基于WebAccess的礦熱爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王莉 周潼 麻林偉 牛群峰

摘? 要： 針對(duì)常見(jiàn)冶煉設(shè)備礦熱爐的安全生產(chǎn)和節(jié)能減排的需求，設(shè)計(jì)一種基于網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess的礦熱爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。首先在設(shè)備端使用ADAM 5510M作為主要控制器，結(jié)合ADAM 系列數(shù)據(jù)采集模塊，以及羅氏線圈、電極電壓采集器、編碼器等設(shè)備，對(duì)礦熱爐的二次側(cè)電壓、電極電流、電極移動(dòng)距離等主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，利用Modbus協(xié)議與WebAccess進(jìn)行通信，并在WebAccess上建立工程節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，分析和綜合三相參數(shù)，編輯Dashboard閱覽器，制作相應(yīng)的礦熱爐監(jiān)控APP，從而實(shí)現(xiàn)在電腦、手機(jī)等不同的客戶端對(duì)礦熱爐各項(xiàng)冶煉參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。該監(jiān)控系統(tǒng)包括分級(jí)登錄模塊、參數(shù)監(jiān)控模塊、報(bào)警模塊、趨勢(shì)查詢模塊、報(bào)表發(fā)送模塊等，適應(yīng)不同規(guī)模礦冶企業(yè)中操作員、工程師、管理人員等各類使用人員的需要，具有較好的穩(wěn)定性、新穎性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 礦熱爐; 遠(yuǎn)程監(jiān)控; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 參數(shù)測(cè)量; 參數(shù)分析; 系統(tǒng)調(diào)試

中圖分類號(hào)： TN948.64?34; TP277? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）14?0030?04

Design of WebAccess?based remote monitoring system for submerged arc furnace

WANG Li1， ZHOU Tong1， MA Linwei2， NIU Qunfeng1

（1. School of Electrical Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China;

2. Zhengzhou Xukun Energy?Saving Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： In allusion to the demand of safety production， energy conservation and emission reduction of submerged arc furnace， a common smelting equipment， a WebAccess?based remote monitoring system for submerged arc furnace is designed. The ADAM 5510M is used as the main controller in the equipment side， which is combined with ADAM series data acquisition modules， Rogowski coils， electrode voltage collectors， encoders and other equipments to measure the main parameters of submerged arc furnace， such as the secondary side voltage， electrode current and electrode shifting distance. The Modbus protocol is utilized to realize the communication between the device side and WebAccess. The project nodes and SCADA nodes are constructed on the WebAccess to analyze and synthesize three?phase parameters， edit the Dashboard viewer， and make the corresponding monitoring APP for the submerged arc furnace， so as to realize the remote real?time monitoring of various smelting parameters of the submerged arc furnace in the different clients such as computers and mobile phones. The monitoring system includes hierarchical?login module， parameters monitoring module， alarm module， trend query module， report sending module， etc.， which can meet the needs of operators， engineers， managers and other users in the mining and metallurgical enterprises with different scales. It has good stability， novelty and practicability.

Keywords： submerged arc furnace; remote monitoring; system design; parameter measurement; parameter analysis; system debugging

0? 引? 言

礦熱爐是用來(lái)生產(chǎn)硅鐵、鎳鐵、鎢鐵等鐵合金的常見(jiàn)礦冶設(shè)備，在冶煉的過(guò)程中需要消耗大量礦石原料和電能，并且當(dāng)各項(xiàng)冶煉參數(shù)監(jiān)控和調(diào)整不到位時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量有害的廢氣、廢料。在冶煉過(guò)程中，礦熱爐主要將三相自培電極或石墨電極插入爐料中，進(jìn)行埋弧操作，利用電弧和爐料電阻的熱量來(lái)冶煉各類礦石，并且在這一過(guò)程中需要連續(xù)加料[1]，在該情況下三相電極的主要參數(shù)（二次側(cè)電極電壓、電極電流、電極移動(dòng)距離等）將產(chǎn)生變動(dòng)，需要及時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，礦熱爐附近的工作環(huán)境較為艱苦，存在溫度過(guò)高，煙塵、廢氣較多等一系列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦熱爐遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)于改善工作環(huán)境、保護(hù)操作員健康、有效減少工業(yè)生產(chǎn)意外傷害的發(fā)生具有重要意義。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，組態(tài)軟件作為一類重要的工程應(yīng)用軟件，逐漸朝著分布式[2]、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展[3]。在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，依托Ethernet技術(shù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界的互聯(lián)，已成為組態(tài)軟件等開(kāi)發(fā)軟件發(fā)展的重要方向[4]。

近年來(lái)，組態(tài)軟件產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由傳統(tǒng)的C/S模式（客戶端/服務(wù)器模式）向B/S模式（瀏覽器/服務(wù)器模式）轉(zhuǎn)變。Advantech WebAccess作為一款B/S模式的、完全基于瀏覽器的網(wǎng)際組態(tài)軟件[5]，走在組態(tài)軟件發(fā)展的前列，在遠(yuǎn)程監(jiān)控、異地操作、遠(yuǎn)程維護(hù)開(kāi)發(fā)等方面相對(duì)于其他組態(tài)軟件有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

本文基于WebAccess軟件，結(jié)合ADAM系列模塊和羅氏線圈、電極電壓采集器、編碼器等測(cè)量裝置，設(shè)計(jì)一種廣泛應(yīng)用于電腦、手機(jī)等各類設(shè)備的礦熱爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦熱爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由礦熱爐三相電極測(cè)量系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。礦熱爐三相電極測(cè)量系統(tǒng)由相同的三相設(shè)備組成，每相包含8個(gè)羅氏線圈、電極電壓采集器、編碼器和ADAM系列模塊。

監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)WebAccess和其中的Dashboard閱覽器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電腦、手機(jī)這兩類主要的遠(yuǎn)程設(shè)備端分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)無(wú)限客戶端的遠(yuǎn)程操作和維護(hù)，適應(yīng)礦冶企業(yè)中不同使用者（操作員、工程師、管理人員、開(kāi)發(fā)人員）的需求，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中礦熱爐三相電極測(cè)量系統(tǒng)作為整體系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)底層部分，監(jiān)控系統(tǒng)作為上層監(jiān)控部分，電腦和手機(jī)APP客戶端按照功能模塊、4類不同等級(jí)使用人員要求進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

2? 現(xiàn)場(chǎng)底層三相電極測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 電極測(cè)量設(shè)備的選取和設(shè)計(jì)

礦熱爐三相電極測(cè)量系統(tǒng)作為整個(gè)礦熱爐監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)底層部分，包括羅氏線圈、編碼器、電極電壓采集器、ADAM系列模塊等，主要用于采集礦熱爐電極的基本參數(shù)（二次側(cè)電極電流、電極電壓、電極移動(dòng)距離等）。

1） 羅氏線圈。該設(shè)備又稱微分電流傳感器，主要安裝在礦熱爐每相電極的8根銅管上，具有高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定度、無(wú)磁飽和諧振現(xiàn)象等一系列優(yōu)點(diǎn)，研究同相電極中不同羅氏線圈的采集數(shù)據(jù)累加，與電極電壓采集器相配合，可以分析計(jì)算出電極電流、相電壓、阻抗、功率因數(shù)等一系列礦熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2） 編碼器。該設(shè)備是將角位移或直線位移轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)的高精密儀器，通過(guò)與ADAM數(shù)據(jù)采集模塊之間的配合，可以精確測(cè)量礦熱爐電極的移動(dòng)距離，作為移動(dòng)電極、改善三相不平衡現(xiàn)象的依據(jù)，能夠有效節(jié)省電能損耗，減少有害物質(zhì)的產(chǎn)生。

3） ADAM系列模塊。每相包括1個(gè)ADAM 5510 M作為主要控制器，包含4個(gè)卡槽，用于安裝其他ADAM數(shù)據(jù)采集模塊，從而實(shí)現(xiàn)接收每相電極對(duì)應(yīng)的8個(gè)羅氏線圈的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)變壓器轉(zhuǎn)化的電極電壓采集器信號(hào)，以及編碼器A，B相的脈沖信號(hào)。ADAM 系列模塊在完成數(shù)據(jù)的采集和電極參數(shù)的計(jì)算后，主要通過(guò)Modbus協(xié)議與WebAccess進(jìn)行通信。

2.2? 電極參數(shù)算法和程序設(shè)計(jì)

在每相對(duì)應(yīng)的ADAM 5510M中進(jìn)行有功功率、功率因數(shù)、每相電極總電流等電極參數(shù)的計(jì)算，并作為礦熱爐主要評(píng)價(jià)指標(biāo)（總功率因數(shù)、三相不平衡度等）的計(jì)算依據(jù)。ADAM 5510M需要在BorlandC的環(huán)境下進(jìn)行編譯和調(diào)試，如圖2所示。本文在程序中設(shè)置定時(shí)器，周期性地不斷對(duì)各數(shù)據(jù)采集模塊的信息進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，并進(jìn)行電極參數(shù)的計(jì)算，主要算法流程如圖3所示。

3? 上層監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

礦熱爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)作為上層監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括分級(jí)登錄模塊、首頁(yè)模塊、參數(shù)監(jiān)控模塊、趨勢(shì)查詢模塊、報(bào)警模塊、報(bào)表發(fā)送模塊等六個(gè)主要功能模塊，如圖4所示。

對(duì)6個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)的效果論述如下：

1） 分級(jí)登錄模塊。該模塊使用WebAccess中的管理員設(shè)置功能，對(duì)操作員、工程師、管理人員、開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行權(quán)限分配，其中在WebAccess實(shí)時(shí)監(jiān)控中已實(shí)現(xiàn)的登錄界面如圖5a）所示。

2） 首頁(yè)模塊。在登錄后進(jìn)入系統(tǒng)首頁(yè)，即系統(tǒng)主界面，首頁(yè)模塊集成前往參數(shù)監(jiān)控、趨勢(shì)查詢、報(bào)警、報(bào)表發(fā)送等模塊的跳轉(zhuǎn)按鈕，并設(shè)置對(duì)功率因數(shù)、三相不平衡度、三相電極電流大小等主要指標(biāo)的顯示功能以及總報(bào)警功能，便于使用者快速了解礦熱爐當(dāng)前爐況和監(jiān)控系統(tǒng)的各種功能，如圖5b）所示。

3） 參數(shù)監(jiān)控模塊。參數(shù)監(jiān)控模塊提供對(duì)礦熱爐三相電極各類具體評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，包括各相電極電流、電極電壓、有功功率、功率因數(shù)、電極移動(dòng)距離等，該模塊設(shè)置A，B，C三相電極的跳轉(zhuǎn)按鈕，可實(shí)時(shí)查看每相電極的具體參數(shù)，該模塊還為擁有管理人員權(quán)限的使用者提供運(yùn)行記錄查詢和點(diǎn)信息瀏覽功能，如圖5c）所示。

4） 趨勢(shì)查詢模塊。該模塊為使用者提供礦熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)、電極參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)圖像，直觀詳細(xì)地表現(xiàn)礦熱爐各類參數(shù)的變化趨勢(shì)，擁有工程師以上權(quán)限的使用者可以調(diào)整實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)所反映的模擬量點(diǎn)，適應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的各種需求，如圖5d）所示。