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1、钢包温度在线监控的研究与实现 石成章 蓝箭 李文博 郭健 上海大学机电工程与自动化学院自动化系 摘 要： 基于钢铁厂钢包在钢铁界面环节, 铁水的热量损失非常严重问题, 提出一个对钢包包盖温度进行在线监控的方案。通过热电偶和铂电阻采集钢包的温度, 经过 16 位 AD 器件转换成数字信号, 利用 Zig Bee 进行无线传输, 接收端把数据传入本地客户端, 本地客户端最后传入服务器端, 对异常数据进行报警筛选处理, 形成动态监控曲线, 并存入钢厂数据库。通过对温度曲线分析, 对钢厂技术改进和节能增效提供有效帮助, 为企业大数据挖掘技术提供了数据支持。关键词： 温度传感器; ZigBee; Soc
2、ket; Active X; 数据库; 收稿日期：2017-8-28Research and Realization of On-line Monitoring of Ladle TemperatureAbstract： Based on the steel pipe in the iron and steel interface, iron and steel heat loss is very serious problem, put forward a steel bag cover temperature on-line monitoring program.Through the t
3、hermocouple and platinum resistance to collect the temperature of the ladle, 16-bit AD device into a digital signal, the use of ZigBee for wireless transmission, the receiver data into the local client, the local client finally passed to the server, the abnormal data alarm screening processing, the
4、formation of dynamic monitoring curve, and deposited into the steel plant database.Keyword： temperature sensor; ZigBee; Socket; Active X; database; Received： 2017-8-28该项目现阶段的检测对象为钢包包盖, 钢包在周转和钢水出钢流程中处于移动状态, 常用的有线数据传输方式无法实施, 只能采用无线方式传输温度数据。考虑到功耗低、抗干扰能力强等特点, 最终采用现场近距离的 Zig Bee 通讯模块 (基于 Zig Bee 协议的 CC25
5、30) , 该模块把采集到的数据通过 RS232/RS485方式发送给本地客户端, 本地客户端实时显示该厂区钢包的温度, 同时把数据通过 Socket 通信发送给远程服务器, 远程服务器接受数据生成温度曲线并存入数据库。1 信号检测系统硬件设计根据上述方案设计的分析, 将系统功能、通讯方式和具体的硬件器件型号进行了选择和补充, 得到图 1 所示的系统原理图。图 1 系统原理图 下载原图从图 1 中可以清晰地看到整个系统的组成结构和信号处理流程:温度数据经现场采集端获取后, 通过短距离 Zig Bee 传输数据至路由端;路由端在通过串行通讯方式把数据传给客户端;客户端转发到服务器。从硬件角度分析
6、, 系统的设计包括采集端的传感器和路由端数据接受模块、系统中无线通讯机制实现三个部分。1.1 Zig Bee 终端设计如图 2 所示, 左侧是 6 路温度传感器为铠装热电偶, 用于采集钢包包盖内不同点的温度信息。右侧温度传感器为 PT1000 铂电阻, 用于采集环境温度, 并为铠装热电偶提供冷端温度参考。采集端芯片采用 TI 公司的生产的低功耗处理器MSP430G2955, AD 滤波和转换芯片采用 ADS1120。由于对象长期处于高温环境 (高达 300以上) 下, 而普通工业级电路板的工作温度范围是:-4085, 因此, 对采集端采取蜡封、保温的方式, 使器件的温度稳定在其正常工作范围之内
7、, 消除外部热量对器件的影响。图 2 传感器设计实物图 下载原图由于钢包包盖一旦投入工作, 工作周期一般在半年以上, 因此必须要保证传感器工作时间在一年以上, 为降低能耗, MSP430G2955 设定每五分钟唤醒一次, 使其处于正常运行模式, 并按预先设置序列, 依次读取每个 ADS1120;在对数据滤波处理后, 将数据打包发送至无线发送模块。数据处理完成后, MSP430G2955会重新进入休眠状态, 并且会关闭无线发送模块的电源。工作时间保守估计在1.5 年左右, 完全满足要求。1.2 Zig Bee 路由端设计现场采集的温度数据通过短距离 Zig Bee 进行数据通讯, 解决了现场无法
8、布线的问题。但是生产现场设备数量多、分散且移动范围广, 而系统需要对各个信号采集端获取的数据进行统一的存储和处理。为了解决上述问题, 设计了路由模块, 图 3 所示。接收采集端发送的温度数据, 并将数据传入客户端进行初步处理和整合, 在客户端上进行实时显示。1.3 数据无线传输设计1.3.1 数据包格式定义搭建一个逻辑严谨的无线通讯网络架构, 需要对数据包格式进行定义。如表 1所示。图 3 路由模块设计实物图 下载原图表 1 数据包格式定义 下载原表 终端发送的数据包, 不管是命令、应答还是温度数据包均以“10”开始, 以“11”结束。路由端则以“20”开始, 以“21”结束。1.3.2 Zi
9、g Bee 终端节点处理流程由于炼钢厂环境恶劣, 可能会发生信号中断的情况, 为此设计了数据缓存机制, 一旦终端无法连入路由端, 就对数据进行缓存, 最大能存入五次, 恢复通讯之后, 就把缓存的数据全部发送到路由端。图 4 所示为 Zig Bee End Device 处理流程图, 分为数据包发送、校验和程序处理。数据包主要有温度数据包、通讯结束数据包和回复包。数据校验有首字节命令校验、数据包长度校验、和错误代码校验, 不同的校验结果会进入不同的程序处理部分。图 4 Zig Bee End Device 处理流程图 下载原图1.3.3 Zig Bee 路由节点处理流程图 5 所示, 为 Zig
10、 Bee Router 处理流程图, 与终端相比, 路由端没有数据包发送功能, 只负责数据包的校验和回复。2 温度监控系统软件设计2.1 客户端软件设计根据方案设计, 路由端接受到数据之后, 将会把数据转发给客户端, 此时的客户端要对数据进行相关处理, 每组数据用“!”进行分隔, 然后在线显示并发送到服务器。在进行软件的设计时, 考虑到提高开发效率, 采用 Windows 操作系统下 Microsoft Visual Studio 2015 的集成开发环境进行软件开发。为满足上述要求, 该客户端的监控软件需要具备以下条件:图 5 Zigbee Router 处理流程图 下载原图连接 PC 的
11、COM 口, 实现单片机与 PC 的串口通讯, 在程序中首先要创建串口通讯的 Active X 控件, 然后对端口、波特率、校验位、数据位、停止位、缓存空间大小等设置。连接远程服务器, 利用 Socket 通信发送完整的数据, 程序中首先创建 Socket对象, 设置要连接的服务器的 IP 地址、端口等信息。客户端软件界面如图 6 所示:图 6 客户端软件界面 下载原图该客户端接受到的数据以文字的形式显示在界面, 并且把数据缓存到客户端硬盘, 方便查看之前的数据, 也能通过清除按钮清除缓存。2.2 服务器软件设计服务器端接受来自客户端的数据之后, 进行数据格式的转换之后, 把“!”字符去除,
12、先在软件界面上进行显示, 如果出现异常数据, 将会出现红灯警告。同时把数据以 ODBC 的方式存入到数据库, 基于 Windows 开发系统, 选择 SQL Server 数据库系统。因此, 服务器端软件架构是由基于 MFC 的监控界面及 SQL Server 数据库构成。表 2 数据信息表 下载原表 数据表主要是由采集数据信息表构成。数据信息表设计如表 2 所示。监控界面要将数据进行在线显示, 筛选出问题数据, 为了不影响数据的导入而又能够方面管理员观察到问题数据, 把问题数据进行缓存并显示在特定文本框内, 把正常数据绘制成动态曲线。界面设计好之后, 添加一个 ODBC 类, 和 Tee C
13、hart 控件, 进行相关配置, 实现数据导入数据库和显示温度数据的实时曲线。主要程序如下:服务器端温度监测软件界面如图 7 所示。该软件不仅显示数据, 也能查阅数据库内的历史数据, 并且形成温度在线监控曲线图。图 7 服务器端温度监测界面 下载原图2.3 异常点判断标准3 准则 (拉依达准则) 是数据分析常用的一种剔除异常值的可行方法理论, 数值偏差大于 3 的数据将会被视为异常值。具体做法是:首先假设一批采集数据只含有随机性误差, 通过计算得到其标准偏差, 选择以一定比例来确定一个范围, 认为凡超过这个范围的误差, 就不属于随机性误差而是粗大误差, 有该误差的数据应进行剔除。该项目中, 温
14、度数据是通过不同采集时间点进行的, 其误差具有随机性, 满足拉依达准则的要求。其中:其中 x 軈为平均值, x b是含有粗大误差的异常值。若异常值与平均值差的绝对值大于 3, 将会被记录并剔除。钢包在不同的工作时间段求得的 的值不同, 以钢包装有铁水之后某一时间段为例, 求得的 3 值为 2.46, 平均温度为301.6, 若下一次采集到的温度与平均温度差值大于 2.46 将会被记录并剔除。2.4 温度曲线现阶段主要应用于钢包冶炼过程, 分析钢包温度数据在时间序列上的变化规律。通过预埋在钢包包盖内不同测量点的热电偶, 采集包盖的温度信息, 并通过铂电阻采集包盖上方的环境温度。采集到的数据详见表
15、 3 样本。表 3 样本数据库部分数据 下载原表 图 8 温度数据曲线图 下载原图图 8 为样本数据库中部分温度数据曲线图, 采集的是钢包某个时间段的值, 其中横坐标为采集时间段, 每五分钟一次, 初始采集时间为 2016/4/8 14:52, 纵坐标为温度值, 不同颜色的曲线代表不同测量点的温度信息。温度最低的曲线是热电偶 3 和 6, 位于外层钢皮结构中, 其次是热电偶 2 和 4, 位于包盖隔热层中, 温度最高的红色和黄色曲线分别代表热电偶 1 和热电偶 5, 是包盖中最接近下表面的温度采集点, 这两路热电偶温度数据足以反映钢包温度。3 结束语该系统投入到钢铁厂进行测试之后, 传感器模块
16、能正常采集钢包温度数据, 接受端能够成功接收到采集端发送的数据, 软件也能正常运行, 产生的温度曲线确实能反映钢包的实际温度。此方案解决了钢包温度不易采集和对温度进行动态监控的难题, 为企业今后对钢包温度分析及大数据挖掘技术提供了数据支持。参考文献1贾怡良.钢铁企业铁水运输组织与优化分析D.西安:西安建筑工业大学, 2011 2张国良, 李绍铭.铁水鱼雷罐车的监测方案J.冶金自动化, 2003 (1) :7 3王栋梁.有机电致发光器件新型封装方法的研究D.成都:电子科技大学, 2011 4孙鑫, 余安平.VC+深入详解M.北京:电子工业出版社, 2007 5侯俊杰.深入浅出 MFCM.2 版.武汉:华中科技大学出版社, 2002
