铁水车智能称重数据传输系统研究及应用

2022-09-06张清来李亮亮何建超

装备制造技术 2022年5期

谢明，刘申，张清来，詹昊，李亮亮，何建超

（1.中冶宝钢技术服务有限公司，上海 200941；2.山东石横特钢集团有限公司，山东肥城 271612）

0 引言

随着智能化要求越来越高，许多钢铁企业要求铁水运输车[1，2]（简称“铁水车”）实现“一包到底”工艺，采用该工艺就要确保高炉和炼钢转炉之间的铁水进行需求匹配，即转炉需求铁水由高炉方精准提供。而这个中间连接的纽带即铁水车。当铁水车驶入高炉接出铁口，车上的铁水罐作为接受铁水的容器，铁水车上有称重系统，铁水罐置于称重系统的四点称重传感器之上，当有铁水从出铁口流入铁水罐时，实时测量铁水的重量变化并把重量、炉号等信息及时上传到高炉控制中心，控制中心根据炼钢厂的指令需求精准控制出铁口的闸门开合。本研究的智能系统需实现对车号、炉口、净重、皮重等重要参数的自动采集、分析、存储和展示。

以石横特钢的铁水车称重数据传输系统为对象研究。现场有高炉两座，中控制一个，每座高炉有两个出铁口，每个出铁口有两个停车位，共8 个出铁停车位。每个出铁口布置LED 屏幕，铁水车11 辆。本研究从软件和硬件两个方面进行探讨。

1 智能称重数据传输系统硬件设计

该铁水车智能传输系统[3]集采集、分析、存储和展示出铁数据，它同时还具备异常告警和上报计量的功能，系统功能（图1），从功能上分为四个模块：

图1 系统功能图

（1）铁水车识别。

（2）车辆称重数据采集、存储、展示及传输。

（3）出铁口数据采集、显示及传输。

（4）中控室数据采集、存储及展示，支持与厂内系统对接。

铁水车识别通过超高频RFID[4]实现，铁水车上安装抗金属RFID 标签，出铁口安装RFID 读写器。当车辆靠近时，RFID 读写器读到车辆信息则送给通信网关。每个出铁口和每台车辆配置一台通信网关，采集各自内部数据，并通过LoRa[5]无线与上级交互数据，最后通过光纤传输到中控室，实现数据采集和展示。出铁口配置LED 大屏和声光报警器，出铁口的重量等信息实时显示在LED 大屏上，当重量超过系统设置的报警值时发出声光报警。

系统从区域分布上划分，可分为三部分：中控室、出铁口、车辆。

1.1 中控室

中控室（图2）配置服务器并开发监控平台软件，可接入高炉出铁口通信网关协议数据，支持可视化大屏展示。服务器配置的存储容量不低于1TB，足够保存五年以上的数据存储。

图2 中控室

1.2 出铁口

出铁口（图3）配置RFID 读卡器、通信网关[6]、LED 大屏、声光报警器和LoRa 透传模块。RFID 读卡器用于读取车辆的RFID 标签，并上送通信网关，以识别不同车辆。通信网关除接收RFID 读卡器的信息之外，还通过LoRa 透传模块与车辆和中控室通信。与车辆通信以读取车辆重量信息，并将车辆信息和重量信息汇总后上送中控室。出铁口也配置大屏显示和声光报警器。

图3 出铁口配置

1.3 车辆

车辆配置（图4）车辆控制器（类似于通信网关）、LoRa 透传模块、工业组态屏和RFID 标签。车辆控制器采集电子秤和液压秤的数据通过LoRa 模块输出，同时上送到工业组态屏展示。工业组态屏使用昆仑通态组态软件接收车载控制器的协议数据组态化展示。RFID 标签采用抗金属超高频标签，用于标志车辆，根据实际需求可配置多个。

图4 车辆配置

1.4 硬件选型

根据系统的组成，给出硬件选型的参考（表1），表内仅为主要硬件，其他附件还需在执行中添加。

表1 系统主要硬件

2 智能称重数据传输系统软件设计

上文已对铁水车智能称重数据传输系统的硬件（出铁口、车辆、中控室）进行了研究。出铁口作为车辆与中控室间的中枢桥梁，是通过通信网关实现数据交互的，其主要功能是通过RFID 读卡器识别车辆，接收车载控制器的称重数据并把这些传输到出铁口LED 屏和监控后台。车载控制器（类似网关）主要功能是从电子秤或液压秤采集称重和车辆运行数据通过无线透传模块传输到出铁口。中控室监控平台软件需实现的主要功能是接收通信网关的称重数据并展示并支持与高炉MES 系统对接。

下文将针对这三部分的功能研究其软件设计。

2.1 出铁口通信网关

出铁口通信网关主要作用在于把车载控制器的数据传输到LED 屏和监控平台。该通信网关系统架构分为6 个业务线程（图5），分别是：主线程、车辆识别线程、LED 通信线程、监控后台通信线程、车载控制器通信线程和声光报警器通信线程。线程间通过函数接口进行通信解耦，不直接使用全局变量，方便后续扩展。

图5 通信网关系统架构

（1）主线程

负责配置管理的实现，全局句柄信息管理。

（2）车辆识别线程

网关与RFID 读写器通过私有协议进行通信，SDK 驻留在通信网关，物理通道为ethernet 通道。在通信网关保存所有RFID 与车辆编号的映射表，固化在配置文件或内存中。当读到RFID 时直接查表，查找出对应的车辆。RFID 读写器需要在预先完成ip、功率等参数配置。

（3）LED 通信线程

网关与LED 屏控制器通过私有协议进行通信，SDK 驻留在通信网关。LED 屏控制器预先完成ip、通信协议等参数配置。其物理通道为也是ethernet。在此对.LED 显示的刷新逻辑也进行了规定：

（a）车辆驶入或驶离停车位时，LED 刷新车辆信息；

（b）接铁过程，LED 线程每100 ms 检测一次重量，有变化则刷新；

（c）为防止LED 息屏，30 min 定时刷新。

（4）监控后台通信线程

网关与监控后台通过IEC104 协议进行通信，规范网关作为104 tcp server，监控平台作为104 tcp client。网关与监控后台的物理通道为ethernet。规范网关支持皮重、毛重、净重等实时数据以及实时状态数据上送，同时支持三级告警阈值设置下发。

（5）车载控制器通信线程

网关与车载控制器通过modbus 协议[6]进行通信，通信网关作为modbus rtu master，车载控制器作为modbus rtu slave。网关与车载控制器的物理通道支持lora 和RS485 双通道。

（6）声光报警器通信线程

网关与声光报警器通过modbus 协议进行通信，通信网关作为modbus rtu master，声光报警器与继电器连接，作为modbus rtu slave。网关与声光报警器的物理通道为RS485 通道

2.2 车载控制器网关

车载控制器主要作用在于从液压秤和电子秤采集称重数据，并传输到车载组态屏和出铁口通信网关。车载控制器（图6）分为5 个业务线程和2 个定时器，分别是：主线程、液压秤采集线程、电子秤采集线程、网关间通信线程、组态屏通信线程、通信监测定时器、重量监测定时器。线程间通过函数接口进行通信解耦。

图6 车载控制器网关系统架构

（1）主线程

负责配置管理的实现和全局句柄信息管理。（2）液压秤采集线程车载控制器与液压秤通过私有协议通信，底层基于CAN 2.0A 协议[7]。

（3）电子秤采集线程

车载控制器与电子秤控制器通过modbus 进行通信，车载控制器作为modbus rtu master，电子秤控制器作为modbus rtuslave，物理通道为RS485。

（4）通信网关通信线程

通信网关与车载控制器通过modbus 协议进行通信，通信网关作为modbus rtu master，车载控制器作为modbus rtu slave。通信网关与车载控制器的物理通道支持lora 和RS485[8]。

（5）组态屏通信线程

车载控制器与组态屏通过modbus 协议进行通信，车载控制器作为modbus tcp server，组态屏作为modbus tcp client，物理通道为ethernet。

2.3 中控室监控平台软件

中控室监控平台[9]是负责收集所有出铁口、车辆的数据，并进行存储和展示。根据要求监控软件既要提供扩展能力，又要支持大屏可视化；所以监控后台软件基于C/S 架构开发，可扩展B/S 功能，支持公有云、私有云、混合云等多种部署方式，支持丰富的工业现场通信规约并易于扩展，支持通信网关侧的边缘智能处理，监控平台软件主要实现几个功能：

（1）首页实时数据，实时显示各出铁口的称重数据和通信状态；

（2）告警阈值设置，设置三级出铁数据阈值，超过后系统将触发告警；

（3）历史数据，支持出铁数据的查询和导出；

（4）事件告警，记录各种通讯状态和异警的记录，方便后期查询和跟踪；

（5）重量统计，可以按高炉/出铁口/车辆维度统计一定时间范围内的总量信息；

（6）系统运维，可以查看服务器的状态，包括cpu/内存/硬盘使用等情况。