鐵水車智能稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究及應(yīng)用

謝 明，劉 申，張清來，詹 昊，李亮亮，何建超

（1.中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200941；2.山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司，山東 肥城 271612）

0 引言

隨著智能化要求越來越高，許多鋼鐵企業(yè)要求鐵水運(yùn)輸車[1，2]（簡(jiǎn)稱“鐵水車”）實(shí)現(xiàn)“一包到底”工藝，采用該工藝就要確保高爐和煉鋼轉(zhuǎn)爐之間的鐵水進(jìn)行需求匹配，即轉(zhuǎn)爐需求鐵水由高爐方精準(zhǔn)提供。而這個(gè)中間連接的紐帶即鐵水車。當(dāng)鐵水車駛?cè)敫郀t接出鐵口，車上的鐵水罐作為接受鐵水的容器，鐵水車上有稱重系統(tǒng)，鐵水罐置于稱重系統(tǒng)的四點(diǎn)稱重傳感器之上，當(dāng)有鐵水從出鐵口流入鐵水罐時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量鐵水的重量變化并把重量、爐號(hào)等信息及時(shí)上傳到高爐控制中心，控制中心根據(jù)煉鋼廠的指令需求精準(zhǔn)控制出鐵口的閘門開合。本研究的智能系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)車號(hào)、爐口、凈重、皮重等重要參數(shù)的自動(dòng)采集、分析、存儲(chǔ)和展示。

以石橫特鋼的鐵水車稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為對(duì)象研究。現(xiàn)場(chǎng)有高爐兩座，中控制一個(gè)，每座高爐有兩個(gè)出鐵口，每個(gè)出鐵口有兩個(gè)停車位，共8 個(gè)出鐵停車位。每個(gè)出鐵口布置LED 屏幕，鐵水車11 輛。本研究從軟件和硬件兩個(gè)方面進(jìn)行探討。

1 智能稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該鐵水車智能傳輸系統(tǒng)[3]集采集、分析、存儲(chǔ)和展示出鐵數(shù)據(jù)，它同時(shí)還具備異常告警和上報(bào)計(jì)量的功能，系統(tǒng)功能（圖1），從功能上分為四個(gè)模塊：

圖1 系統(tǒng)功能圖

（1）鐵水車識(shí)別。

（2）車輛稱重?cái)?shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、展示及傳輸。

（3）出鐵口數(shù)據(jù)采集、顯示及傳輸。

（4）中控室數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及展示，支持與廠內(nèi)系統(tǒng)對(duì)接。

鐵水車識(shí)別通過超高頻RFID[4]實(shí)現(xiàn)，鐵水車上安裝抗金屬RFID 標(biāo)簽，出鐵口安裝RFID 讀寫器。當(dāng)車輛靠近時(shí)，RFID 讀寫器讀到車輛信息則送給通信網(wǎng)關(guān)。每個(gè)出鐵口和每臺(tái)車輛配置一臺(tái)通信網(wǎng)關(guān)，采集各自內(nèi)部數(shù)據(jù)，并通過LoRa[5]無線與上級(jí)交互數(shù)據(jù)，最后通過光纖傳輸?shù)街锌厥?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和展示。出鐵口配置LED 大屏和聲光報(bào)警器，出鐵口的重量等信息實(shí)時(shí)顯示在LED 大屏上，當(dāng)重量超過系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

系統(tǒng)從區(qū)域分布上劃分，可分為三部分：中控室、出鐵口、車輛。

1.1 中控室

中控室（圖2）配置服務(wù)器并開發(fā)監(jiān)控平臺(tái)軟件，可接入高爐出鐵口通信網(wǎng)關(guān)協(xié)議數(shù)據(jù)，支持可視化大屏展示。服務(wù)器配置的存儲(chǔ)容量不低于1TB，足夠保存五年以上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖2 中控室

1.2 出鐵口

出鐵口（圖3）配置RFID 讀卡器、通信網(wǎng)關(guān)[6]、LED 大屏、聲光報(bào)警器和LoRa 透?jìng)髂K。RFID 讀卡器用于讀取車輛的RFID 標(biāo)簽，并上送通信網(wǎng)關(guān)，以識(shí)別不同車輛。通信網(wǎng)關(guān)除接收RFID 讀卡器的信息之外，還通過LoRa 透?jìng)髂K與車輛和中控室通信。與車輛通信以讀取車輛重量信息，并將車輛信息和重量信息匯總后上送中控室。出鐵口也配置大屏顯示和聲光報(bào)警器。

圖3 出鐵口配置

1.3 車輛

車輛配置（圖4）車輛控制器（類似于通信網(wǎng)關(guān)）、LoRa 透?jìng)髂K、工業(yè)組態(tài)屏和RFID 標(biāo)簽。車輛控制器采集電子秤和液壓秤的數(shù)據(jù)通過LoRa 模塊輸出，同時(shí)上送到工業(yè)組態(tài)屏展示。工業(yè)組態(tài)屏使用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件接收車載控制器的協(xié)議數(shù)據(jù)組態(tài)化展示。RFID 標(biāo)簽采用抗金屬超高頻標(biāo)簽，用于標(biāo)志車輛，根據(jù)實(shí)際需求可配置多個(gè)。

圖4 車輛配置

1.4 硬件選型

根據(jù)系統(tǒng)的組成，給出硬件選型的參考（表1），表內(nèi)僅為主要硬件，其他附件還需在執(zhí)行中添加。

表1 系統(tǒng)主要硬件

2 智能稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上文已對(duì)鐵水車智能稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件（出鐵口、車輛、中控室）進(jìn)行了研究。出鐵口作為車輛與中控室間的中樞橋梁，是通過通信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的，其主要功能是通過RFID 讀卡器識(shí)別車輛，接收車載控制器的稱重?cái)?shù)據(jù)并把這些傳輸?shù)匠鲨F口LED 屏和監(jiān)控后臺(tái)。車載控制器（類似網(wǎng)關(guān)）主要功能是從電子秤或液壓秤采集稱重和車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)通過無線透?jìng)髂K傳輸?shù)匠鲨F口。中控室監(jiān)控平臺(tái)軟件需實(shí)現(xiàn)的主要功能是接收通信網(wǎng)關(guān)的稱重?cái)?shù)據(jù)并展示并支持與高爐MES 系統(tǒng)對(duì)接。

下文將針對(duì)這三部分的功能研究其軟件設(shè)計(jì)。

2.1 出鐵口通信網(wǎng)關(guān)

出鐵口通信網(wǎng)關(guān)主要作用在于把車載控制器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED 屏和監(jiān)控平臺(tái)。該通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)分為6 個(gè)業(yè)務(wù)線程（圖5），分別是：主線程、車輛識(shí)別線程、LED 通信線程、監(jiān)控后臺(tái)通信線程、車載控制器通信線程和聲光報(bào)警器通信線程。線程間通過函數(shù)接口進(jìn)行通信解耦，不直接使用全局變量，方便后續(xù)擴(kuò)展。

圖5 通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

（1）主線程

負(fù)責(zé)配置管理的實(shí)現(xiàn)，全局句柄信息管理。

（2）車輛識(shí)別線程

網(wǎng)關(guān)與RFID 讀寫器通過私有協(xié)議進(jìn)行通信，SDK 駐留在通信網(wǎng)關(guān)，物理通道為ethernet 通道。在通信網(wǎng)關(guān)保存所有RFID 與車輛編號(hào)的映射表，固化在配置文件或內(nèi)存中。當(dāng)讀到RFID 時(shí)直接查表，查找出對(duì)應(yīng)的車輛。RFID 讀寫器需要在預(yù)先完成ip、功率等參數(shù)配置。

（3）LED 通信線程

網(wǎng)關(guān)與LED 屏控制器通過私有協(xié)議進(jìn)行通信，SDK 駐留在通信網(wǎng)關(guān)。LED 屏控制器預(yù)先完成ip、通信協(xié)議等參數(shù)配置。其物理通道為也是ethernet。在此對(duì).LED 顯示的刷新邏輯也進(jìn)行了規(guī)定：

（a）車輛駛?cè)牖蝰傠x停車位時(shí)，LED 刷新車輛信息；

（b）接鐵過程，LED 線程每100 ms 檢測(cè)一次重量，有變化則刷新；

（c）為防止LED 息屏，30 min 定時(shí)刷新。

（4）監(jiān)控后臺(tái)通信線程

網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控后臺(tái)通過IEC104 協(xié)議進(jìn)行通信，規(guī)范網(wǎng)關(guān)作為104 tcp server，監(jiān)控平臺(tái)作為104 tcp client。網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控后臺(tái)的物理通道為ethernet。規(guī)范網(wǎng)關(guān)支持皮重、毛重、凈重等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)上送，同時(shí)支持三級(jí)告警閾值設(shè)置下發(fā)。

（5）車載控制器通信線程

網(wǎng)關(guān)與車載控制器通過modbus 協(xié)議[6]進(jìn)行通信，通信網(wǎng)關(guān)作為modbus rtu master，車載控制器作為modbus rtu slave。網(wǎng)關(guān)與車載控制器的物理通道支持lora 和RS485 雙通道。

（6）聲光報(bào)警器通信線程

網(wǎng)關(guān)與聲光報(bào)警器通過modbus 協(xié)議進(jìn)行通信，通信網(wǎng)關(guān)作為modbus rtu master，聲光報(bào)警器與繼電器連接，作為modbus rtu slave。網(wǎng)關(guān)與聲光報(bào)警器的物理通道為RS485 通道

2.2 車載控制器網(wǎng)關(guān)

車載控制器主要作用在于從液壓秤和電子秤采集稱重?cái)?shù)據(jù)，并傳輸?shù)杰囕d組態(tài)屏和出鐵口通信網(wǎng)關(guān)。車載控制器（圖6）分為5 個(gè)業(yè)務(wù)線程和2 個(gè)定時(shí)器，分別是：主線程、液壓秤采集線程、電子秤采集線程、網(wǎng)關(guān)間通信線程、組態(tài)屏通信線程、通信監(jiān)測(cè)定時(shí)器、重量監(jiān)測(cè)定時(shí)器。線程間通過函數(shù)接口進(jìn)行通信解耦。

圖6 車載控制器網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

（1）主線程

負(fù)責(zé)配置管理的實(shí)現(xiàn)和全局句柄信息管理。（2）液壓秤采集線程車載控制器與液壓秤通過私有協(xié)議通信，底層基于CAN 2.0A 協(xié)議[7]。

（3）電子秤采集線程

車載控制器與電子秤控制器通過modbus 進(jìn)行通信，車載控制器作為modbus rtu master，電子秤控制器作為modbus rtuslave，物理通道為RS485。

（4）通信網(wǎng)關(guān)通信線程

通信網(wǎng)關(guān)與車載控制器通過modbus 協(xié)議進(jìn)行通信，通信網(wǎng)關(guān)作為modbus rtu master，車載控制器作為modbus rtu slave。通信網(wǎng)關(guān)與車載控制器的物理通道支持lora 和RS485[8]。

（5）組態(tài)屏通信線程

車載控制器與組態(tài)屏通過modbus 協(xié)議進(jìn)行通信，車載控制器作為modbus tcp server，組態(tài)屏作為modbus tcp client，物理通道為ethernet。

2.3 中控室監(jiān)控平臺(tái)軟件

中控室監(jiān)控平臺(tái)[9]是負(fù)責(zé)收集所有出鐵口、車輛的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和展示。根據(jù)要求監(jiān)控軟件既要提供擴(kuò)展能力，又要支持大屏可視化；所以監(jiān)控后臺(tái)軟件基于C/S 架構(gòu)開發(fā)，可擴(kuò)展B/S 功能，支持公有云、私有云、混合云等多種部署方式，支持豐富的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信規(guī)約并易于擴(kuò)展，支持通信網(wǎng)關(guān)側(cè)的邊緣智能處理，監(jiān)控平臺(tái)軟件主要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)功能：

（1）首頁實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示各出鐵口的稱重?cái)?shù)據(jù)和通信狀態(tài)；

（2）告警閾值設(shè)置，設(shè)置三級(jí)出鐵數(shù)據(jù)閾值，超過后系統(tǒng)將觸發(fā)告警；

（3）歷史數(shù)據(jù)，支持出鐵數(shù)據(jù)的查詢和導(dǎo)出；

（4）事件告警，記錄各種通訊狀態(tài)和異警的記錄，方便后期查詢和跟蹤；

（5）重量統(tǒng)計(jì)，可以按高爐/出鐵口/車輛維度統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間范圍內(nèi)的總量信息；

（6）系統(tǒng)運(yùn)維，可以查看服務(wù)器的狀態(tài)，包括cpu/內(nèi)存/硬盤使用等情況。

3 結(jié)語

研究了鐵水車智能稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件組成的3 個(gè)部分，并對(duì)每一部分硬件做了深入的分析。接下來就該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)深入的研究，限于篇幅，中控監(jiān)控軟件只給出需要實(shí)現(xiàn)的功能，軟件架構(gòu)因篇幅原因就不做深入探討。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于石橫特鋼，性能穩(wěn)定。