基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 莉， 周 潼， 牛群峰， 惠延波

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450001)

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、智能手機(jī)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)等智能產(chǎn)品在工業(yè)界應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，對(duì)于礦冶、化工等各類(lèi)重工業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有重要應(yīng)用價(jià)值。礦熱爐是礦冶工廠中常見(jiàn)的高耗能冶煉設(shè)備，在冶煉時(shí)將三相電極插入爐料，通過(guò)埋弧操作，熔化礦石，實(shí)現(xiàn)鐵合金冶煉[2]。礦熱爐附近冶煉環(huán)境存在高溫、高污染、多煙塵等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)操作人員的長(zhǎng)期近距離檢測(cè)。與此同時(shí)，在礦熱爐冶煉過(guò)程中，隨著三相電極的不斷消耗，電極運(yùn)行狀態(tài)隨之變化，進(jìn)而引起整體爐況的變化。在現(xiàn)有情況下，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)在遠(yuǎn)程監(jiān)控、人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)分析等方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，有利于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控電極狀態(tài)，減少電極操作事故，保障礦熱爐長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)結(jié)合形成的新興應(yīng)用模式[3]，在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用前景。WISE-PaaS云平臺(tái)是來(lái)自研華科技的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的最新應(yīng)用成果。WISE-PaaS云平臺(tái)與組態(tài)軟件深度結(jié)合，同時(shí)又突破了組態(tài)軟件在傳輸距離、傳輸條件上的限制，通過(guò)PC客戶端、手機(jī)APP客戶端等多種方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并且在數(shù)據(jù)分析上不再局限于評(píng)價(jià)指標(biāo)、性能參數(shù)的計(jì)算，在結(jié)合多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法后，能夠?qū)χ匾獏?shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，作為前瞻性維護(hù)和診斷的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。鑒于此，將WISE-PaaS云平臺(tái)與礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控設(shè)備端相結(jié)合，旨在實(shí)現(xiàn)電極運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警，并通過(guò)云平臺(tái)的可視化和數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)礦熱爐電極運(yùn)行的重要參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為預(yù)知維修提供依據(jù)[4]，保障礦熱爐的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要由礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控設(shè)備端、WISE-PaaS云平臺(tái)和手機(jī)客戶端APP這3部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of electrode operation monitoring system of submerged arc furnace

圖1中實(shí)體設(shè)備為礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控設(shè)備端，通過(guò)串口光端機(jī)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)際組態(tài)軟件Web-Access[5]構(gòu)建的上位機(jī)之間的通信，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)WebAccess的SCADA功能和MQTT協(xié)議，連接至WISE-PaaS云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和進(jìn)一步處理。用戶可通過(guò)手機(jī)客戶端APP與WISE-PaaS云平臺(tái)進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控礦熱爐電極運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由電極監(jiān)控部分與通信部分構(gòu)成。電極監(jiān)控部分包括交流電壓變送器、羅氏線圈、磁阻傳感器、編碼器、一體化電源(220 V轉(zhuǎn)5 V和24 V)和ADAM系列。通信部分包括串口光端機(jī)及光纖、RS232轉(zhuǎn)USB串口線(COM公頭、COM母頭各一個(gè))。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)(三相電極中的A相，B、C兩相與A相結(jié)構(gòu)相同)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of the system

系統(tǒng)的硬件部分主要通過(guò)各類(lèi)傳感器對(duì)礦熱爐三相電極的電流、電極位置等參數(shù)進(jìn)行采集，并傳入ADAM 5510M控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再結(jié)合Modbus/RTU通信協(xié)議，將礦熱爐電極冶煉參數(shù)傳至上位機(jī)，作為WISE-PaaS云平臺(tái)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。完成的控制柜實(shí)物如圖3所示。

圖3 控制柜實(shí)物Fig.3 The actual control cabinet

3 系統(tǒng)軟件與云平臺(tái)通信設(shè)計(jì)

在礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控設(shè)備端開(kāi)發(fā)過(guò)程中，控制器ADAM 5510M在BorlandC環(huán)境下完成算法的編譯和調(diào)試[6]，進(jìn)一步得到有功功率、功率因數(shù)等礦熱爐電極運(yùn)行的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)和礦熱爐電極電壓、電極位置等各類(lèi)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)使用Modbus/RTU通信協(xié)議傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)。

在傳輸過(guò)程中，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)串口光端機(jī)與RS232轉(zhuǎn)USB串口線進(jìn)行光纖通信。該設(shè)計(jì)改善了一般RS232通信存在的傳輸距離短、信號(hào)不穩(wěn)定等缺陷，充分適應(yīng)礦熱爐周邊復(fù)雜電磁環(huán)境的實(shí)際需求。通過(guò)網(wǎng)際組態(tài)軟件構(gòu)建的上位機(jī)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控上位機(jī)系統(tǒng)Fig.4 Host computer system of electrode operation monitoring of submerged arc furnace

通過(guò)WebAccess和WISE-PaaS云平臺(tái)之間的連接端口和MQTT協(xié)議[7]，結(jié)合WebAccess/SCADA功能，在WebAccess中分別設(shè)定上傳模擬量點(diǎn)、數(shù)字量點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)的白名單，將各類(lèi)礦熱爐冶煉參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)不斷上傳至WISE-PaaS云平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與WISE-PaaS云平臺(tái)通信的界面如圖5所示。

圖5 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與WISE-PaaS云平臺(tái)的通信Fig.5 Realization of communication between host computer and WISE-PaaS cloud platform

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控設(shè)備端與WISE-PaaS云平臺(tái)通信的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶的實(shí)際需求和WISE-PaaS云平臺(tái)的Dashboard、SaaS Composer、APM(asset performance management)、AFS(AI framework service)等模塊[8]，開(kāi)發(fā)了云平臺(tái)電極運(yùn)行監(jiān)控、云平臺(tái)電極具體參數(shù)監(jiān)控、云平臺(tái)電極參數(shù)報(bào)警、云平臺(tái)電極能耗預(yù)測(cè)、云平臺(tái)電極位置預(yù)測(cè)等功能，并通過(guò)PC客戶端、手機(jī)APP客戶端等多種形式滿足不同用戶在各類(lèi)應(yīng)用環(huán)境的需求。

4.1 云平臺(tái)電極運(yùn)行監(jiān)控主界面

云平臺(tái)電極運(yùn)行監(jiān)控主界面如圖6所示。通過(guò)WISE-PaaS云平臺(tái)的Dashboard模塊建立了礦熱爐電極監(jiān)控主界面，如圖6(a)所示。用戶在使用密碼登錄后就進(jìn)入監(jiān)控主界面，對(duì)礦熱爐三相電極的主要冶煉參數(shù)如電極電流、電壓、移動(dòng)距離等有快速的認(rèn)識(shí)。通過(guò)儀表盤(pán)、曲線圖等多種數(shù)據(jù)可視化方式直觀體現(xiàn)礦熱爐電極的總體運(yùn)行狀態(tài)。在電極運(yùn)行監(jiān)控主界面(儀表盤(pán))的基礎(chǔ)上，使用WISE-PaaS云平臺(tái)的SaaS Composer模塊，建立可視化的電極運(yùn)行監(jiān)控主界面，如圖6(b)所示。

圖6 云平臺(tái)電極運(yùn)行監(jiān)控主界面Fig.6 Electrode operation monitoring main interface of cloud platform

在圖6(b)所示的可視化界面中集成了前往各相電極具體參數(shù)監(jiān)控、電極參數(shù)報(bào)警、歷史趨勢(shì)查詢、電極能耗預(yù)測(cè)、電極位置預(yù)測(cè)等不同功能的跳轉(zhuǎn)按鈕，設(shè)置了對(duì)三相電極電流大小、功率因數(shù)、三相不平衡度等主要指標(biāo)的顯示功能和總報(bào)警功能，包含了原上位機(jī)系統(tǒng)中各類(lèi)功能。在此基礎(chǔ)上，利用SaaS Composer中可將模擬量點(diǎn)與動(dòng)畫(huà)建立關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，使用三相電極的上下移動(dòng)表示電極的移動(dòng)距離，通過(guò)警報(bào)燈的紅綠變化顯示報(bào)警狀態(tài)的變化等，讓用戶更加直觀、快速地了解礦熱爐運(yùn)行過(guò)程中的爐況變化，及時(shí)調(diào)整電極電壓等冶煉參數(shù)，保障礦熱爐的安全可靠運(yùn)行。

4.2 云平臺(tái)電極具體參數(shù)監(jiān)控

云平臺(tái)電極具體參數(shù)監(jiān)控如圖7所示。在主界面設(shè)置A、B、C三相的跳轉(zhuǎn)按鈕，可分別進(jìn)入各相電極具體參數(shù)監(jiān)控界面，如圖7(a)所示。電極具體參數(shù)監(jiān)控界面顯示每相電極的電極電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)、移動(dòng)距離等各類(lèi)冶煉參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，并細(xì)化至每相電極對(duì)應(yīng)的8根銅管的電流實(shí)際值顯示。

該界面還提供了每相電極對(duì)應(yīng)的8根銅管的電流變化實(shí)時(shí)趨勢(shì)查詢和三相電極參數(shù)歷史趨勢(shì)查詢功能，便于用戶在電極故障時(shí)深入查找原因，如圖7(b)所示。

4.3 云平臺(tái)電極參數(shù)報(bào)警

針對(duì)各相8根銅管電流、各相電極電流等重要參數(shù)設(shè)置報(bào)警功能，通過(guò)警報(bào)燈的紅綠變化實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并在電極運(yùn)行報(bào)警列表顯示報(bào)警狀態(tài)，如圖8(a)所示。用戶可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)的報(bào)警值，并在該參數(shù)的歷史趨勢(shì)中查看報(bào)警記錄和出現(xiàn)報(bào)警時(shí)的具體參數(shù)值，如圖8(b)所示。

4.4 云平臺(tái)電極能耗預(yù)測(cè)

通過(guò)三相電極電流、電壓、功率因數(shù)等冶煉參數(shù)計(jì)算并顯示礦熱爐能耗情況[9]，再結(jié)合WISE-PaaS云平臺(tái)中的APM模塊和AFS模塊，對(duì)能耗情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖9所示。

在圖9所示的能耗預(yù)測(cè)界面中，根據(jù)電極電流、電壓、功率因數(shù)等冶煉參數(shù)計(jì)算礦熱爐能耗情況，并將冶煉參數(shù)導(dǎo)入云平臺(tái)的APM模塊，生成APM數(shù)據(jù)源。在此基礎(chǔ)上，在AFS模塊中選擇上述APM數(shù)據(jù)源，在建立的時(shí)間序列法[10]模塊中加入礦熱爐能耗計(jì)算方法，對(duì)礦熱爐三相電極在接下來(lái)30 min的能耗情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在Dashboard中通過(guò)曲線圖進(jìn)行顯示，作為用戶調(diào)節(jié)礦熱爐參數(shù)和控制能耗的依據(jù)。

圖9 云平臺(tái)電極能耗預(yù)測(cè)Fig.9 Electrode energy consumption prediction of cloud platform

4.5 云平臺(tái)電極位置預(yù)測(cè)

通過(guò)磁阻傳感器采集礦熱爐外側(cè)不同位置的磁信號(hào)，結(jié)合編碼器采集的礦熱爐電極移動(dòng)距離，將磁信號(hào)作為輸入，三相電極位置作為輸出，建立樣本集，并引入APM中，生成APM數(shù)據(jù)源。在AFS模塊中選擇該APM數(shù)據(jù)源后，通過(guò)AFS中現(xiàn)有的RNN[11]模塊，對(duì)磁信號(hào)為輸入、三相電極位置為輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，并在數(shù)據(jù)源引入新的磁信號(hào)數(shù)據(jù)后，對(duì)三相電極位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，在Dashboard中顯示，如圖10所示。

圖10 云平臺(tái)電極位置預(yù)測(cè)Fig.10 Electrode position prediction of cloud platform

5 系統(tǒng)APP客戶端的實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)第4節(jié)建立的基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)(PC客戶端)，結(jié)合WISE-PaaS Dashboard、WISE-PaaS SRP軟件和Android技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)APP客戶端，拓展了人機(jī)交互方式，適應(yīng)用戶在不同環(huán)境下遠(yuǎn)程監(jiān)控礦熱爐電極運(yùn)行的實(shí)際需求，如圖11所示。

圖11 礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)APP客戶端Fig.11 APP client of electrode operation monitoring system of submerged arc furnace

6 結(jié)論

根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控礦熱爐電極運(yùn)行狀態(tài)，深入分析電極運(yùn)行數(shù)據(jù)，保障安全生產(chǎn)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)(WISE-PaaS云平臺(tái))的礦熱爐電極運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。首先在現(xiàn)場(chǎng)底層建立了礦熱爐運(yùn)行監(jiān)控設(shè)備端，并通過(guò)網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess建立工程節(jié)點(diǎn)和設(shè)定MQTT協(xié)議，完成上位機(jī)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)WebAccess與WISE-PaaS云平臺(tái)之間的連接端口，將采集數(shù)據(jù)上傳至云端, 并結(jié)合WISE-PaaS云平臺(tái)中的Dashboard、SaaS Composer、APM、AFS等模塊，實(shí)現(xiàn)電極運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、電極狀態(tài)報(bào)警、電極具體參數(shù)顯示、移動(dòng)終端人機(jī)交互、能耗預(yù)測(cè)、電極位置預(yù)測(cè)等功能，為礦熱爐參數(shù)調(diào)節(jié)和故障診斷提供依據(jù)，改進(jìn)了礦熱爐傳統(tǒng)監(jiān)控模式，具有較好的實(shí)用價(jià)值。