基于物聯網技術的電弧爐無線測溫系統設計與應用

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摘 要:針對目前鋼鐵廠溫度采集系統對溫度進行准確測量、多點采集和無線傳輸的需求,提出了基于物聯網技術的電弧爐無線測溫系統。系統以 QRF0600無線射頻收發模塊和單片機 Atmega128a、PIC16F648A 爲核心,采用單總線數字式溫度傳感器DS18B20進行准確測溫,將采集的溫度發送至溫度監測儀進行溫度實時顯示,監測儀將收到的數據發送給上位機以實現數據的存儲、查詢、顯示等功能。實踐結果表明該系統具有測溫節點功耗低、可靠性高、易于擴展、用戶界面操作簡單等優點。

關鍵詞:電弧爐;物聯網;無線測溫系統

0 引言

溫度檢測在建築、電力、水利、冶金等工程領域有著非常廣泛的應用,鋼鐵廠煉鋼電弧爐需要對溫度實時監測,鋼液溫度是冶金過程中的重要參數之一。但是面對日益老化的電弧爐,傳統有線測溫經常發生線被燒斷的情況。物聯網技術作爲一門新興技術,利用無線傳感網絡解決目前電弧爐有線測溫的不足。傳統的測溫系統測溫點少、布線麻煩、系統的兼容性差。本文根據具體項目要求將物聯網技術應用在煉鋼廠電弧爐的分布式溫度采集系統中,設計了一種基于 ZigBee無線通信技術爲基礎的無線測溫系統。ZigBee 技術是一種近距離雙向無線傳輸技術,其特點是功耗低、可靠性高以及複雜度低。本系統中通過ZigBee 網絡技術實現傳感器節點與中心節點的無線通信,通過 RS232 和 RS485 通信協議實現中心節點和上位機的通信。


1 系統總體設計

系統由測溫節點,測溫監測儀即中心節點,上位機3個部分組成,測溫監測儀通過 RS485 工業總線相連接,再經過 RS485轉RS232模塊連接上位機。系統總體設計如圖1所示。

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圖1 無線測溫系統結構圖

系統測溫節點以QRF0600無線收發模塊、DS18B20傳感器以及PIC單片機爲核心。測溫監測儀以QRF0 600和AVR單片機爲核心。系統工作過程爲:測溫節點通過DS18B20溫度傳感器獲取相應位置的溫度,無線收發模塊QRF0600將數據打包經無線傳輸到測溫監測儀,監測儀顯示溫度值並且通過RS485和RS232的轉換將接收到的數據傳給上位機以實現數據的存儲、查詢、顯示等功能。

2 系統硬件設計

2.1測溫節點

測溫節點負責采集和發送溫度數據。它由溫度傳感器 DS18B20、單片機 PIC16F648A、無線收發模塊 QRF0600 和電源模塊組成,如圖2所示。

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圖2 測溫節點硬件結構圖

考慮測溫節點的數量多,鋼鐵廠環境還比較惡劣,測溫節點微控制器選擇Microchip生産的PIC16F648A高抗幹擾單片機,通過選用單片機的4個I/O口模擬SPI總線的串行數據輸入(MISO)、串行數據輸出(MOSI)、串行通信時鍾(SCK)和片選控制(/SS)引腳對QRF0600的寄存器進行讀寫控制。QRF0600是一個高輸出功率傳輸模塊,集成了無線收發芯片UZ2400,天線。UZ2400性能穩定且功耗極低,它的選擇性和靈敏性指數超過了IEEE802.15.4標准的要求,可確保短距離通信的有效性和可靠性。電源模塊采用以色列TADIRAN塔迪蘭進口電池,該電池是工業上常用的锂電池,電壓爲3.6 V,容量爲1 200 mAH。該電池的特點是安全、可靠、重量輕、電壓穩定等。電池使用壽命需要根據測溫節點發射數據時間而定。本文測溫節點工作模式功耗爲休眠定時喚醒,經過示波器測試,發射一次數據

爲9 mA,休眠時爲5μA,這樣大大降低了測溫節點的功耗。如果測溫節點設置3 min發射一次數據,該電池大概可以使用3y。從而避免的測溫節點經常更換電池的麻煩。

2.2中心節點

中心節點負責接收測溫節點傳來的信息並上傳給上位機,同時用液晶屏顯示方便現場察看。中心節點結構如圖3所示。

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圖3 中心節點硬件結構圖

綜合考慮價格、功耗、性能,中心節點 MCU 選 擇 AVR 單片機。Atmega128a 的數據吞吐率高達1(Million Instruction/s)/MHz,從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。由于中心節點需要長期工作,所以電源采用電網交流供電。普通計算機輸出串口爲 RS232 串行總線標准,傳輸速率慢,傳輸距離短。中心節點通過 RS485總線連接,不僅提高通信的可靠性和傳輸距離,還增加了多點雙向通信能力。PC 機和中心節點之間需要實現 RS232與RS485間的轉換,其轉換電路如圖4所示。

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圖4 RS232-RS485串口通信轉換電路

3 系統軟件設計

無線測溫系統軟件設計包括測溫節點、中心節點和上位機3部分。測溫節點上電後先對硬件進行初始化,然後搜索ZigBee網絡,如果存在則加入,加入後系統進入低功耗工作模式狀態,當設定采集定時時間到,測溫節點進行溫度采集和無線發送,程序流程如圖5所示。

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圖5 測溫節點流程圖

中心節點程序流程如圖 6 所示。系統擁有中心節點和多個測溫節點,各節點之間通過不同的物理地址信息進行區分,中心控制節點在進行查詢操作時,首先需要確定目的節點的物理地址。本系統設計中通過軟件已將各節點物理地址固

定。Visual Studio是Windows平台目前流行的應用程序開發環境,上位機軟件是基于Visual Studio 2010使用C#語言開發的應用程序。實現對各個測溫節點溫度數據的處理和動態顯示;溫度曲線動態顯示和曆史曲線查詢;報警溫度設置和曆史報警查詢。

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圖6 中心節點流程圖

4 實驗

在完成了軟硬件設計和調試之後,對整個電弧爐分布式溫度采集系統進行實地測試。測試地點爲安徽馬鞍山鋼鐵廠。測試用到 3個測溫節點和 1個中心節點。中心節點通過4×4矩陣按鍵設置時間和測溫點數目,並且通過 485 轉 232 模塊連接至上位機。與上位機通信參數設置如圖7所示。其中被測名稱爲測溫節點的名字,序號爲測溫節點的地址,測試所用 3 個測溫節點分別爲 A01、A04、A05。測溫節點每隔 1 min 發送一次數據,測溫節點與中

心節點的距離爲 50 m並且中途隔 2層牆,某一時刻所測數據部分截圖如圖8所示,A01測溫曲線如圖9所示,本次實驗設置報警溫度爲 30 ℃,若超過報警溫度,上位機溫度顯示值變爲紅色,同時中心節點發出報警聲音。

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圖7 電弧爐無線測溫參數設置

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圖8 電弧爐無線測溫實驗數據

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圖9 測試所測溫度曲線

5 安科瑞無線測溫系統介紹與選型

安科瑞無線測溫監控系統是根據當前無線測溫系統的要求,在廣泛征求用戶和家意見的基礎上,充分吸收當前國內外廠家的成功案例,並結合安科瑞多年來的豐富經驗,采用面向對象的分層分布式設計思想,結合自動化技術、計算機技術、網絡技術、通信技術而設計的一款專業的無線測溫軟件。

5.1 Acrel-2000T無線測溫系統結構

Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通信(如圖10),系統設計遵循國際標准Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約,安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T無線測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監控無線測溫系統的設備運行狀況,實現快速報警響應,預防嚴重故障發生。

Acrel-2000T無線測溫監控系統主要特點是開放式系統結構,硬件兼容性強,軟件移植性好,應用功能豐富。該系統具有強大的處理能力,快速的事件響應,友好的人機界面,方便的擴充手段。其軟件系統的設計依據軟件工程的設計規範,模塊劃分合理,接口簡捷明了,主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。

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圖10 Acrel-2000T無線測溫系統結構圖

5.2 Acrel-2000T無線測溫系統功能

實時監測

Acrel-2000T無線測溫監控軟件人機界面友好,能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節點的溫度數據及有關故障、告警等信息

溫度查詢

溫度曆史曲線(1分鍾、5分鍾、60分鍾可選)

運行報表

查詢各回路設備運行溫度報表.

實時報警

壁挂式無線測溫監控設備具有實時報警功能,設備能夠對溫度越限等事件發出告警。

設備提供以下凡種告警方式:

a.彈岀事件報驚窗口.

b.實時語音報警功能,能夠對所有事件發出語音告警.

C.短信吿警,可以向指定手機號碼發送吿警信息短信(需選配短信貓).

曆史告警査詢

Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統和告警等事件進行曆史追溯,查詢統計、事故分析。

用戶權限管理

Acrel-2000T無線測溫監控系統爲保障系統安全穩定運行,設置了用戶權限管理功能。

通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作(如數據庫修改等)。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限,爲系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

定值設置

用于修改高溫定值、超溫定值。

WEB(可選)

展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息, 設備溫度、通信狀態,用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數量、回路個數、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息,可通過實時監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實時數據曲線可監測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數變化,包括測量量、信號量等信息(信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持)。

能耗統計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值,功率、電能趨勢曲線,電能環比,用電排名。

運維管理\通信狀態顯示監測接入系統設備的通信狀態。

手機APP(可選)

設備數據員面顯示各設備的電參量數據、溫度數據以及曲線。

5.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端産品選型

安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發熱接點,將測溫數據通過無線射頻技術傳至接收裝置,再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(如圖11)。

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圖11 電氣接點在線測溫結構圖

5.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

無線溫度傳感器共有5種,分別對應螺栓固定、表帶固定、紮帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求,可根據傳感器供電方式以及安裝位置的不同,考慮安裝方便的因素,選擇相匹配的傳感器。

物料名稱

型號

參數說明

電池型無線測溫傳感器

ATE100

電池供電,壽命≥5年;-40℃~+125℃;

2.4GHz,空曠距離10米;

102.37*47.93*23mm,φ13.5mm(長*寬*高,孔徑)。

ATE200

電池供電,壽命≥5年;-40℃~+125℃;

2.4GHz,空曠距離10米;

44.17*30*18.5mm,L=325.40mm(長*寬*高,三色表帶)。

ATE300B

電池供電,壽命≥5年;-10℃~+125℃;

470MHz,空曠距離150米;

49.95*35.95*22mm(長*寬*高)。

CT取電型無線測溫傳感器

ATE300

CT感應取電,啓動電流≥5A;-10℃~+125℃;

470MHz,空曠距離150米;

紮帶固定,合金片取電;73*33.5*16mm(長*寬*高)。

ATE400

CT感應取電,啓動電流≥5A;-50℃~125℃;

433MHz,空曠距離150米;

合金片固定、取電;三色外殼;25.82*20.42*12.8mm(長*寬*高)。

5.3.2 安科瑞無線收發器

無線測溫收發器共有3種,通過無線射頻方式接收溫度數據。收發器根據不同的傳感器型號進行匹配,同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多櫃接收。

物料名稱

型號

參數說明

無線收發器

ATC200

可接收12個ATE100/200

ATC400

可接收240個ATE300/ATE300B

ATC450-C

可接收240個ATE400

5.3.3 安科瑞顯示終端

顯示裝置通過RS485連接收發器,可嵌入式安裝于櫃體上,若櫃體開孔不便,也可選擇壁挂式安裝于配電室內。方便操作人員現場及時查看電氣節點實時溫度的同時,也可以通過RS485或以太網通訊的方式在後台系統查看現場情況。

物料名稱

型號

參數說明

顯示終端

ARTM-Pn

面框96*96*17mm,深度65mm;開孔92*92mm;

AC85-265V或DC100-300V供電;

一路上行RS485接口,Modbus協議;

接收60個ATE100/200/300/400;配套ATC200/300/450。

顯示終端

ASD320

ASD300

面框237.5*177.5*15.3mm,深度67mm;開孔220*165mm;

AC85-265V或DC100-300V供電;

一路上行RS485接口,Modbus協議;

接收12個ATE100/200/300/400;配套ATC200/300/450。

顯示終端

ATP007

ATP010

面框226.5*163*6mm,深度70mm;開孔215*152mm;

DC24V供電;一路上行RS485接口;一路下行RS485接口;

接收20個ATC200/1個ATC400/1個ATC450-C。

無線測溫集中集中采集設備

Acrel-2000T/A

壁挂式安裝

標配一路485接口、一路以太網口

自帶蜂鳴器告警

櫃體尺寸480*420*200 (單位mm)

無線測溫監控設備

Acrel-2000T/B

硬件:內存4G,硬盤128G,以太網口

顯示器:12寸,分辨率800*600

操作系統:Windows7

數據庫系統:Microsoft SQL Server 2008 R2

可選Web平台/APP服務器

櫃體尺寸爲480*420*200(單位mm)

6 結束語

實踐證明物聯網技術能夠應用在鋼鐵廠電弧爐分布式溫度采集系統中,由 PIC16F648A 單片機控制的測溫節點,Atmega128a單片機控制的中心節點,和基于ZigBee技術的無線傳輸模塊 QRF0600的無線測溫系統具備測溫准確、組網靈活、抗幹擾能力強、性能穩定等特點。該系統能夠實現對電弧爐的無線測溫,可以實現對溫度測量要求較高且不宜進行有線數據采集、傳輸和監測的場合,應用前景十分廣闊。