基于工业物联网通信协议的高炉热负荷监测系统设计研究

叶竹辉

(陕西交通职业技术学院,陕西 西安 710018)

炼钢作为钢铁产品生产的重要环节,其产品的质量直接关系到下游产业的发展。虽然目前国内外炼铁方式逐渐增多,更为节能的还原性炼铁等方式得到推广。但高炉炼铁方式在我国经济发展中仍然占据较大的比重,短时间内不会被完全取代。热负荷作为高炉冶炼运行的重要参数,其反映高炉内的热负荷情况。通过对高炉热负荷参数的准确测量能够预先得知高炉被侵蚀部位,进而增加冷却水流避免高炉爆炸等安全事故的出现。工业物联网通信协议作为多学科、跨领域的系统性工程,在很多工业生产中均具有广泛的应用。因此本文主要探究一种基于工业物联网通信协议的高炉热负荷监测系统设计,希望能够确保高炉安全生产、延长高炉设备使用寿命。

1 高炉热负荷监测系统设计原理

高炉内部的冷却系统以保护高炉内部结构以及炉壳为目的。在高炉正常工作过程中,延长高炉的使用寿命。因此冷却系统必须具有通常的热量传递功能,能够降低热应力等多高炉内部耐火材料造成的腐蚀[1]。

由于软水密闭冷却循环技术不断完善,目前大多数的钢铁企业建设的高炉多采用该系统进行高炉冷却。系统结构如图1所示。

图1 软水密闭冷却结构图

如图1所示,在完全密闭的系统环境下,循环水泵带动低压锅炉软水作为冷却水进行循环,冷却高炉设备中的热量。热量冷却后经由热交换器发散。系统结构中的膨胀罐主要用于吸收系统中因为热量发散以及温度升高所导致的膨胀,依照膨胀程度的差异,系统中的N2产生不同的工作压力。高炉炉身下部作为热流强度分布最大的区域,其耐火砖更容易受到高温铁水的侵蚀[2-3]。通过安装冷却装置,在软水密闭冷却系统的工作下,能够使得高炉在冷却水的加持下,在热表面形成渣皮,进而避免高炉被热腐蚀。热负荷参数作为冷却系统参数调节的重要参照,是高炉冷却水量确定的重要依据,通常情况下。当高炉炉体热负荷增大时,冷却壁的热负荷会明显降低,冷却壁水温差值减小[4]。

2 高炉热负荷监测系统设计方案

2.1 系统结构设计

传统高炉热负荷监测采用在高炉软水进出口总管上开孔的方式,借助不同深度的热电阻监测总管中的软水温度,由于主要依赖于温度监测点的数量,系统的施工量较小,但对进出水温度的监测效果有限。且这一检测方式会消耗大量的高温电缆,可能因为一个测温点的故障而导致整体监测通信网络出现瘫痪[5]。

为了克服传统高炉热负荷监测系统存在的缺陷,本系统设计采用多路中继的RS485总线方式,通过总线电缆以及多个中继器实现对测温点数据的采集,然后经由总线汇集采集数据并通过网线发送至上位机[6]。整体结构如图2所示。

图2 高炉热负荷监测系统结构图

充分考虑传统热负荷监测系统存在的缺陷,在系统设计中引入工业物联网技术,从而简化系统的加工。借助无线测温节点对高炉水温进行监测,然后经由无线温度采集终端汇总,通过RS485总线以及ARM协调器传递至上位机[7-8]。这一测温方式选择能够减轻电缆铺设的成本,且便于安装和维护,满足高炉热负荷监测的实际需要。

2.2 工业物联网通信协议

2.2.1 通信协议选择原则

(1)为提升整体系统设计的传输效率,无线传输部分需要具备较强的抗干扰能力以及穿透能力。

(2)测温节点等装置需要具有较高防护等级,避免高温腐蚀。

(3)参照现阶段我国高炉的使用情况,一般高炉使用寿命为5年,因此无线测温节点的电池续航能力至少在5年。

2.2.2 工业物联网通信协议选择与设计

对比现有的工业物联网通信协议可知,蓝牙以及无线高保真等传输距离较短,且受到钢板等工作环境的影响,穿透力不强。因此本系统采用自主研发的基于身份标识的无线通信协议进行测温数据的采集和传输[9]。将每一个测温节点进行身份标识设置并保存。采集终端与具有身份标识的节点建立数据传输关系。同时通信协议依据身份标识对所有节点的信号强度以及续航能力进行监测,当连续性发现节点的通信质量较低时,移除身份标识,并将该身份标识所覆盖位置增加到最近的终端中。这一工业物联网通信协议的设计极大地提升了工业物联网的灵活性[10]。工业物联网通信协议设计如图3所示。

图3 工业物联网通信协议设计结构

物理层:定义通信基频433 M,频道宽度200 kHz,接收宽度59 kHz,高斯频移键控调制解调模式,数据波特2.5 kbit/s。

数据链路层:定义采集终端地址0x0001,功能码0xG6,节点温度长度0x02(2字节代表一个温度长度);有效数据化整。

网络层:定义节点组网应答:在0～20频道内进行可通信终端扫描,如应答保存节点标识,并记录节点传输温度数据,未应答继续扫描。

应用层:定义节点身份标识,对节点传输数据进行管理,判断节点工作状态。

3 高炉热负荷监测硬件设计

3.1 测温节点

本系统所使用的无线测温节点安装于高炉冷却壁位置,以实现对冷却水温差进行监测。测温节点包括以下几部分:

(1)电源模块。采用锂亚硫酸氯30 000 mAh电池对测温节点进行供电,满电电压4.5 V,测温节点其他器件如转换器等工作电压为3.3 V,同时采用REG711-3.3升降压芯片作为主导芯片。

(2)采样电路。使用比率电桥温度采样电路,Pt1000采用三线制,电路输出于AD转换器参考电压采用差分式,简化电路设计。

(3)AD转换模块。为实现将温度采样差分模拟信号转化为数字信号的目的,选用AD7799作为转换模块主要芯片,其中内置的程控放大器能够对数字滤波进行调节[11]。

3.2 采集终端

采集终端作为数据处理的另一重要硬件设备,负担着节点数据上传的重要责任。其结构设计包括以下几部分:

(1)按键显示模块。设计独立4位自弹式按键实现对显示器的翻页查询以及对电池电量的监测。

(2)RS485通信模块。采用平衡差分式总线通信方式,总线标号分别为A+以及B-,当A+大于B-200mV时表示高信号电平,当A+小于B-200mV时表示低信号电平,接口电路使用完全隔离型ADM2587接口芯片[12]。

3.3 ARM协调器

协调器硬件系统选用ARM11开发板。主处理器选择三星S3C6410,内存选用BGA封装,接口资源选择10/100M以太网接口。协调器能够通过总线对所有采集终端进行轮询,温度数据采集后打包发送至上位机[13]。

4 高炉热负荷监测软件设计

4.1 测温节点控制设计

在IAR Embedded Workbench环境下完成,采用C语言进行程序编写。相较于Keil C等低端处理器,IAR环境下编译生成的代码具有更小的内存占用、更高的运行效率。主程序包含硬件初始化、电池电量以及温度监测。使用定时唤醒工作模式,通过定时睡眠唤醒方式进行测温节点唤醒。节点唤醒后转为工作状态,完成对温度等采样。

4.2 无线采集终端程序设计

无线采集终端主程序包括接收子程序、按键显示子程序、通信子程序以及信号强度四部分。无线接收终端接收节点数据后发送应答信号。数据读取后存储至寄存器中,在数据接收完成后退出接收状态。按键显示子程序在按键I/O端口初始化状态下进行LCD清屏,然后借助具体编码以及字库进行使用说明书查询。通信子程序在正常状态下可判断并接收指令类型,发送应答信号数据包给协调器[14]。信号强度程序通过CC1110内部的寄存器读取节点信号强度,借助信号接收强度值实现对节点通信链质量的采集,降低无线通信出现误码的发生率,提升无线通信的质量。

5 结 语

传统高炉热负荷监测的精度低,不仅会消耗一定数量的高温电缆,还容易在日常工作中出现损害,具有较高的施工以及维护成本。工业物联网通信协议技术应用于高炉热负荷监测具有较好的应用效果,不仅能够克服传统高炉热负荷监测的束缚,还能够提升监测的精度,提升系统的适用性。本文综合分析了基于工业物联网通信协议的高炉热负荷监测系统设计,希望能够提升高炉热负荷监测的信息化和管理水平。