基于工業物聯網通信協議的高爐熱負荷監測系統設計研究

葉竹輝

(陜西交通職業技術學院,陜西 西安 710018)

煉鋼作為鋼鐵產品生產的重要環節,其產品的質量直接關系到下游產業的發展。雖然目前國內外煉鐵方式逐漸增多,更為節能的還原性煉鐵等方式得到推廣。但高爐煉鐵方式在我國經濟發展中仍然占據較大的比重,短時間內不會被完全取代。熱負荷作為高爐冶煉運行的重要參數,其反映高爐內的熱負荷情況。通過對高爐熱負荷參數的準確測量能夠預先得知高爐被侵蝕部位,進而增加冷卻水流避免高爐爆炸等安全事故的出現。工業物聯網通信協議作為多學科、跨領域的系統性工程,在很多工業生產中均具有廣泛的應用。因此本文主要探究一種基于工業物聯網通信協議的高爐熱負荷監測系統設計,希望能夠確保高爐安全生產、延長高爐設備使用壽命。

1 高爐熱負荷監測系統設計原理

高爐內部的冷卻系統以保護高爐內部結構以及爐殼為目的。在高爐正常工作過程中,延長高爐的使用壽命。因此冷卻系統必須具有通常的熱量傳遞功能,能夠降低熱應力等多高爐內部耐火材料造成的腐蝕[1]。

由于軟水密閉冷卻循環技術不斷完善,目前大多數的鋼鐵企業建設的高爐多采用該系統進行高爐冷卻。系統結構如圖1所示。

圖1 軟水密閉冷卻結構圖

如圖1所示,在完全密閉的系統環境下,循環水泵帶動低壓鍋爐軟水作為冷卻水進行循環,冷卻高爐設備中的熱量。熱量冷卻后經由熱交換器發散。系統結構中的膨脹罐主要用于吸收系統中因為熱量發散以及溫度升高所導致的膨脹,依照膨脹程度的差異,系統中的N2產生不同的工作壓力。高爐爐身下部作為熱流強度分布最大的區域,其耐火磚更容易受到高溫鐵水的侵蝕[2-3]。通過安裝冷卻裝置,在軟水密閉冷卻系統的工作下,能夠使得高爐在冷卻水的加持下,在熱表面形成渣皮,進而避免高爐被熱腐蝕。熱負荷參數作為冷卻系統參數調節的重要參照,是高爐冷卻水量確定的重要依據,通常情況下。當高爐爐體熱負荷增大時,冷卻壁的熱負荷會明顯降低,冷卻壁水溫差值減小[4]。

2 高爐熱負荷監測系統設計方案

2.1 系統結構設計

傳統高爐熱負荷監測采用在高爐軟水進出口總管上開孔的方式,借助不同深度的熱電阻監測總管中的軟水溫度,由于主要依賴于溫度監測點的數量,系統的施工量較小,但對進出水溫度的監測效果有限。且這一檢測方式會消耗大量的高溫電纜,可能因為一個測溫點的故障而導致整體監測通信網絡出現癱瘓[5]。

為了克服傳統高爐熱負荷監測系統存在的缺陷,本系統設計采用多路中繼的RS485總線方式,通過總線電纜以及多個中繼器實現對測溫點數據的采集,然后經由總線匯集采集數據并通過網線發送至上位機[6]。整體結構如圖2所示。

圖2 高爐熱負荷監測系統結構圖

充分考慮傳統熱負荷監測系統存在的缺陷,在系統設計中引入工業物聯網技術,從而簡化系統的加工。借助無線測溫節點對高爐水溫進行監測,然后經由無線溫度采集終端匯總,通過RS485總線以及ARM協調器傳遞至上位機[7-8]。這一測溫方式選擇能夠減輕電纜鋪設的成本,且便于安裝和維護,滿足高爐熱負荷監測的實際需要。

2.2 工業物聯網通信協議

2.2.1 通信協議選擇原則

(1)為提升整體系統設計的傳輸效率,無線傳輸部分需要具備較強的抗干擾能力以及穿透能力。

(2)測溫節點等裝置需要具有較高防護等級,避免高溫腐蝕。

(3)參照現階段我國高爐的使用情況,一般高爐使用壽命為5年,因此無線測溫節點的電池續航能力至少在5年。

2.2.2 工業物聯網通信協議選擇與設計

對比現有的工業物聯網通信協議可知,藍牙以及無線高保真等傳輸距離較短,且受到鋼板等工作環境的影響,穿透力不強。因此本系統采用自主研發的基于身份標識的無線通信協議進行測溫數據的采集和傳輸[9]。將每一個測溫節點進行身份標識設置并保存。采集終端與具有身份標識的節點建立數據傳輸關系。同時通信協議依據身份標識對所有節點的信號強度以及續航能力進行監測,當連續性發現節點的通信質量較低時,移除身份標識,并將該身份標識所覆蓋位置增加到最近的終端中。這一工業物聯網通信協議的設計極大地提升了工業物聯網的靈活性[10]。工業物聯網通信協議設計如圖3所示。

圖3 工業物聯網通信協議設計結構

物理層:定義通信基頻433 M,頻道寬度200 kHz,接收寬度59 kHz,高斯頻移鍵控調制解調模式,數據波特2.5 kbit/s。

數據鏈路層:定義采集終端地址0x0001,功能碼0xG6,節點溫度長度0x02(2字節代表一個溫度長度);有效數據化整。

網絡層:定義節點組網應答:在0～20頻道內進行可通信終端掃描,如應答保存節點標識,并記錄節點傳輸溫度數據,未應答繼續掃描。

應用層:定義節點身份標識,對節點傳輸數據進行管理,判斷節點工作狀態。

3 高爐熱負荷監測硬件設計

3.1 測溫節點

本系統所使用的無線測溫節點安裝于高爐冷卻壁位置,以實現對冷卻水溫差進行監測。測溫節點包括以下幾部分:

(1)電源模塊。采用鋰亞硫酸氯30 000 mAh電池對測溫節點進行供電,滿電電壓4.5 V,測溫節點其他器件如轉換器等工作電壓為3.3 V,同時采用REG711-3.3升降壓芯片作為主導芯片。

(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轉換器參考電壓采用差分式,簡化電路設計。

(3)AD轉換模塊。為實現將溫度采樣差分模擬信號轉化為數字信號的目的,選用AD7799作為轉換模塊主要芯片,其中內置的程控放大器能夠對數字濾波進行調節[11]。

3.2 采集終端

采集終端作為數據處理的另一重要硬件設備,負擔著節點數據上傳的重要責任。其結構設計包括以下幾部分:

(1)按鍵顯示模塊。設計獨立4位自彈式按鍵實現對顯示器的翻頁查詢以及對電池電量的監測。

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

3.3 ARM協調器

協調器硬件系統選用ARM11開發板。主處理器選擇三星S3C6410,內存選用BGA封裝,接口資源選擇10/100M以太網接口。協調器能夠通過總線對所有采集終端進行輪詢,溫度數據采集后打包發送至上位機[13]。

4 高爐熱負荷監測軟件設計

4.1 測溫節點控制設計

在IAR Embedded Workbench環境下完成,采用C語言進行程序編寫。相較于Keil C等低端處理器,IAR環境下編譯生成的代碼具有更小的內存占用、更高的運行效率。主程序包含硬件初始化、電池電量以及溫度監測。使用定時喚醒工作模式,通過定時睡眠喚醒方式進行測溫節點喚醒。節點喚醒后轉為工作狀態,完成對溫度等采樣。

4.2 無線采集終端程序設計

無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強度四部分。無線接收終端接收節點數據后發送應答信號。數據讀取后存儲至寄存器中,在數據接收完成后退出接收狀態。按鍵顯示子程序在按鍵I/O端口初始化狀態下進行LCD清屏,然后借助具體編碼以及字庫進行使用說明書查詢。通信子程序在正常狀態下可判斷并接收指令類型,發送應答信號數據包給協調器[14]。信號強度程序通過CC1110內部的寄存器讀取節點信號強度,借助信號接收強度值實現對節點通信鏈質量的采集,降低無線通信出現誤碼的發生率,提升無線通信的質量。

5 結 語

傳統高爐熱負荷監測的精度低,不僅會消耗一定數量的高溫電纜,還容易在日常工作中出現損害,具有較高的施工以及維護成本。工業物聯網通信協議技術應用于高爐熱負荷監測具有較好的應用效果,不僅能夠克服傳統高爐熱負荷監測的束縛,還能夠提升監測的精度,提升系統的適用性。本文綜合分析了基于工業物聯網通信協議的高爐熱負荷監測系統設計,希望能夠提升高爐熱負荷監測的信息化和管理水平。