（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

燒結(jié)礦是鋼鐵冶煉的關(guān)鍵物料，其成分的穩(wěn)定性直接影響高爐順行。目前，燒結(jié)礦成分檢測普遍采用化學(xué)分析或X熒光分析的方法進(jìn)行[1]，這種實(shí)驗(yàn)室分析方法存在采監(jiān)測頻率低、實(shí)時(shí)性不足的缺陷，無法適應(yīng)和滿足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)性的需求。在基于瞬發(fā)式γ射線中子活化分析（PGNAA）技術(shù)的物料成分在線檢測儀器基礎(chǔ)上，利用工業(yè)無線以太網(wǎng)構(gòu)建的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)能夠在線、快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測量燒結(jié)礦中元素含量，自動分析燒結(jié)礦成分含量的波動。目前，物料成分在線監(jiān)測已成功應(yīng)用于在煤炭、水泥等行業(yè)[2]，為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢。經(jīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，質(zhì)檢員可通過監(jiān)測中心實(shí)時(shí)觀察燒結(jié)礦成分變化規(guī)律和趨勢，掌握燒結(jié)生產(chǎn)狀況，提高生產(chǎn)效率。此外，該項(xiàng)目的研究有助推進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)自動化技術(shù)創(chuàng)新升級，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由現(xiàn)場物料測量終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分構(gòu)成?，F(xiàn)場物料測量終端主要由基于PGNAA技術(shù)的帶式輸送式燒結(jié)礦物料成份在線檢測裝置及相關(guān)的控制與分析系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)，硬件包含可編程邏輯控制器（PLC）、無線訪問接入點(diǎn)、交換機(jī)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wù)器。遠(yuǎn)端監(jiān)控中心則由具備數(shù)據(jù)庫管理和控制功能的服務(wù)器、組態(tài)軟件上位機(jī)、報(bào)表打印機(jī)等組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall configuration diagram of the system

燒結(jié)礦質(zhì)量波動實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程：（1）監(jiān)測中心服務(wù)器啟動監(jiān)測系統(tǒng)軟件并登陸；（2）對燒結(jié)工藝生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)范圍和基準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)置；（3）連接監(jiān)測量終端并啟動監(jiān)測終端，同時(shí)等待服務(wù)器自動建立TCP/IP以太網(wǎng)通信信道；（4）測量終端接受到指令后，監(jiān)測儀器啟動并將采集的燒結(jié)礦元素含量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（5）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)通過PLC組建的工業(yè)無線以太網(wǎng)實(shí)時(shí)快速將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器；（6）服務(wù)器接受并存儲PLC發(fā)送來的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過上位機(jī)人機(jī)界面（HMI）顯示；（7）操作監(jiān)測軟件，查看燒結(jié)成分穩(wěn)定性及趨勢和質(zhì)量分析結(jié)果。

系統(tǒng)主要用于燒結(jié)生產(chǎn)成品燒結(jié)礦的檢測，燒結(jié)工藝流程復(fù)雜，儀器儀表設(shè)備眾多，將物料檢測儀器安裝于燒結(jié)冷卻系統(tǒng)與破碎系統(tǒng)之間，成品燒結(jié)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(yùn)送的燒結(jié)礦進(jìn)行原位測量，獲取準(zhǔn)確的燒結(jié)礦質(zhì)量信息，同時(shí)保障燒結(jié)生產(chǎn)線順利正常運(yùn)行。

2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)是系統(tǒng)順利運(yùn)行的保障和關(guān)鍵組成，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要求信號傳輸足夠快并滿足確定性的要求，實(shí)時(shí)對變量數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確定時(shí)刷新。為此，系統(tǒng)選用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備間的互連通信，保障數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定、可靠，各個(gè)設(shè)備間的連接統(tǒng)一采用TCP/IP協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦質(zhì)量檢測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)參數(shù)監(jiān)測，主要包括：現(xiàn)場物料測量終端、無線工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心上位機(jī)。

2.1 現(xiàn)場物料測量終端通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場的測量終端主要設(shè)備為工業(yè)物料檢測儀器，該儀器為基于PGNAA技術(shù)的帶式輸送式燒結(jié)礦物料成份在線檢測裝置，包含譜分析及控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)構(gòu)成，可在1 min內(nèi)對物料元素成分進(jìn)行精準(zhǔn)測量，其測量數(shù)據(jù)以固定的文本文檔格式存儲于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。系統(tǒng)通過S7-200 PLC獲取實(shí)測數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)與S7-200 PLC間以太網(wǎng)通信[3]。

S7-200 PLC無法直接對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的文本文件進(jìn)行讀取，在Visual Basic中調(diào)用相關(guān)函數(shù)，通過 “My.Computer.FileSystem.ReadAllText（"C： 燒 結(jié)礦元素?cái)?shù)據(jù)文檔.txt"）”語句讀取成分在線檢測儀器中的數(shù)據(jù)，并編程實(shí)現(xiàn)對文檔數(shù)據(jù)的解析與存儲。OPC采用客戶/服務(wù)器模式，系統(tǒng)以Visual Basic 6.0作為客戶端，PC Access V1.0 SP4作為服務(wù)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(wù)器通信，減少通信程序的開發(fā)量周期，采用同步方式和OLE自動化接口進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問?？蛻舳说拈_發(fā)完成后，生成exe可執(zhí)行文件，設(shè)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開機(jī)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(wù)器（Server）軟件，安裝后建立一個(gè)OPC服務(wù)器，自動生成名為“S7 200.OPC Server”的服務(wù)器，Visual Basic 6.0通過服務(wù)器名訪問，并將數(shù)據(jù)傳入服務(wù)其中的變量表中。S7-200 PLC利用STEP 7-Micro/WIN V4.0.1建立PC站，進(jìn)行相應(yīng)的硬件組態(tài)即可通過網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)對OPC服務(wù)器變量的讀取，通過以太網(wǎng)通信處理器CP 243-1-1智能模塊獲取測量終端采集的燒結(jié)礦元素含量數(shù)據(jù)。

2.2 工業(yè)無線以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

燒結(jié)生產(chǎn)現(xiàn)場粉塵大，環(huán)境惡劣，電磁設(shè)備眾多，測量點(diǎn)距離燒結(jié)監(jiān)控室直線距離達(dá)上百米，鋪設(shè)線纜困難，為此，需要抗干擾性強(qiáng)、可靠性高的工業(yè)級產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)以太網(wǎng)中引入無線技術(shù)，以工業(yè)無線以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控中心與各種終端設(shè)備之間信息交換的橋梁和紐帶。工業(yè)無線技術(shù)同時(shí)也是工業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)[4]。

在有線控制網(wǎng)絡(luò)中加入無線局域網(wǎng)，其中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備是接入點(diǎn)。選用研華的無線AP產(chǎn)品EKI-6311GN無線以太網(wǎng)模塊作為接入點(diǎn)，其中，無線局域網(wǎng)是由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商自動完成，通過配置EKI-6311GN的IP地址即可實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)接入點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。該無線以太網(wǎng)模塊與IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)兼容，并支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)150Mb/s，能有效實(shí)現(xiàn)與有線以太網(wǎng)的接入。

工業(yè)無線以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)由S7-200 PLC、2個(gè)EKI-6311GN接入點(diǎn)、S7-300 PLC組成。2個(gè)EKI-6311GN分別與 S7-200 PLC、S7-300 PLC相接，與S7-200 PLC相連接入點(diǎn)A在接收到數(shù)據(jù)后，通過以太網(wǎng)封包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾轉(zhuǎn)發(fā)，利用建立的無線鏈路發(fā)送到與S7-300 PLC相連的接入點(diǎn)B，接入點(diǎn)B將接收的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化成符合以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包格式，通過外部網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)上傳到有線網(wǎng)絡(luò)，供S7-300 PLC作相應(yīng)的處理。在通訊上，S7-200 PLC與S7-300 PLC分別采用以太網(wǎng)通訊智能模塊，通過配置網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與接入點(diǎn)的訪問，無線局域網(wǎng)中相關(guān)硬件設(shè)備和IP設(shè)置如表1所示。

為保證數(shù)據(jù)的安全性，通過無線加密驗(yàn)證方式，防止外部用戶及非法攻擊，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。在工況環(huán)境下進(jìn)行測試，調(diào)整2個(gè)接入點(diǎn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間周期最小達(dá)500 ms；數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤率小于0.01%，完全符合數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)要求。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)配置Tab.1 Wireless network equipment configuration

2.3 監(jiān)控中心上位機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控中心上位機(jī)主要通過交換機(jī)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(yè)以太網(wǎng)的通信模塊，以及點(diǎn)對點(diǎn)通信[5]。燒結(jié)廠燒結(jié)生產(chǎn)的監(jiān)控大多采用工業(yè)以太網(wǎng)，為便于實(shí)施和調(diào)試，系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP343-1完成與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，S7-300 PLC的CPU選用315-2 DP。此通信方式有助于上位機(jī)通過交換機(jī)與燒結(jié)廠配料、混合、燒結(jié)等相關(guān)PLC控制器相連，獲取燒結(jié)生產(chǎn)過程，更好分析造成燒結(jié)礦成分波動的原因。

3 基于InTouch的監(jiān)測中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測軟件是系統(tǒng)核心，實(shí)測數(shù)據(jù)的處理、穩(wěn)定性分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控在軟件中完成。系統(tǒng)軟件采用InTouch組態(tài)軟件[5]開發(fā)人機(jī)交互（HMI）界面，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦質(zhì)量波動監(jiān)測系統(tǒng)的可視化、操作和管理，遵循可靠性、易用性和可擴(kuò)展性的原則，軟件主要包括5部分：用戶管理模塊、指標(biāo)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)分析顯示模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、可擴(kuò)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(tǒng)的順利安全使用而設(shè)計(jì)，并防止燒結(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)外泄。開發(fā)過程中，在InTouch的Window Viewer程序中通過$AccessLevel條件根據(jù)使用者的工作性質(zhì)和級別分配了不同的訪問權(quán)限，用戶通過輸入正確的用戶名與有效口令獲得系統(tǒng)軟件的使用權(quán)。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(jiān)測軟件因使用者疏忽觸碰鍵盤導(dǎo)致系統(tǒng)閃退，運(yùn)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(tǒng)軟件組成與功能Fig.2 Software components and functions of the system

指標(biāo)設(shè)置模塊主要用于手動輸入燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)參考值，我國雖然頒布了我國優(yōu)質(zhì)燒結(jié)礦的技術(shù)指標(biāo)，但燒結(jié)礦化學(xué)成分的評判標(biāo)準(zhǔn)為固定范圍和波動區(qū)間，燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)中堿度、全鐵、氧化亞鐵（FeO）基數(shù)由各個(gè)燒結(jié)廠根據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)際情況自定。為更好地檢測燒結(jié)礦化學(xué)成分及穩(wěn)定性，設(shè)置了預(yù)警值，當(dāng)高于最大值或低于最小值時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)自動判斷，發(fā)出報(bào)警信號，提醒工作人員注意，及時(shí)采取調(diào)整措施。

數(shù)據(jù)顯示分析模塊是監(jiān)測系統(tǒng)最重要的組成，實(shí)測數(shù)據(jù)的處理分析在該模塊中實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場物料測量終端采集的數(shù)據(jù)為燒結(jié)礦元素含量，而燒結(jié)礦化學(xué)成分及其穩(wěn)定性監(jiān)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(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)及分析流程如圖3所示。其中，實(shí)測數(shù)據(jù)與所需成分含量之間的轉(zhuǎn)換利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算方法，并結(jié)合其在燒結(jié)礦中的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行推算，數(shù)據(jù)有效性采用全元素分析法，燒結(jié)礦成分波動及穩(wěn)定性采用差值法，運(yùn)算的過程均在InTouch中通過QuickScript的腳本語言實(shí)現(xiàn)。為便于觀察燒結(jié)礦化學(xué)成分的變化，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)趨勢圖、動態(tài)變化數(shù)據(jù)表、歷史趨勢圖實(shí)時(shí)顯示燒結(jié)礦成分及波動情況，并在相應(yīng)的文本框中給出分析結(jié)果，為燒結(jié)礦質(zhì)量控制提供參考依據(jù)。

數(shù)據(jù)管理模塊包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初始化、查詢、保存、打印及校正，通過開放數(shù)據(jù)庫互連（ODBC）訪問外連SQL Server，實(shí)現(xiàn)對燒結(jié)礦成分?jǐn)?shù)據(jù)、用戶信息、生產(chǎn)指標(biāo)參數(shù)的存儲和管理。此外，InTouch支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE），系統(tǒng)通過DDE與Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，利用Excel的宏生成當(dāng)天24 h燒結(jié)礦成分含量的數(shù)據(jù)報(bào)表，用戶可根據(jù)需要打印。

圖3 系統(tǒng)工作及數(shù)據(jù)分析流程Fig.3 Work and data analysis process of the system

可擴(kuò)展模塊為系統(tǒng)的預(yù)留模塊，隨著工業(yè)第四次革命的到來，智能化建設(shè)成為未來的趨勢，可在預(yù)留模塊中添加Web發(fā)布，實(shí)現(xiàn)多人員同時(shí)監(jiān)測的效果，同時(shí)使生產(chǎn)過程信息化、網(wǎng)絡(luò)化，有助于鋼鐵企業(yè)智能工廠的建設(shè)，幫助高爐工作人員及時(shí)了解煉鐵物料的品質(zhì)。

系統(tǒng)的所有功能通過人機(jī)交互界面（HMI）操作實(shí)現(xiàn)，以便直觀反映對燒結(jié)礦成分的動態(tài)，快速了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)的主監(jiān)控界面如圖4所示。設(shè)置系統(tǒng)的監(jiān)測周期為1 min，燒結(jié)礦成分波動較小，結(jié)合燒結(jié)廠實(shí)際情況，設(shè)定TFe波動范圍設(shè)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(tǒng)能清晰準(zhǔn)確反應(yīng)燒結(jié)礦關(guān)鍵成分的波動，燒結(jié)礦TFe、R含量隨時(shí)間在一定范圍內(nèi)波動，與燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)際情況相符合。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控主界面Fig.4 Main interface of system monitoring

圖5 波動分析Fig.5 Fluctuation analysis chart

4 結(jié)語

基于OPC和工業(yè)無線以太網(wǎng)的燒結(jié)礦成分波動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、人機(jī)交互性好，極大提高監(jiān)測的頻次和實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)礦成分的在線測量、自動分析、遠(yuǎn)程監(jiān)測，為燒結(jié)礦質(zhì)量控制和改善提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，系統(tǒng)可取代人工檢驗(yàn)操作，提高工作效率，改變燒結(jié)礦質(zhì)量檢測時(shí)滯嚴(yán)重的現(xiàn)狀，對其它工業(yè)物料的在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程生產(chǎn)控制具有一定指導(dǎo)意義。

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