基于 C＃的鐵水連續(xù)測溫軟件的開發(fā)與應(yīng)用

楊洺鎮(zhèn) 侯全師 王澴奇 王毅

摘要：目前，國內(nèi)高爐生產(chǎn)過程中對鐵水的測溫方法主要是接觸式熱電偶測溫，優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是測溫不連續(xù)且消耗大。為了讓所測鐵水的溫度變化能實(shí)時反映高爐爐溫狀況，為高爐操作者提供參考，文章采用紅外熱輻射測溫方式，在出鐵口處對鐵水進(jìn)行在線連續(xù)測溫，并在Visual Studio 2015 C＃平臺上開發(fā)了一款集視頻圖像顯示、溫度采集、云臺調(diào)節(jié)的多功能應(yīng)用軟件。

關(guān)鍵詞：C＃；連續(xù)測溫；軟件開發(fā)

中圖法分類號：TP312文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Development and application of continuous temperature measurementsoftware for molten iron based on C#

YANG Mingzhen，HOUQuanshi，WANGHuanqi，WANG Yi

（Beijing GangyanXinye Engineering Technology Center Co.，Ltd.，Beijing 100081，China）

Abstract：Atpresent，the temperature measurement method for molten iron in the domestic blastfurnace production process is mainly contact thermocouple temperature measurement，which has theadvantage of high precision and the disadvantage of discontinuous temperature measurement andlarge consumption. In order to make the measured temperature change of molten iron reflect the blastfurnace temperature status in real time and provide reference for blast furnace operators，this articleadopts infrared thermal radiation temperature measurement method to continuously measure thetemperature of molten iron online at the tap hole，and then use Visual Studio 2015 to measure thetemperature of molten iron online. A multi-functional application software integrating video imagedisplay，temperatureacquisition，and PTZ adjustment has been developed on the C# platform.

Key words：C#，continuous temperature measurement，software development

1 引言

一般來說，開發(fā)一款 Windows 桌面應(yīng)用軟件，可以選擇的編程語言眾多，如 C，C＋＋，C＃等。相較而言， C＃雖然運(yùn)行效率不是最高的，但其開發(fā)速度快，且不含指針類型，避免了指針對內(nèi)存的直接操作，在一定程度上提升了安全性[1]。此外，它還能定期清理動態(tài)分配的內(nèi)存，自帶回收機(jī)制，預(yù)防內(nèi)存溢出。另外，它擁有.NET 類庫的完全訪問權(quán)限，可輕松訪問 Windows API，支持的類庫和可直接調(diào)用的成熟控件眾多，從而有效地縮短了開發(fā)時間。

2 軟件功能設(shè)計

軟件功能主要包括視頻圖像模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、云臺控制模塊、通信診斷模塊以及歷史查詢模塊等5個部分。軟件各功能模塊如圖1所示。

視頻圖像模塊：將安裝在鐵口處的攝像機(jī)所采集的視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)內(nèi)，將圖像采集卡作為中轉(zhuǎn)站，進(jìn)一步采集到內(nèi)存，最終顯示在人機(jī)界面[2]。

溫度采集模塊：通過串口 RS485通信的方式，與測溫儀交換數(shù)據(jù)，實(shí)時采集測溫儀的內(nèi)部環(huán)境溫度及目標(biāo)溫度。

云臺控制模塊：通過轉(zhuǎn)動云臺，對準(zhǔn)探測目標(biāo)?？墒謩诱{(diào)節(jié)，也可開啟軟件自動追蹤功能進(jìn)行微調(diào)整。

通信診斷模塊：軟件實(shí)時監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)硬線連接出現(xiàn)中斷或接觸不良，造成無法接收溫度信號或者存在大量丟包的現(xiàn)象時，會提示通信中斷字樣，提醒監(jiān)測者聯(lián)系有關(guān)人員進(jìn)行故障排查。

歷史查詢模塊：可查詢過往出鐵記錄，含當(dāng)次出鐵的完整溫度曲線，及視頻圖像截圖。

3 軟件開發(fā)

3.1 視頻采集

對鐵口處的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，主要包含以下步驟：（1）開啟軟件，初始化所有成員變量，同時打開圖像采集卡；（2）識別采集卡型號，并設(shè)置源路，視頻制式，視頻格式，掃描模式等參數(shù)；（3）讀寫程序，通過回調(diào)函數(shù) static? int? mylpSnapFunc1（ ref? DH _ CGCard. SNAP_INFO tf）實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳遞；（4）通過控件PictureBox顯示圖像。

3.2 串口通信技術(shù)

3.2.1 概述

串口即串行通信接口，在工業(yè)控制領(lǐng)域，當(dāng)計算機(jī)與儀器儀表設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，選擇串口通信是很常見的方式。本文在 Visual Studio 2015 C＃環(huán)境下，利用AdamCom類來實(shí)現(xiàn)串口通信。

3.2.2 溫度采集

本軟件用某工控機(jī)的 RS485串口來采集溫度信號，根據(jù)測溫儀的通信規(guī)則，軟件須先向測溫儀發(fā)送請求電文，再接收返回的電文，并解析其中的數(shù)據(jù)，以得到溫度值。

整個數(shù)據(jù)交換過程在函數(shù)GetT （）內(nèi)的 While 循環(huán)里完成，循環(huán)條件 B 為全局變量，用來控制循環(huán)的啟停。為了不影響主線程執(zhí)行效率，將該過程放在新創(chuàng)建的線程 A 中，打開串口后 A 自動創(chuàng)建。每次循環(huán)完一次后，讓線程睡眠100毫秒，既降低了 CPU 實(shí)時占用率，又保證了適度的采樣頻率。采集邏輯如圖2所示。

3.2.3 云臺控制

本軟件中，可通過控制云臺水平和垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度，使測溫儀快速對準(zhǔn)鐵水流股。采用 RS485通信方式連接串口和云臺，控制協(xié)議為Pelco?D，通信速率為2400b/s。

傳輸數(shù)據(jù)為7個字節(jié)，其格式為：同步字節(jié)，地址，指令碼1，指令碼2，數(shù)據(jù)碼1，數(shù)據(jù)碼2，校驗(yàn)碼。以向上轉(zhuǎn)動為例，其指令為：FF 010008002F 38。停止轉(zhuǎn)動指令為：FF 010000000001。

手動調(diào)節(jié)時，以向上轉(zhuǎn)動按鈕為例，將向上指令放在函數(shù) private void button1_ MouseDown（）內(nèi)，當(dāng)按下鼠標(biāo)時，會自動調(diào)用該函數(shù)，從而將指令發(fā)送給云臺。同理，將停止指令放在 private? void? button1_ MouseUp（）內(nèi)，松開鼠標(biāo)時被調(diào)用。對準(zhǔn)鐵水后的視頻圖像如圖3所示。

除了手動調(diào)節(jié)模式，軟件還結(jié)合圖像處理技術(shù)，開發(fā)了自動追蹤模式。當(dāng)檢測到測溫儀未對準(zhǔn)鐵水后，程序會給云臺下發(fā)移動指令，直到對準(zhǔn)鐵流為止[3]。自動追蹤模式順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于準(zhǔn)確判斷出十字圈與鐵水流股的相對位置。

當(dāng)軟件判斷此時處于未對準(zhǔn)狀態(tài)，且連續(xù) N 幀均保持相同的狀態(tài)，則進(jìn)入自動追蹤模式，工作原理如下。

（1）定位十字圈：識別十字圈輪廓所在的圓，得到圓心和半徑。本次開發(fā)時利用霍夫變換來識別圓，再通過 Cv2.HoughCircles（）函數(shù)的返回值得到圓心坐標(biāo)及半徑。

（2）統(tǒng)計各分區(qū)內(nèi)亮點(diǎn)數(shù)：分區(qū)示意圖如圖4所示，沿著十字圈水平和垂直方向各作兩條切線，將視頻圖像劃分為9個區(qū)域。統(tǒng)計當(dāng)前幀圖像各分區(qū)內(nèi)的亮點(diǎn)數(shù)，下發(fā)云臺移動的指令，直到十字圈（即區(qū)域5內(nèi)）存在足夠多的亮點(diǎn)并且能檢測到溫度為止。

（3）根據(jù)各分區(qū)內(nèi)的亮點(diǎn)分布情況，下發(fā)云臺移動的指令，如鐵水光亮區(qū)位于區(qū)域1內(nèi)，則下發(fā)向上和向左的移動指令，直到十字圈（即區(qū)域5內(nèi)）存在足夠多的亮點(diǎn)并且能檢測到溫度為止。

3.3 通信診斷

所謂通信診斷，即軟件對溫度和圖像等數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)的監(jiān)聽和診斷，發(fā)生故障時自動記錄相應(yīng)故障代碼。比如，當(dāng)采集溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包或完全中斷時，軟件會顯示故障名稱等字樣，并記錄。又如，環(huán)境溫度過高導(dǎo)致測溫儀啟動自我保護(hù)機(jī)制而停止工作時，軟件也會準(zhǔn)確判斷并錄入數(shù)據(jù)庫，且提示操作人員，此時應(yīng)當(dāng)檢查冷卻氣是否正常開啟。同理，圖像數(shù)據(jù)丟失信號時，為引起有關(guān)人員留意，視頻畫面會藍(lán)屏顯示。

3.4 數(shù)據(jù)存儲和查詢

常用的數(shù)據(jù)庫有 MySQL，SQL? Server，Oracle ， Microsoft of Access 等，本項(xiàng)目選用了 SQL Server 數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的儲存。SQL Server 作為一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，其存儲方式為表格式，將數(shù)據(jù)存在表格的行和列中。本項(xiàng)目創(chuàng)建了以下數(shù)據(jù)表：（1）初始化表，包含高爐名稱、鐵口名稱、坐標(biāo)軸上下限等字段，在加載界面時將該數(shù)據(jù)表內(nèi)的初始化參數(shù)讀入程序，在函數(shù) private void Form_Load（）內(nèi)執(zhí)行；（2）歷史數(shù)據(jù)表，包含時間、鐵口名稱、編號、溫度值等字段，用來存放出鐵歷史數(shù)據(jù)；（3）故障記錄表，包含故障類型、時間、鐵口名稱等字段，記錄發(fā)生過的所有故障。

對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、更新和查詢需要用到 SQL 語句，它的全名為結(jié)構(gòu)化查詢語言（ Structured Query Language ，SQL），是對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作的一種語言。在進(jìn)行歷史曲線查詢時，鼠標(biāo)點(diǎn)擊查詢按鈕后，其響應(yīng)事件中執(zhí)行 SQL 語句“select ? from [歷史數(shù)據(jù)表] where 編號＝num order by 時間asc”，將溫度數(shù)據(jù)讀取到一個整型數(shù)組內(nèi)，再在 panel 控件上畫出歷史曲線。

4 軟件應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，軟件可測量并記錄高爐各個鐵口的出鐵情況，含開口時間、堵口時間、出鐵時長，瞬時溫度、小時平均溫度、整次鐵平均溫度等信息。鋼鐵廠的大數(shù)據(jù)中心或智慧中心可通過預(yù)留接口，遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)庫中的故障記錄表，隨時掌握系統(tǒng)運(yùn)行情況。此外，系統(tǒng)會以模擬量輸出的方式將鐵水溫度實(shí)時發(fā)送給高爐控制系統(tǒng)中的 PLC ，為操作人員提供準(zhǔn)確且連續(xù)的溫度參考數(shù)據(jù)。

由于各鋼鐵廠高爐出鐵平臺除塵效果不同，對于出鐵過程中頻繁伴隨濃煙的情況，除了在硬件上對鏡頭增加吹掃系統(tǒng)，預(yù)防因鏡頭積灰導(dǎo)致測量結(jié)果偏低外，在軟件算法上也做了相應(yīng)改進(jìn)，最大限度消除煙塵給正常測量帶來的干擾。

軟件運(yùn)行畫面如圖5所示，目前已在天津聯(lián)合特鋼、首鋼京唐公司等多家鋼鐵廠的高爐上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對鐵口處鐵水溫度的在線連續(xù)性監(jiān)測。實(shí)踐證明，該軟件運(yùn)行良好，穩(wěn)定可靠，能真實(shí)反映鐵水溫度變化情況。

5 結(jié)束語

結(jié)果表明，基于 C＃的鐵水連續(xù)測溫軟件的各個功能模塊均達(dá)到設(shè)計預(yù)期效果，不僅能在線連續(xù)測溫，還能通過視頻圖像觀察鐵口周圍情況。尤其在各鋼鐵廠陸續(xù)將出鐵平臺封閉化管理的背景下，它給操作人員遠(yuǎn)程觀測出鐵狀況提供了直接且有效的手段。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

楊洺鎮(zhèn)（1988—），本科，研究方向：冶金行業(yè)計算機(jī)與自動化應(yīng)用。