 PLC、S7-300 PLC相接，與S7-200 PLC相連接入點A在接收到數據后，通過以太網封包轉發服務對數據包進行過濾轉發，利用建立的無線鏈路發送到與S7-300 PLC相連的接入點B，接入點B將接收的數據格式轉化成符合以太網的數據包格式，通過外部網絡接入服務上傳到有線網絡，供S7-300 PLC作相應的處理。在通訊上，S7-200 PLC與S7-300 PLC分別采用以太網通訊智能模塊，通過配置網絡實現與接入點的訪問，無線局域網中相關硬件設備和IP設置如表1所示。

為保證數據的安全性，通過無線加密驗證方式，防止外部用戶及非法攻擊，加強網絡的安全管理。在工況環境下進行測試，調整2個接入點天線的安裝位置，在無建筑物遮擋的情況下，直線傳輸距離不小于200 m；數據傳輸的時間周期最小達500 ms；數據傳輸的錯誤率小于0.01%，完全符合數據傳輸指標要求。

表1 無線網絡相關配置Tab.1 Wireless network equipment configuration

2.3 監控中心上位機通訊網絡

監控中心上位機主要通過交換機與S7-300 PLC相連，S7-300 PLC有很大的通信功能，CPU模塊集成有MPI和DP通信接口，有Profilebus-DP和工業以太網的通信模塊，以及點對點通信[5]。燒結廠燒結生產的監控大多采用工業以太網，為便于實施和調試，系統采用工業以太網模塊CP343-1完成與上位機間的數據交換，S7-300 PLC的CPU選用315-2 DP。此通信方式有助于上位機通過交換機與燒結廠配料、混合、燒結等相關PLC控制器相連，獲取燒結生產過程，更好分析造成燒結礦成分波動的原因。

3 基于InTouch的監測中心軟件設計

監測軟件是系統核心，實測數據的處理、穩定性分析、遠程監控在軟件中完成。系統軟件采用InTouch組態軟件[5]開發人機交互（HMI）界面，實現燒結礦質量波動監測系統的可視化、操作和管理，遵循可靠性、易用性和可擴展性的原則，軟件主要包括5部分：用戶管理模塊、指標設置模塊、數據分析顯示模塊、數據管理模塊、可擴展模塊，具體的組成和功能如圖2所示。

用戶管理模塊為系統的順利安全使用而設計，并防止燒結生產數據外泄。開發過程中，在InTouch的Window Viewer程序中通過$AccessLevel條件根據使用者的工作性質和級別分配了不同的訪問權限，用戶通過輸入正確的用戶名與有效口令獲得系統軟件的使用權。該模塊還能增加用戶、刪除用戶、修改口令與訪問級別等功能。此外，為避免監測軟件因使用者疏忽觸碰鍵盤導致系統閃退，運行后，禁止啟用一切快捷鍵退出鍵和修改界面的行為。

圖2 系統軟件組成與功能Fig.2 Software components and functions of the system

指標設置模塊主要用于手動輸入燒結生產技術參考值，我國雖然頒布了我國優質燒結礦的技術指標，但燒結礦化學成分的評判標準為固定范圍和波動區間，燒結礦質量指標中堿度、全鐵、氧化亞鐵（FeO）基數由各個燒結廠根據燒結生產實際情況自定。為更好地檢測燒結礦化學成分及穩定性，設置了預警值，當高于最大值或低于最小值時，系統根據檢測數據自動判斷，發出報警信號，提醒工作人員注意，及時采取調整措施。

數據顯示分析模塊是監測系統最重要的組成，實測數據的處理分析在該模塊中實現。現場物料測量終端采集的數據為燒結礦元素含量，而燒結礦化學成分及其穩定性監測對象為全鐵（TFe）、堿度（R）、FeO等有效成分，不完全為元素含量，為此需要對實測數據進行處理分析，系統獲取數據及分析流程如圖3所示。其中，實測數據與所需成分含量之間的轉換利用質量分數計算方法，并結合其在燒結礦中的內在關系進行推算，數據有效性采用全元素分析法，燒結礦成分波動及穩定性采用差值法，運算的過程均在InTouch中通過QuickScript的腳本語言實現。為便于觀察燒結礦化學成分的變化，系統通過實時趨勢圖、動態變化數據表、歷史趨勢圖實時顯示燒結礦成分及波動情況，并在相應的文本框中給出分析結果，為燒結礦質量控制提供參考依據。

數據管理模塊包括系統數據的初始化、查詢、保存、打印及校正，通過開放數據庫互連（ODBC）訪問外連SQL Server，實現對燒結礦成分數據、用戶信息、生產指標參數的存儲和管理。此外，InTouch支持動態數據交換（DDE），系統通過DDE與Excel進行數據交換，利用Excel的宏生成當天24 h燒結礦成分含量的數據報表，用戶可根據需要打印。

圖3 系統工作及數據分析流程Fig.3 Work and data analysis process of the system

可擴展模塊為系統的預留模塊，隨著工業第四次革命的到來，智能化建設成為未來的趨勢，可在預留模塊中添加Web發布，實現多人員同時監測的效果，同時使生產過程信息化、網絡化，有助于鋼鐵企業智能工廠的建設，幫助高爐工作人員及時了解煉鐵物料的品質。

系統的所有功能通過人機交互界面（HMI）操作實現，以便直觀反映對燒結礦成分的動態，快速了解系統的工作狀態，系統的主監控界面如圖4所示。設置系統的監測周期為1 min，燒結礦成分波動較小，結合燒結廠實際情況，設定TFe波動范圍設置為-1.2～1.2，堿度波動范圍為-0.15～0.15，其波動分析顯示界面如圖5所示。從圖中可以看出，系統能清晰準確反應燒結礦關鍵成分的波動，燒結礦TFe、R含量隨時間在一定范圍內波動，與燒結生產實際情況相符合。

圖4 系統監控主界面Fig.4 Main interface of system monitoring

圖5 波動分析Fig.5 Fluctuation analysis chart

4 結語

基于OPC和工業無線以太網的燒結礦成分波動監測系統，實時性強、穩定可靠、人機交互性好，極大提高監測的頻次和實時性，實現了燒結礦成分的在線測量、自動分析、遠程監測，為燒結礦質量控制和改善提供了可靠的數據依據，系統可取代人工檢驗操作，提高工作效率，改變燒結礦質量檢測時滯嚴重的現狀，對其它工業物料的在線監測和遠程生產控制具有一定指導意義。

[1]范旭紅.用X射線熒光光譜儀測定鐵礦石及燒結礦成分[J].中國冶金，2007，17（10）：23-25.

[2]黑大千.PGNAA在線分析技術的發展與現狀[J].科技資訊，2014，12（6）：63-64.

[3]周新民，涂錚.基于OPC技術的PC與S7-200 PLC的實時通信[J].武漢理工大學學報，2008，32（2）：355.

[4]林躍，張建華.工業通信網絡及系統技術[J].自動化與儀表，2009，24（7）：22-25.

[5]席英杰，劉文麗.簡述西門S7-300/400的通訊功能及工業應用[J].自動化與儀表，2007，22（1）：37-40.