基于WebAccess的矿热炉远程监控系统设计

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　　摘  要： 针对常见冶炼设备矿热炉的安全生产和节能减排的需求，设计一种基于网际组态软件WebAccess的矿热炉远程监控系统。首先在设备端使用ADAM 5510M作为主要控制器，结合ADAM 系列数据采集模块，以及罗氏线圈、电极电压采集器、编码器等设备，对矿热炉的二次侧电压、电极电流、电极移动距离等主要参数进行测量，利用Modbus协议与WebAccess进行通信，并在WebAccess上建立工程节点、监控节点，分析和综合三相参数，编辑Dashboard阅览器，制作相应的矿热炉监控APP，从而实现在电脑、手机等不同的客户端对矿热炉各项冶炼参数进行远程实时监控。该监控系统包括分级登录模块、参数监控模块、报警模块、趋势查询模块、报表发送模块等，适应不同规模矿冶企业中操作员、工程师、管理人员等各类使用人员的需要，具有较好的稳定性、新颖性和实用性。
　　关键词： 矿热炉; 远程监控; 系统设计; 参数测量; 参数分析; 系统调试
　　中图分类号： TN948.64?34; TP277                文献标识码： A                     文章编号： 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
　　矿热炉是用来生产硅铁、镍铁、钨铁等铁合金的常见矿冶设备，在冶炼的过程中需要消耗大量矿石原料和电能，并且当各项冶炼参数监控和调整不到位时，将会产生大量有害的废气、废料。在冶炼过程中，矿热炉主要将三相自培电极或石墨电极插入炉料中，进行埋弧操作，利用电弧和炉料电阻的热量来冶炼各类矿石，并且在这一过程中需要连续加料[1]，在该情况下三相电极的主要参数（二次侧电极电压、电极电流、电极移动距离等）将产生变动，需要及时监控和调节。与此同时，矿热炉附近的工作环境较为艰苦，存在温度过高，烟尘、废气较多等一系列问题，实现矿热炉远程监控对于改善工作环境、保护操作员健康、有效减少工业生产意外伤害的发生具有重要意义。
　　随着自动化技术的进步和计算机网络的发展，组态软件作为一类重要的工程应用软件，逐渐朝着分布式[2]、网络化发展[3]。在监控系统设计方面，依托Ethernet技术，通过互联网实现系统与外界的互联，已成为组态软件等开发软件发展的重要方向[4]。
　　近年来，组态软件产品的网络架构由传统的C/S模式（客户端/服务器模式）向B/S模式（浏览器/服务器模式）转变。Advantech WebAccess作为一款B/S模式的、完全基于浏览器的网际组态软件[5]，走在组态软件发展的前列，在远程监控、异地操作、远程维护开发等方面相对于其他组态软件有着显著的优势。
　　本文基于WebAccess软件，结合ADAM系列模块和罗氏线圈、电极电压采集器、编码器等测量装置，设计一种广泛应用于电脑、手机等各类设备的矿热炉远程监控系统。
　　1  系统总体设计
　　矿热炉远程监控系统主要由矿热炉三相电极测量系统、监控系统两部分构成。矿热炉三相电极测量系统由相同的三相设备组成，每相包含8个罗氏线圈、电极电压采集器、编码器和ADAM系列模块。
　　监控系统主要通过WebAccess和其中的Dashboard阅览器实现，根据电脑、手机这两类主要的远程设备端分别进行设计和开发，实现无限客户端的远程操作和维护，适应矿冶企业中不同使用者（操作员、工程师、管理人员、开发人员）的需求，系统的整体结构如图1所示。其中矿热炉三相电极测量系统作为整体系统的现场底层部分，监控系统作为上层监控部分，电脑和手机APP客户端按照功能模块、4类不同等级使用人员要求进行具体设计。
　　2  现场底层三相电极测量系统设计
　　2.1  电极测量设备的选取和设计
　　矿热炉三相电极测量系统作为整个矿热炉监控系统的现场底层部分，包括罗氏线圈、编码器、电极电压采集器、ADAM系列模块等，主要用于采集矿热炉电极的基本参数（二次侧电极电流、电极电压、电极移动距离等）。
　　1） 罗氏线圈。该设备又称微分电流传感器，主要安装在矿热炉每相电极的8根铜管上，具有高灵敏度、高精度、高稳定度、无磁饱和谐振现象等一系列优点，研究同相电极中不同罗氏线圈的采集数据累加，与电极电压采集器相配合，可以分析计算出电极电流、相电压、阻抗、功率因数等一系列矿热炉评价指标。
　　2） 编码器。该设备是将角位移或直线位移转化为电脉冲信号的高精密仪器，通过与ADAM数据采集模块之间的配合，可以精确测量矿热炉电极的移动距离，作为移动电极、改善三相不平衡现象的依据，能够有效节省电能损耗，减少有害物质的产生。
　　3） ADAM系列模块。每相包括1个ADAM 5510 M作为主要控制器，包含4个卡槽，用于安装其他ADAM数据采集模块，从而实现接收每相电极对应的8个罗氏线圈的电压信号，经过变压器转化的电极电压采集器信号，以及编码器A，B相的脉冲信号。ADAM 系列模块在完成数据的采集和电极参数的计算后，主要通过Modbus协议与WebAccess进行通信。
　　2.2  电极参数算法和程序设计
　　在每相對应的ADAM 5510M中进行有功功率、功率因数、每相电极总电流等电极参数的计算，并作为矿热炉主要评价指标（总功率因数、三相不平衡度等）的计算依据。ADAM 5510M需要在BorlandC的环境下进行编译和调试，如图2所示。本文在程序中设置定时器，周期性地不断对各数据采集模块的信息进行采集和存储，并进行电极参数的计算，主要算法流程如图3所示。
　　3  上层监控系统设计
　　3.1  功能模块的设计与实现
　　矿热炉远程监控系统作为上层监控系统，主要包括分级登录模块、首页模块、参数监控模块、趋势查询模块、报警模块、报表发送模块等六个主要功能模块，如图4所示。
　　对6个功能模块的设计方法和实现的效果论述如下：
　　1） 分级登录模块。该模块使用WebAccess中的管理员设置功能，对操作员、工程师、管理人员、开发人员进行权限分配，其中在WebAccess实时监控中已实现的登录界面如图5a）所示。
　　2） 首页模块。在登录后进入系统首页，即系统主界面，首页模块集成前往参数监控、趋势查询、报警、报表发送等模块的跳转按钮，并设置对功率因数、三相不平衡度、三相电极电流大小等主要指标的显示功能以及总报警功能，便于使用者快速了解矿热炉当前炉况和监控系统的各种功能，如图5b）所示。
　　3） 参数监控模块。参数监控模块提供对矿热炉三相电极各类具体评价指标的实时监控功能，包括各相电极电流、电极电压、有功功率、功率因数、电极移动距离等，该模块设置A，B，C三相电极的跳转按钮，可实时查看每相电极的具体参数，该模块还为拥有管理人员权限的使用者提供运行记录查询和点信息浏览功能，如图5c）所示。
　　4） 趋势查询模块。该模块为使用者提供矿热炉评价指标、电极参数的实时趋势和历史趋势图像，直观详细地表现矿热炉各类参数的变化趋势，拥有工程师以上权限的使用者可以调整实时趋势和历史趋势所反映的模拟量点，适应远程监控的各种需求，如图5d）所示。 　　5） 报警模块。该模块为使用者提供矿热炉评价指标和电极参数的报警功能，通过警告灯颜色变化来实现报警，并能随时查询报警记录，还可以通过E?mail和短信发送报警信息。拥有工程师以上权限的使用者可以调整评价指标、电极参数的报警值与优先级，如图5e）所示。
　　6） 报表发送模块。该模块为使用者提供报表的设置和发送功能，分为值班报表、日报表和月报表，为管理人员提供详细的矿热炉评价指标和电极参数的报表，作为调整矿热炉运营模式的依据。有工程师以上权限的使用者可以修改值班报表的记录时间和各类报表的具体内容，如图5f）所示。
　　3.2  电脑、手机APP客户端的设计与实现
　　本设计将WebAccess的工程节点和监控节点设置在一台PC机上，以此作为服务器，组建WebAccess网络构架的远程控制系统，最终在同一局域网内实现无限电脑、手机客户端接入[6?7]。并且通过WebAccess的备份、恢复功能，可快速实现工程节点、监控节点的移动和服务器PC机的替换。
　　本设计根据上层监控系统的功能模块，结合近年来WebAccess中新增的Dashboard阅览器，对矿热炉远程监控系统的电脑客户端、手机APP客户端进行深入开发和实现。对于电脑客户端，提供WebAccess监控界面（见图5）和Dashboard阅览器监控界面的双重选择，适应不同使用者的需要，如图6a）所示。对于手机APP客户端，使用Dashboard阅览器开发上层监控系统的各类功能模块，适应各等级使用者的实际工作条件[8?9]，增加矿热炉远程监控系统的使用人群，提高监控系统的实用性，如图6b）所示。
　　4  系统功能调试
　　考虑到矿热炉的实际工作环境，本文使用信号发生器生成电极电压、电极电流等信号的仿真信号[10]，并使用Modsim 32软件补充三相电极的部分信号，如图7所示，从而实现对矿热炉运行过程的全面仿真[11]，测试基于WebAccess的矿热炉远程监控系统的实际性能。
　　使用信号发生器和Modsim 32产生的仿真信号对矿热炉远程系统的电脑客户端、手机APP客户端进行测试，实际测试结果如图8所示。实际结果证明，基于WebAccess的矿热炉远程监控系统能够较好地实现对矿热炉的实时监控，可以广泛适用于各类使用者，具有较好的实际应用前景。
　　5  结  论
　　本文针对矿热炉设备安全生产和节能减排的实际需求，设计了一种基于WebAccess的礦热炉远程监控系统。本文通过ADAM系列模块、罗氏线圈、编码器、电极电压采集器等设备，结合电极参数算法设计，构建现场底层三相电极测量系统，对矿热炉主要电极参数进行测量，并利用Modbus协议与WebAccess进行通信。在此基础上，本文通过WebAccess建立上层监控系统，分析和综合三相参数，实现分级登录模块、首页模块、参数监控模块、报警模块、趋势查询模块、报表发送模块等六大功能模块，并结合Dashboard阅览器，完成电脑、手机APP客户端的设计与开发，广泛适应不同类别使用者的远程监控需求，该系统与传统监控系统相比，在客户端数量、分布式控制、远程维护、功能种类等方面有着明显优势，具有较好的发展潜力和应用前景。
　　注：本文通讯作者为周潼。
　　参考文献
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