袁君奇，黎 鋼，向紫萱

（湖南瑞菱科技有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引 言

隨著我國高爐煉鐵設備的不斷完善與技術的不斷進步，高爐的經(jīng)濟效益得到大幅提升?，F(xiàn)代高爐不僅可以使生產效率和質量得到顯著提升，同時還有效推進了我國高爐煉鐵潔凈、高效、長壽、低能耗等綜合目標的實現(xiàn)。通過延長高爐壽命降低了生產成本，得到了國內外高爐煉鐵行業(yè)的高度認可[1]。

在高爐冶煉生產過程中，高爐爐缸和爐身冷卻壁保溫層長期處于一種慢性磨損、腐蝕和物料碰撞的狀態(tài)。可能使爐壁此部位保溫層逐漸變薄或破損，導致燒紅爐壁甚至發(fā)生重大安全事故。所以對爐壁溫度進行實時監(jiān)控十分必要。

本系統(tǒng)以STM32L011K4T6芯片為控制核心，采用MAX6675與K型熱電偶作為溫度采集模塊，通信信號處理借助LoRa通信、RS 485通信、以太網(wǎng)通信實現(xiàn)。該溫度管理系統(tǒng)能夠方便地實現(xiàn)爐壁溫度管理數(shù)據(jù)的實時、在線采集，以及與以太網(wǎng)傳輸?shù)墓δ埽喕讼到y(tǒng)的安裝、調試、維護等過程。該系統(tǒng)適用于高爐、熱風爐、加熱爐等爐壁的測溫，具有數(shù)據(jù)無線傳輸、功耗低等特點[2-5]。

1 系統(tǒng)總體設計

爐壁溫度的自動采集主要由LoRa采集終端、LoRa無線網(wǎng)關和上位機溫度采集和顯示軟件組成。

LoRa采集終端：根據(jù)安裝區(qū)域，與K型熱電偶相連，負責接收K型熱電偶測量的溫度和發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)儲存在終端中。可以自行添加終端數(shù)量（最多60個）并通過LoRa模塊傳輸數(shù)據(jù)，等待網(wǎng)關輪詢，待收到網(wǎng)關的查詢命令后將測溫數(shù)據(jù)打包，無線傳輸給網(wǎng)關[6]。

LoRa無線網(wǎng)關和上位機溫度采集和顯示軟件：當上位機對網(wǎng)關發(fā)出采集命令時，網(wǎng)關對終端發(fā)出采集指令，終端將儲存的數(shù)據(jù)通過一定的格式傳回給網(wǎng)關，網(wǎng)關將這部分數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳到數(shù)據(jù)庫并應用于采集軟件和顯示軟件。顯示軟件可以實時顯示高爐爐壁各監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)及趨勢圖、雷達圖等，并且可對歷史數(shù)據(jù)進行查詢分析，當溫度過高或迅速上升到設定的報警閾值時，立即進行聲光報警，以保證高爐正常運行。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 系統(tǒng)底層硬件設計

2.1 LoRa采集終端

LoRa采集終端作為高爐爐壁測溫控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于檢測和控制高爐爐壁的溫度，以保證高爐正常工作。數(shù)據(jù)采集終端主要由STM32L011K4T6單片機控制模塊、溫度與數(shù)據(jù)采集模塊、LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊組成。終端實物如圖2所示，其中單片機模塊采用STM32L011K4T6芯片；將K型熱電偶采集器件作為主要測溫采集元器件，與MAX6675芯片結合，作為溫度與數(shù)據(jù)采集模塊[7]；LoRa模塊主要由基于E22-400T22S的無線擴頻芯片構成；LoRa電源模塊主要采用工業(yè)鋰電池進行直流供電，功耗低，成本低，節(jié)約能源。

圖2 LoRa采集終端實物

2.2 LoRa無線網(wǎng)關

LoRa無線網(wǎng)關作為高爐爐壁測溫系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責管理該網(wǎng)關構成的無線網(wǎng)絡區(qū)域終端，通過測溫計算機終端向傳感器發(fā)送測溫數(shù)據(jù)，并進行采集、處理、分析、儲存，之后通過以太網(wǎng)接口發(fā)送給網(wǎng)關。網(wǎng)關主要由電源模塊、單片機模塊、LoRa模塊、RS 485模塊構成。網(wǎng)關實物如圖3所示，底層硬件設計結構如圖4所示。

圖3 LoRa無線網(wǎng)關實物

圖4 底層硬件設計

2.3 STM32控制模塊

本系統(tǒng)的單片機模塊均采用ST公司出品的STM32L011x3/4系列超低功耗芯片，該公司核心架構芯片組選用基于ARM?Cortex?-M0+1 MHz內核的進階型超低頻率功耗核心單片機，自帶16 KB FLASH， 2 KB SRAM，512 B E2PROM，ADC等，工作電壓范圍為1.65～3.60 V，工作環(huán)境溫度范圍為-40～125 ℃。STM32L0系列超低功耗芯片與ARM內核連接，使得STM32L0系列芯片適用于電池供電，很大程度上降低了功耗。STM32L0微控制器包含動態(tài)電壓調節(jié)、超低功耗時鐘振蕩器等。自主式外設有效降低了CPU的喚醒率，減輕了ARM內核的負荷，對降低功耗和減少處理時間具有明顯作用。STM32芯片集成化高、體積小、使用方便，該芯片主要應用領域包括警報系統(tǒng)、燃氣/水表和工業(yè)傳感器、有線和無線傳感器、遠程控制等[8-9]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 總體軟件設計

本系統(tǒng)軟件由底層硬件程序、上位機采集軟件和顯示軟件組成，對系統(tǒng)進行軟件設計是實現(xiàn)高爐爐壁測溫系統(tǒng)的關鍵[10]。軟件總體流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體軟件設計流程

3.2 LoRa采集終端軟件設計

無線測溫終端的軟件實現(xiàn)主要包括MAX6675數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)、無線通信、485通信及定時中斷的軟件實現(xiàn)，用以檢測高爐爐壁的溫度以及數(shù)據(jù)的無線傳輸。

LoRa終端上電后對硬件進行初始化，之后溫感元件開始檢測溫度并將溫度信號轉變?yōu)榕c之對應的毫伏信號，最終通過LoRa網(wǎng)關傳輸。采集好的溫度數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，等待上位機查詢。當上位機發(fā)出采集命令后，終端休眠，停止采集數(shù)據(jù)，僅傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)關輪詢終端，詢問結束后終端休眠，等待下一次采集。

3.3 LoRa無線網(wǎng)關軟件設計

無線網(wǎng)關負責接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給上位機，無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關的軟件設計過程包括初始化、判斷信息接收情況并做出響應、輪詢查詢數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機等。

4 系統(tǒng)運行結果

本系統(tǒng)對溫度數(shù)據(jù)的顯示和分析效果良好，可以用不同的圖反應高爐爐壁各部分的溫度情況，具體如圖6、圖7所示。

圖6 溫度數(shù)據(jù)柱狀圖

圖7 溫度數(shù)據(jù)折線圖

歷史查詢界面如圖8所示。當終端或網(wǎng)關出現(xiàn)問題時可以及時發(fā)現(xiàn)隱患，預防事故發(fā)生，避免造成重大損失。

圖8 歷史查詢界面

5 結 語

本文以LoRa無線傳輸技術在高爐爐壁測溫系統(tǒng)中的應用為背景，對高爐環(huán)境復雜等問題進行研究，對該系統(tǒng)的各部分模塊進行闡述，包括硬件部分（LoRa模塊、單片機模塊、RS 485模塊等）、軟件部分（無線數(shù)據(jù)采集終端軟件設計、無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關軟件設計、采集與顯示軟件設計），同時還設計了適應現(xiàn)場復雜環(huán)境的無線網(wǎng)絡通信頻段、Modbus網(wǎng)絡通信協(xié)議等。最后對系統(tǒng)性能進行了可靠性測試，測試結果表明，本系統(tǒng)具有良好的性能，與傳統(tǒng)測溫方式相比更具優(yōu)勢。