一种高精度高炉热负荷无线检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度高炉热负荷无线检测方法，属于高炉热负荷检测领域。本发明包括无线测温仪、温度采集终端和上位机，无线测温仪实时检测高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传送给温度采集终端；温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机；上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取温度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形化显示并进行历史数据保存。本发明提高了热负荷测量精度及稳定性，通过ZigBee无线网络进行数据传输，无需铺设高温电缆，节省了大量的成本。
【专利说明】一种高精度高炉热负荷无线检测方法
[0001] 本发明专利申请是针对申请号为：2013104228879的分案申请，原申请的申请日 为：2013年9月16日，发明创造名称为：一种高精度高炉热负荷无线检测系统及其检测方 法。
【技术领域】
[0002] 本发明属于高炉热负荷检测领域，特别涉及基于ZigBee协议的无线技术和高炉 冷却壁热负荷检测技术的融合，主要完成高炉冷却壁热负荷信号的无线传输。
【背景技术】
[0003] 高炉冷却系统热负荷在线检测技术的应用对高炉的长寿高产、事故隐患的避免十 分重要。高炉热负荷由高炉冷却水水温差及进出水流量决定，热负荷直接反映了高炉冷却 制度及炉内煤气流的分布，属于高炉状态实时监控的核心监测系统。如果能及时了解炉内 各部位热负荷的变化，并能采取相应的处理措施维持合理的冷却制度（如提高水压、增加 冷却水量、减少冷却壁串联块数等），就能保证将热负荷控制在允许的范围内，这对于稳定 高炉冷却制度、保证高炉安全高产、强化高炉冶炼、延长高炉使用寿命以及减少高炉事故隐 患具有非常重要的实际意义。高炉必须保持合理的冷却制度，使得高炉各部位的用水量与 其热负荷相适应。高炉的生产和研究证实，高炉各部位的热负荷被设计确定后，当热负荷 设计过大时，势必加大冷却水的供水量，也就是说会造成冷却强度过大，引起炉衬结厚等症 状，从而影响高炉合理的冷却制度；如果热负荷设计太小，意味着供水量减少，会造成冷却 效果差，炉内形不成渣皮，导致炉衬侵蚀加快，冷却壁过早被损坏。随着高炉冶炼的强化，炉 身下部侵蚀严重，因此安装的热负荷在线检测系统，可以实时监控炉身部位的热负荷的变 化、保持合理的高炉操作制度。
[0004] 近几年国内炼铁高炉炉缸烧穿事故接连不断，2010年8月沙钢1# (2500M3)炉缸烧 穿，重钢1200M3高炉渣口下方炉皮烧穿，2011年元月鞍钢新1#炉（3200M 3)炉缸烧穿，2011 年10月南钢5#炉，及马钢一铁10#炉均发生相关事故，造成难以弥补的人身、财产重大损 失。究其原因均是没有完善的炉缸监测系统，无法及时发现炉缸侵蚀的部位，及时采取有效 措施。高炉冷却水监测系统由水温检测、流量检测、数据处理中心、系统软件和通讯几部分 组成，其中最核心的部分即为水温检测系统。水温检测系统的稳定性、精度直接决定了高炉 冷却水监测系统的性能及有效性。
[0005] 目前国内传统的热负荷检测系统传感器前端绝大多数采用有线测量方式，在实际 使用中也有着一些难以克服的缺陷，具体分析如下：
[0006] (1)高温电缆的耗费大。由于一般高炉炉喉环境温度较高，必须使用高温电缆对测 温节点进行供电和通信，传统的热负荷测量方式，每个测温节点至少要消耗三根高温电缆。 据现场调研，马钢某座高炉共计有800多个冷却水温检测节点需消耗2400多根高温电缆， 而现在市场上的高温电缆非常昂贵，所以传统的热负荷测量方式成本非常高，且制作高温 电缆需耗费的大量的金属材料和耐高温绝缘材料，在我国现有资源紧缺的情况下，采用有 线测量方式不利于产业链的延续。
[0007] (2)施工复杂。传统的热负荷测量方式，采用高温电缆进行供电和通信，而高炉冷 却壁环境恶劣，人工放置高温电缆极为不便，所以传统的热负荷测量方式施工复杂，给现场 施工带来极大的不便。
[0008] (3)网络管理和维护难度大。由于传统的热负荷测量方式，采用高温电缆进行供电 和通信，发生故障时要耗费大量的人力、物力排查和重新铺设高温电缆，所以传统的热负荷 测量方式给网络的管理和维护来极大的不便。据调研，马钢一座大型高炉的冷却水温检测 每年的维保费用常常达到几十万之多，如果能够更新测温系统技术，使得通信网络能够自 我维护，以整个马钢9座高炉测算，节省下的维保费用就数以百万计。
[0009] (4)网络结构单一、网络通讯可靠性低。传统的热负荷测量方式为了减少传输线 路上的干扰，只能采用单一的网络拓扑结构，而在恶劣的现场环境下很难按照单一的网络 拓扑来铺设高温电缆。而且传统的热负荷测量方式多采用单总线方式进行数据传输，节点 与节点相互影响，一个节点出现故障，很可能影响整个通讯网络，这就降低网络通讯的可靠 性。
[0010] (5)高炉出铁口处环境恶劣，温度高，高温铁水经常会溅射到周围电缆上，将电缆 融化，且高炉出铁口处采用有线测量方式也不利于现场施工。如果采用无线测量方式将从 根本上解决这些问题。
[0011] 通过专利检索，现有技术中已有采用无线技术实现高炉水温系统的检测。如中国 专利申请号=201210265426.0,申请日：2012年7月30日，发明创造名称为：一种无线高 炉冷却水温差在线测量系统，该申请案包括网络服务器、工控计算机、数据转换器、接收站 点以及发射节点；其中，所述发射节点将检测到的水温信息发送给接收站点；所述接收站 点将接收到的所述温度信息通过所述数据转换器发送给所述工控计算机；所述工控计算 机用于将接收的所述温度信息发送给所述网络服务器，该系统每个测温点均采用数字测温 芯片、无线数字传输方式，使得测温点没有任何与外界连接的线缆。但是，该申请案中测温 点均采用数字测温芯片，数字温度传感器在实际使用中也有着一些难以克服的缺陷。如温 度检测仪表精度不高，水温差每相差〇. 1°C，热负荷值将影响10%，并且在炉缸层因耐材较 厚，也就是说如果温度检测仪表精度达不到±0. 1°C，热负荷可能会出现负值将显示为零， 也就失去其监测的意义。针对该申请案，具体说明如下：
[0012] (1)数字温度传感器的精度较低，现在市场使用的DS18B20数字温度传感器，其最 小分辨率可达到〇.〇625°C，精度则为±0.5°C，而一般高炉炉喉冷却水包的进出热负荷要 求控制在0.3?0.7°C，超出这个工作范围工作人员就要采取一些措施，要是超过0.9°C则 意味着出现事故，人员可能就要撤离了。因此，使用数字温度传感器还是有着相当大的事故 隐患。
[0013] (2)数字温度传感器为三引脚芯片结构，一般配以51或AVR单片机构成温度检测 系统，由于封装在不透水不透气的密闭套管里，同时高炉工作时传感器所处环境恶劣，各类 干扰非常大，所以其稳定性不高，遇到传感器损坏时需要经常更换检测探头。
[0014] (3)数字温度传感器采用单线传输模式，信号的输入输出均为一根线，这就导致了 检测探头更换时往往需要设备厂商派出工程师携带专门设备进行现场复位，进而产生维保 费用。
[0015] 本发明在设计初期，该高炉热负荷无线检测系统拟采用基于ZigBee协议的无线 通讯方式，通过电池供电，无需高温电缆，ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议， ZigBee的主要特点是：（1) ZigBee模块通过电池供电，通过ZigBee无线网络进行数据传输， 在现场使用无需铺设电缆，节省了大量的成本。（2)低功耗。在正常供电模式下，2节5号 干电池可支持1个节点工作数月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工 作数周、WiFi可工作数小时。（3)低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10)，降低了 对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB 代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美 元。（4)高容量。ZigBee可采用多种网络拓扑结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一 个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。（5)高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制 清单（Access Control List，ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128)的对 称密码，以灵活确定其安全属性。（6) ZigBee网络自组织，在ZigBee协议的协调下，ZigBee 网络可以自动识别新增的节点，同时自动切除故障节点。网络的维护和管理全部在ZigBee 协议的协调下自动进行，无需人工管理和维护。
[0016] 虽然采用基于ZigBee协议的无线测量方式与传统的有线测量方式相比，有着显 著的优势，但采用ZigBee协议的无线测量方式在热负荷测量领域存在的最大难点是：
[0017] (1)若一个节点出现故障，将导致其附属的子节点无法正常通信；
[0018] (2)使用寿命不长，虽然ZigBee模块功耗低，普通电池可供一个测温仪表工作数 月，但高炉环境恶劣，更换电池极为不便，实际生产中要求测温仪表使用寿命在2年以上。 这些都是针对无线检测技术急需解决的技术问题，此外，现有技术中高炉冷却壁热负荷检 测系统的可靠性和稳定性需要进一步提高。
【发明内容】
[0019] 1.发明要解决的技术问题
[0020] 本发明的目的在于克服现有技术中高炉冷却壁热负荷有线测量方式的不足，提供 了一种高精度高炉热负荷无线检测方法，采用本发明的技术方案，将基于ZigBee协议的无 线通讯技术运用于高炉冷却壁热负荷检测领域，降低了施工复杂度、网络管理及维护难度， 同时提升了网络拓扑结构的多样性，网络通讯的可靠性。
[0021] 2.技术方案
[0022] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0023] 本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测系统，包括无线测温仪、温度采集终端 和上位机，所述的无线测温仪包括PtlOOO温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理 电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块和电源模块，所述的PtlOOO温度传感器用于检 测高炉冷却水进水、排水温度，所述的流量传感器用于检测高炉冷却水流量，上述的PtlOOO 温度传感器、流量传感器的信号输出端连接至温度及流量信号处理电路，温度及流量信 号处理电路、ZigBee无线收发模块分别与低功耗处理器相连接，所述的电源模块分别与 PtlOOO温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收 发模块相连，该电源模块用于给无线测温仪供电，所述的电源模块为电池，无线测温仪实时 检测高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传送给温度采集终端；
[0024] 所述的温度采集终端包括ZigBee无线收发模块、处理器、声光报警及状态显示模 块、RS485通讯模块和电源模块，所述的ZigBee无线收发模块、RS485通讯模块分别与处 理器相连接，所述的处理器输出端连接有声光报警及状态显示模块，该声光报警及状态显 示模块用于实时监控各无线测温仪的运行状态，并进行声光报警，所述的电源模块分别与 声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块、处理器相连，该电源模块用于给温度采集终端 供电，该电源模块为有线供电形式，温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温 仪传输过来的温度及流量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机；上述的无线 测温仪为系统的传感器节点，温度采集终端为系统的汇聚节点，若干个温度采集终端通过 RS485总线依次串接，最后一个温度采集终端的通讯总线两端接有终端电阻，无线测温仪与 温度采集终端组成MESH网络，并采用断续工作模式，该无线测温仪与温度采集终端通信方 式为基于ZigBee协议的无线通讯，无线测温仪涉及的协议为ZigBee协议；
[0025] 所述的上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取 温度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形 化显示并进行历史数据保存；上述的上位机为系统的协调器，上位机与温度采集终端的通 讯方式为RS485平衡式差分通讯。
[0026] 更进一步地说，所述的温度及流量信号处理电路包括温度信号处理电路和流量信 号处理电路，其中温度信号处理电路包括PtlOOO处理电路和AD转换器，所述的PtlOOO处 理电路包括三线制PtlOOO、减法器一、减法器二和新型电桥电路，所述的新型电桥电路包括 第一调零电阻R1、第二调零电阻R2、Rt、参考电阻R Mf和限流电阻Ri，上述的第一调零电阻 R1、第二调零电阻R2、Rt和参考电阻RMf依次串联，限流电阻Ri的一端接在第一调零电阻 R1和参考电阻Rief之间，限流电阻Ri的另一端接至电源，所述的三线制PtlOOO的三个引脚 分别与参考电阻R Mf、第二调零电阻R2和地相连；所述的减法器一取参考电阻RMf两端的电 压作为AD转换器的参考电压，减法器一的输出端与AD转换器的参考电压输入端相连，减法 器二的" + "端与三线制PtlOOO的正极相连，减法器二的端与第二调零电阻R2的一端 相连，减法器二的输出端与AD转换器的模拟信号输入端相连，AD转换器的数字信号输出端 与低功耗处理器相连。本发明设计的温度信号处理电路，是为了提高温度测量的精度和稳 定性。
[0027] 更进一步地说，所述的无线测温仪采用防护等级高于IP67的壳体作为防护外壳， 所述的温度采集终端采用防护等级高于IP66的壳体作为防护外壳。
[0028] 本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其步骤为：
[0029]步骤一：
[0030] 无线测温仪间隔2分钟检测一次高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号 传送给温度采集终端，所述的无线测温仪采用断续工作模式，即无线测温仪在正常情况下 使仪表中的所有芯片处于待机状态，只有接收到父节点的请求指令后才将所有芯片唤醒， 唤醒后进行AD采样和中值滤波处理，并将采集到的温度及流量信号发送出去，将温度及流 量信号发出去后又回到待机状态；其中：所述的无线测温仪包括PtlOOO温度传感器、流量 传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块和电源模块，所述 的PtlOOO温度传感器用于检测高炉冷却水进水、排水温度，所述的流量传感器用于检测高 炉冷却水流量，上述的Ptiooo温度传感器、流量传感器的信号输出端连接至温度及流量信 号处理电路，温度及流量信号处理电路、ZigBee无线收发模块分别与低功耗处理器相连接， 所述的电源模块分别与PtlOOO温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功 耗处理器、ZigBee无线收发模块相连，该电源模块用于给无线测温仪供电，所述的电源模块 为电池；
[0031] 步骤二：
[0032] 温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流 量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机，其中：所述的温度采集终端包括 ZigBee无线收发模块、处理器、声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块和电源模块，所 述的ZigBee无线收发模块、RS485通讯模块分别与处理器相连接，所述的处理器输出端连 接有声光报警及状态显示模块，该声光报警及状态显示模块用于实时监控各无线测温仪的 运行状态，并进行声光报警，所述的电源模块分别与声光报警及状态显示模块、RS485通讯 模块、处理器相连，该电源模块用于给温度采集终端供电，该电源模块为有线供电形式，上 述的无线测温仪为系统的传感器节点，温度采集终端为系统的汇聚节点，若干个温度采集 终端通过RS485总线依次串接，最后一个温度采集终端的通讯总线两端接有终端电阻，无 线测温仪与温度采集终端组成MESH网络，该无线测温仪与温度采集终端通信方式为基于 ZigBee协议的无线通讯，无线测温仪涉及的协议为ZigBee协议；
[0033] 步骤三：
[0034] 上位机通过如下公式计算高炉热负荷Q :Q = ATXFXCPn，其中：ΔΤ =Σ 0T排水s 度/η_Τ进水温度，Λ T即为水温差；F :冷却水流量；CPn :整定系数，CPn = 4. 1817/10 = 0.41817 ; 其中：所述的上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取温 度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形化 显示并进行历史数据保存；上述的上位机为系统的协调器，上位机与温度采集终端的通讯 方式为RS485平衡式差分通讯。
[0035] 3.有益效果
[0036] 采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
[0037] (1)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其中的无线测温仪通过电池 供电，通过ZigBee无线网络进行数据传输，无需铺设高温电缆，节省了大量的成本，从根本 上解决了传统的热负荷测量方式无法在出铁口进行测量的缺陷；同时施工难度大大降低， 节省了大量的人力、物力。
[0038] (2)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其ZigBee网络自组织，在 ZigBee协议的协调下，ZigBee网络可以自动识别新增的节点，同时自动切除故障节点，网 络的维护和管理全部在ZigBee协议的协调下自动进行，无需人工管理和维护，节省了大量 的维保费用；同时，ZigBee采用MESH组网，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点 可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的 大网，每个节点有自己特有的信道，一个节点出现故障不会影响整个通讯网络，从而提高网 络通讯的可靠性。
[0039] (3)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，采用PtlOOO钼电阻作为温度 传感器，并采用本发明创新设计的温度信号处理电路，提高了热负荷测量精度及稳定性，具 体包括如下三方面：a)高分辨率，PtlOOO温度系数为TCR = 3850ppm/K，配合本发明的温度 信号处理电路，分辨率可达o.oorc ;b)高精度，采用PtlOOO作为温度传感器，配合本发明 设计的新型比率电桥温度补偿电路，以测量精度等于10?20倍的分辨率计算，测量精度可 达0. 02°C，完全满足高炉热负荷对测量精度的要求；c)高稳定性，本发明采用PtlOOO钼电 阻作为温度传感器，配合本发明创新设计的温度信号处理电路使得AD转换器输出的数字 量只跟PtlOOO零度电阻^和参考电阻R Mf有关，所以本发明设计的高炉热负荷无线检测系 统适合在恶劣的环境下进行长期稳定的测量。
[0040] (4)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其无线测温仪的工作采用断 续工作模式可大大延长电池使用寿命，采用本发明的断续工作模式使得无线测温仪大部分 时间处于待机状态，而芯片处于待机状态下的功耗极低，可忽略不计。测温仪表处于发送 状态时的最大功耗为30mA，2min采集一次，采集一次所费时间为：1. 5s，则一节8500mAh电 池可使用的寿命为：
【权利要求】
1. 一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其步骤为： 步骤一： 无线测温仪间隔2分钟检测一次高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传 送给温度采集终端，所述的无线测温仪采用断续工作模式，即无线测温仪在正常情况下使 仪表中的所有芯片处于待机状态，只有接收到父节点的请求指令后才将所有芯片唤醒，唤 醒后进行AD采样和中值滤波处理，并将采集到的温度及流量信号发送出去，将温度及流量 信号发出去后又回到待机状态；其中：所述的无线测温仪包括PtlOOO温度传感器、流量传 感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块和电源模块，所述的 PtlOOO温度传感器用于检测高炉冷却水进水、排水温度，所述的流量传感器用于检测高炉 冷却水流量，上述的PtlOOO温度传感器、流量传感器的信号输出端连接至温度及流量信号 处理电路，温度及流量信号处理电路、ZigBee无线收发模块分别与低功耗处理器相连接，所 述的电源模块分别与PtlOOO温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗 处理器、ZigBee无线收发模块相连，该电源模块用于给无线测温仪供电，所述的电源模块为 电池； 步骤二： 温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流量信 号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机，其中：所述的温度采集终端包括ZigBee 无线收发模块、处理器、声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块和电源模块，所述的 ZigBee无线收发模块、RS485通讯模块分别与处理器相连接，所述的处理器输出端连接有 声光报警及状态显示模块，该声光报警及状态显示模块用于实时监控各无线测温仪的运行 状态，并进行声光报警，所述的电源模块分别与声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块、 处理器相连，该电源模块用于给温度采集终端供电，该电源模块为有线供电形式，上述的无 线测温仪为系统的传感器节点，温度采集终端为系统的汇聚节点，若干个温度采集终端通 过RS485总线依次串接，最后一个温度采集终端的通讯总线两端接有终端电阻，无线测温 仪与温度采集终端组成MESH网络，该无线测温仪与温度采集终端通信方式为基于ZigBee 协议的无线通讯，无线测温仪涉及的协议为ZigBee协议； 步骤三： 上位机通过如下公式计算高炉热负荷
，其中：ΔΤ = Σ 0T#7jcSS/ n-T进·度，ΛΤ即为水温差；F :冷却水流量；CPn :整定系数，CPn = 4. 1817/10 = 0· 41817 ; 其中：所述的上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取温 度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形化 显示并进行历史数据保存；上述的上位机为系统的协调器，上位机与温度采集终端的通讯 方式为RS485平衡式差分通讯。
2. 根据权利要求1所述的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其特征在于：所述的 温度及流量信号处理电路包括温度信号处理电路和流量信号处理电路，其中温度信号处理 电路包括PtlOOO处理电路⑴和AD转换器（2)，所述的PtlOOO处理电路（1)包括三线制 PtlOOO、减法器一、减法器二和新型电桥电路，所述的新型电桥电路包括第一调零电阻R1、 第二调零电阻R2、Rt、参考电阻R Mf和限流电阻Ri，上述的第一调零电阻R1、第二调零电阻 R2、Rt和参考电阻RMf依次串联，限流电阻Ri的一端接在第一调零电阻R1和参考电阻RMf 之间，限流电阻Ri的另一端接至电源，所述的三线制PtlOOO的三个引脚分别与参考电阻 RMf、第二调零电阻R2和地相连；所述的减法器一取参考电阻Rief两端的电压作为AD转换 器（2)的参考电压，减法器一的输出端与AD转换器（2)的参考电压输入端相连，减法器二 的"+"端与三线制PtlOOO的正极相连，减法器二的端与第二调零电阻R2的一端相连， 减法器二的输出端与AD转换器（2)的模拟信号输入端相连，AD转换器（2)的数字信号输 出端与低功耗处理器相连。
【文档编号】C21B7/24GK104046713SQ201410318248
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】方挺, 欧阳强强, 张建军 申请人:马鞍山市安工大工业技术研究院有限公司