齊仁龍，張慶輝，張亞超

(1.鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

鋼鐵行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的命脈，而高爐煉鐵作為當(dāng)下主流的煉鐵技術(shù)之一，存在能耗大、污染嚴(yán)重等問題，因此如何發(fā)展安全、低耗、長壽、無污染的高爐煉鐵成為急需解決的問題[1]。高爐熱負(fù)荷是衡量高爐壽命和安全性的一個重要指標(biāo)，它與冷卻水的溫差和流量有關(guān)，其中冷卻水溫差的檢測至關(guān)重要，其檢測的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接影響著高爐熱負(fù)荷監(jiān)測的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的高爐冷卻水溫度檢測傳輸系統(tǒng)存在檢測精度低、傳輸繁瑣等缺點(diǎn)，本文設(shè)計了一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的高精度高爐熱負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)利用比率電橋作為Pt1000的采樣電路，提高了檢測精度；利用短距離無線通訊和4G傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)高爐冷卻水各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的組網(wǎng)傳輸，克服了傳統(tǒng)有線傳輸方式的束縛，提高了系統(tǒng)的適用性[2]。

1 系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的高精度高爐熱負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫度檢測傳感器Pt1000、短距離無線通信模塊以及4G傳輸模塊組成[3]。目前高爐冷卻系統(tǒng)主要采用的是軟水密封循環(huán)冷卻技術(shù)，冷卻水的水溫差決定著高爐的熱負(fù)荷，因此對冷卻水水溫的檢測就能間接實(shí)現(xiàn)對熱負(fù)荷的監(jiān)測，檢測示意圖如圖1所示。

在高爐的冷卻層中安裝Pt1000溫度采集傳輸裝置，需要對高爐冷卻層的多個點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測，系統(tǒng)以7個點(diǎn)監(jiān)測為例進(jìn)行分析。各溫度采集節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)通過短距離470 MHz無線通信發(fā)送到匯集裝置上，匯集裝置一方面接收各溫度采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，另一方面將所有接收的數(shù)據(jù)通過4G傳輸方式發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心。

圖1 系統(tǒng)測量示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的高精度高爐熱負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括Pt1000溫度采集傳輸裝置硬件設(shè)計和匯集模塊硬件設(shè)計[4]。Pt1000溫度采集傳輸裝置主要包括Pt1000采樣電路、470 MHz短距離無線發(fā)射電路、單片機(jī)及其最小系統(tǒng)電路。匯集裝置包括470 MHz短距離無線接收電路、4G傳輸電路等，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 Pt1000溫度采集電路

Pt1000溫度采集電路是整個系統(tǒng)的核心，其采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系著系統(tǒng)的性能[5]。傳統(tǒng)的Pt1000溫度采集電路采用兩線制接法，利用電橋平衡原理實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的采集，硬件原理圖如圖3所示。

圖3 普通電橋采樣電路

其中Rref、R1、R2為已知精密電阻，Rt為Pt1000溫度傳感器。當(dāng)在0 ℃時，此時Pt1000的阻值會使得電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出ΔV=Vin+-Vin-=0 V。當(dāng)溫度變化時，Pt1000溫度傳感器的阻值就會發(fā)生變化，電橋的平衡狀態(tài)就會被打破，此時電橋的輸出電壓ΔV不為0 V，通過檢測ΔV與電橋單臂中的電流就能計算出此時Pt1000的電阻值Rt，由Pt1000的阻值與溫度的對應(yīng)關(guān)系就可以得到當(dāng)前檢測的溫度。由此可知，傳統(tǒng)的電橋采樣電路結(jié)構(gòu)簡單，但誤差較大。當(dāng)將Pt1000溫度傳感器接入電路中時，其引入的接線電阻會造成測量誤差，其次電橋的輸出和A/D轉(zhuǎn)換器的輸出與Pt1000的阻值并非成標(biāo)準(zhǔn)線性關(guān)系，這也直接影響著系統(tǒng)的檢測結(jié)果[6-7]。為了提高測量精度、減小接線電阻帶來的誤差，現(xiàn)對Pt1000采樣電路進(jìn)行優(yōu)化，采用比率電橋來采集Pt1000的數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的硬件電路圖如圖4所示。

圖4 比率電橋采樣電路

比率電橋采樣電路利用三線制接法來采用Pt1000數(shù)據(jù)，即將Pt1000的一端引出2根線，如圖4所示。3根線的電阻分別為r1、r2、r3，其與普通電橋的最大區(qū)別就是采用電阻Rref兩端的電壓作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，增強(qiáng)了比率電橋輸出和A/D轉(zhuǎn)換器輸出與Pt1000阻值的線性關(guān)系。比率電橋輸出ΔV可以表示為：

Vin+=IRt+Ir1+V0

(1)

(2)

(3)

式中I為電橋臂中的電流。

一般情況下，Pt1000引出的3根導(dǎo)線均為同種材質(zhì)的導(dǎo)線，且長度相等。設(shè)r1=r2=r3=r，Pt1000在0 ℃時的阻值為R0，當(dāng)電橋平衡時可得：R1=Rref，R2=R0，因此式(3)可簡化為

(4)

由于Rref+R2>>r，因此采用比率電橋作為Pt1000的采樣電路，幾乎完全消除了接線電阻r造成的測量誤差，極大提高了檢測的精度。再者，采用電橋中Rref兩端的電壓作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，可得A/D轉(zhuǎn)換器輸出的值與Pt1000電阻值存在如下關(guān)系：

(5)

由式(5)可知，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的比率電橋采樣電路，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的電壓與Pt1000電阻值存在線性關(guān)系，提高了系統(tǒng)檢測的精度。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)測量的精度，選用高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7799對電橋輸出的差分電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD7799內(nèi)置程控放大器以及可調(diào)數(shù)字濾波器，其具有3對差分輸入檢測通道和1對差分參考電壓輸入端，完全滿足系統(tǒng)的采樣要求[8]。系統(tǒng)采用3.3 V供電，當(dāng)進(jìn)行A/D采樣時，PSW腳與AD7799芯片內(nèi)部的地短接，當(dāng)采樣結(jié)束后，PSW引腳與芯片內(nèi)部的地斷開。電路圖如圖5所示。

圖5 A/D采樣電路圖

2.3 470 MHz短距離無線傳輸電路

在溫度數(shù)據(jù)傳輸上，選用470 MHz短距離無線通訊，其工作在國家免申請的470～510 MHz計量頻段，發(fā)射功率可設(shè)，最高可達(dá)50 mW，工作電壓在2.0～3.6 V之間，系統(tǒng)采用3.3 V供電[9-10]。470 MHz短距離無線傳輸模塊在空曠地帶傳輸距離超過500 m，當(dāng)在傳輸空間中存在障礙物時，其傳輸距離也超過60 m，完全符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。該模塊串口波特率可設(shè)在1.2～115.2 Kbit/s，其采用串口通訊的方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，極大提高了研發(fā)的效率，電路圖如圖6所示。

圖6 470 MHz無線傳輸電路

2.4 4G傳輸電路

系統(tǒng)利用4G網(wǎng)絡(luò)將采集的高爐冷卻水溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，采用的是4G DTU透傳模塊USR-LTE-7S4。該模塊集成SIM卡接口電路，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，需要在模塊背面的SIM卡接口處插上SIM卡，模塊通過串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，單片機(jī)只需要通過UART串口AT指令集將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器中，模塊內(nèi)部集成看門狗電路，可實(shí)現(xiàn)24 h穩(wěn)定運(yùn)行。模塊采用5 V供電，待機(jī)工作電流為50 mA，最大工作電流為150 mA，4G模塊實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 4G傳輸模塊實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括Pt1000溫度采集傳輸裝置軟件設(shè)計和匯集裝置軟件設(shè)計。Pt1000溫度采集傳輸裝置軟件主要包括A/D轉(zhuǎn)換程序、470 MHz短距離無線通訊程序以及單片機(jī)最小系統(tǒng)程序等。當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行傳感器復(fù)位操作，由Pt1000數(shù)據(jù)采樣電路將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，當(dāng)完成對Pt1000傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)通過470 MHz短距離無線通訊發(fā)送到匯集模塊上，軟件流程圖如圖7所示。

圖8 Pt1000溫度采集傳輸裝置軟件流程圖

匯集裝置軟件主要包括470 MHz無線通訊接收程序、4G傳輸程序等。當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行初始化操作，當(dāng)匯集裝置的無線接收模塊與Pt1000溫度采集傳輸裝置中的無線發(fā)射模塊完成組網(wǎng)后，其將接收各采集節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，最后將所有的數(shù)據(jù)打包通過4G方式發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心。軟件流程圖如圖8所示。

圖8 匯集裝置軟件流程圖

4 實(shí)驗數(shù)據(jù)分析處理

4.1 無線組網(wǎng)性能測試

利用杭州朗繽科技公司提供的無線測試軟件檢測470 MHz短距離無線模塊組網(wǎng)穩(wěn)定性。在燒錄軟件時，每個Pt1000溫度檢測傳輸模塊燒錄一個固定的ID號，通過ID號就可以迅速查找到其對應(yīng)位置的溫度數(shù)據(jù)，在無線軟件測試界面上可以查看到各無線節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度以及是否完成組網(wǎng)，軟件界面截圖如圖9所示。

圖9 無線測試軟件截面圖

圖9中，上面一個節(jié)點(diǎn)為匯集節(jié)點(diǎn)，下面4個節(jié)點(diǎn)表示Pt1000溫度采集傳輸裝置子節(jié)點(diǎn)，每兩個節(jié)點(diǎn)間的線段表示已經(jīng)完成組網(wǎng)。當(dāng)系統(tǒng)上電時，約在30 s內(nèi)完成組網(wǎng)操作，并且信號強(qiáng)度均在80以上，系統(tǒng)可以穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 無線傳輸性能測試

為了驗證系統(tǒng)無線傳輸?shù)男阅?，選取一個采集節(jié)點(diǎn)和匯集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性測試。將采集節(jié)點(diǎn)與匯集裝置分別距離10、20、30、40、50、60 m放置，將采集節(jié)點(diǎn)放置在實(shí)驗室密閉的房間中，匯集裝置在房間外，以此測試當(dāng)傳輸空間存在障礙物時傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性。讓采集節(jié)點(diǎn)固定向匯集裝置發(fā)送100字節(jié)數(shù)據(jù)，在匯集裝置端查看接收到的字節(jié)的完整性。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無線傳輸性能測試

由表1測試數(shù)據(jù)可知在傳輸距離不超過40 m時，無線傳輸丟包率和錯誤率均為0，當(dāng)距離超過40 m時，無線傳輸?shù)膩G包率和錯誤率逐漸上升。本系統(tǒng)所用的無線傳輸距離在40 m以內(nèi)，因此完全符合設(shè)計要求。

4.3 實(shí)驗室條件下模擬測試

為了驗證系統(tǒng)采集水溫的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗室條件下將2個Pt1000溫度采集傳輸裝置放在恒溫槽的水中，該恒溫槽溫度控制范圍在0～100 ℃之間，穩(wěn)定性可達(dá)±0.005 ℃。當(dāng)設(shè)置好溫度之后，利用Fluke 1151A作為標(biāo)準(zhǔn)測溫儀表來檢測此時恒溫槽中的水溫，再將2個Pt1000溫度采集傳輸裝置采集的溫度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀表采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，來驗證系統(tǒng)采集的精確性。實(shí)驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 水溫數(shù)據(jù)精度測試

由表2測試數(shù)據(jù)可知，2個Pt1000溫度采集傳輸裝置采集到的溫度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀表檢測的溫度數(shù)據(jù)基本一致，誤差小于±0.02 ℃。

4.4 工業(yè)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

在實(shí)驗室條件下驗證了系統(tǒng)無線組網(wǎng)、傳輸以及采集溫度的準(zhǔn)確性之后，為了進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的可靠及準(zhǔn)確性，在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際測試。以某煉鐵廠高爐爐身中部，軟水密封循環(huán)冷卻水流經(jīng)的爐壁為實(shí)驗對象，在爐身中部的冷卻水爐壁上安裝3個溫度采集傳感器，將3個傳感器分別編號為1、2、3，每隔15 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)。將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測量儀表監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測試數(shù)據(jù)對比實(shí)驗

由表3實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)測量高爐冷卻壁溫度的最大偏差小于±0.03 ℃，系統(tǒng)具有較高的檢測精度以及穩(wěn)定性，可在上位機(jī)界面實(shí)時監(jiān)測高爐爐溫冷卻壁數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲以及歷史查詢等功能。

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的高精度高爐熱負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的創(chuàng)新之處是將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與高爐熱負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)有機(jī)統(tǒng)一，將無線傳輸技術(shù)應(yīng)用到高爐冷卻水溫數(shù)據(jù)傳輸上，克服了傳統(tǒng)有線傳輸方式存在布線復(fù)雜、檢修困難的缺點(diǎn)。利用比率電橋作為Pt1000的采樣電路，消除了Pt1000接線電阻引起的測量誤差，提高了系統(tǒng)的檢測精度。