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无线数据通信技术在宝钢一炼钢行车的应用

jhlu3  发表于 2009/7/6 16:27:38      1063 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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1  前言
    行车对于宝钢炼钢厂组织生产起着至关重要的作用。从炼铁厂运来的铁水经过脱硫预处理、铁水称量后倒入转炉,再加上废钢,经过转炉的吹炼就成为钢水。钢水根据不同的要求需要进行炉外精炼,如RH处理、LF炉处理、KIP/CAS处理等。经过炉外精炼后的钢水,再运送到各浇铸跨进行模注浇钢,或者送到连铸平台进行连铸浇钢,连铸板坯经过精整后,再送到板坯库场。这就是一炼钢的生产工艺流程,如图1所示。  
   钢水从转炉到炉外精炼,再到浇钢,最后到板坯库场,在这过程中,一共有10多处工位点,钢水在这10多处工位点之间的运行,都由行车来承担,这样的行车在一炼钢共有7台,以满足炼钢厂的生产物流需要。在一炼钢,每天大约要生产75炉钢水,对于每一炉钢水,都需要经过这7辆行车来吊运。由此可见,行车在如此高产量的生产过程中所起的作用是不言而喻的,同时也可以看出这7辆行车的工作任务十分繁重,在如此快节奏的生产过程中,若想对其进行人工调度,显然是不现实的,而且人工调度很容易出错。既然不能对行车进行人工调度,那么就要对其实现自动控制,而每一炉钢水需要作哪种工艺处理,需要运行到哪个工位点,是由炼钢厂调度安排的,这些计划信息都存放在过程控制计算机中,要想对行车实现自动控制,让行车操作工通过操作显示盘知道每炉钢水该运到哪个工位点,以及如何将空包重量和钢水重量送给过程控制计算机等等,这就要求过程控制计算机与行车之间建立一种通信联系来实现。但是行车与过程控制计算机相隔甚远,加上行车一直在来回开动,因此在它们之间若想通过有线电缆来传送信号显然是不可取的,所以在行车与过程控制计算机之间需要建立一种无线数据通信联系,以实现对行车的自动控制。  
2   方案设计
    为了满足对行车进行自动控制的要求,我们设计了以下方案。考虑到炼钢厂生产环境十分恶劣,生产工艺复杂,工位点多、面广,因此该方案中的无线数据通信系统一定要运行稳定、安全可靠、抗干扰能力强。此外,为保证信息畅通,该系统所包含的设备要尽量少,应该最大限度地减少中间设备,确保信息正常、安全、可靠地传送。
    另外,在一炼钢区域的7台行车中,由于生产工艺的原因,其中4台行车与转炉过程控制计算机有通信联系,3台行车与精整过程控制计算机有通信联系,因此我们把无线数据通信系统分为两个子系统。两个子系统工作原理相同,唯一有区别的地方是:转炉区域的无线数据通信系统中有4个子站,而精整区域的无线数据通信系统中有3个子站。同时,转炉计算机和精整计算机又通过以太网连在一起,这样使得所有信息都保持连通性。该系统的组成框图如图2所示。  

  该方案的工作原理是这样的:当系统上电后,主站与子站之间就建立了无线通信联系。仪表侧的操作显示盘通过串行口与子站相连,主站也是通过串行口与工控机相连,工控机再通过以太网与计算机相连。当仪表侧的操作显示盘上有信息要传给计算机时,它先把数据通过串行接口传给子站,子站通过天线以无线方式把数据传给主站,主站收到信息经过处理后,通过串行接口把数据传送给工控机,工控机将收到的信息进行翻译、处理,变成另一种电文格式,通过网络传给计算机;反之,也一样。在这个系统中的工控机其实就是1台Gateway,它的作用就是把两个具有不同通信协议的设备连接起来。  
3  方案实施
    为满足以上的设计方案,就需要建立一个安全、快速、灵活、可控的无线数据通信系统。ABB公司的无线数据通信系统就是为此目的而开发出来的先进的无线数据通信系统。
    ABB公司的这套无线数据通信系统中最关键的设备是主站和子站,其性能的优劣关系到整个系统是否能正常、稳定运行。而主站和子站从设备的角度看完全是一样的,只要通过专门程序对其进行参数设置和修改,就可以实现不同的功能,即该设备既可以作为主站使用,也可作为子站使用。可见,该设备的通用性十分强。
    3.1 系统配置
    ABB公司的这套无线数据通信系统分为两个子系统,即转炉区域的无线数据通信系统和精整区域的无线数据通信系统。每个子系统都由主站、子站、工控机和操作显示盘组成。在转炉区域的无线数据通信系统中,主站和工控机安装在一炼钢机房,4个子站分别安装在相应行车的电气室,4个操作显示盘则安装在行车的驾驶室;在精整区域的无线数据通信系统中,主站和工控机安装在一连铸机房,3个子站分别安装在相应行车的电气室,3个操作显示盘则安装在行车的驾驶室。
在转炉区域中,主站和子站的通信频率是223.3MHz,在精整区域中,主站和子站的通信频率是228.05MHz.这两个频点都经过上海无线电管理委员会批准同意。主站与子站的系统平台采用Windows95,应用程序的开发采用C  语言。
    工控机采用研华MIC2000系列,主要配置包括CPU板、硬盘卡、软驱卡、网卡。除此之外,还包括键盘、鼠标、CRT等。工控机的系统平台采用Windows95中文版;应用开发平台采用Visual Basic5.0中文企业版。
    操作显示盘主要是根据现场所需的信息而设计的,因此两个区域的操作显示盘所表示的内容不一样,这主要与生产工艺有关。行车操作工通过操作显示盘的操作,就可以十分方便地获得相关信息,实现了人机对话。
    3.2 通信接口
    各通信接口的规格包括接口类型、通信协议和传送代码等,如附表所示。  
4  应用的技术
    4.1抗干扰技术
    和其它无线数据通信系统一样,ABB公司的这套无线数据通信系统同样也存在着信号干扰的问题,这使得该系统的误码率增大。该系统的干扰主要有两个方面1)各子站设备间的干扰。由于各子站与主站的通信频率是相同的,而各子站间相隔的距离又不太远,此时系统要产生同频干扰。(2)差拍干扰。由于主站到各子站的距离各不相同,使子站收到的载频信号之间产生相位差,从而在子站中产生差拍干扰。
    针对以上两种干扰,我们主要采取两种方法1)主站采用顺序发送信号的方式,使得在任何时刻只能有1台子站接收到主站的信号,同时使信号的信噪比在17dB以上;(2)主站采用延时补偿技术,把主站调制信号间的延时差限制在1/4个比特周期内,此时子站即可得到满意的接收率。
由于采用了以上两种方法,提高了系统的抗干扰能力,大大降低了系统的误码率,一般情况下误码率≤10-6。
    4.2 反馈纠错技术
    反馈纠错技术又称检错重发技术,主要使用自动要求重发(Automatic Repeat Request)方法,简称ARQ方法。该方法的工作原理是:接收端在接收到信息后,马上将接收到的信息回送给发送端;发送端将接收到的信息与刚才发出的信息进行有无错误的判别,若正确,则通知接收端刚才所发的信息正确;若有错,则重新给接收端发信息,直至校验无误。由于采用了反馈纠错技术,因此该无线数据通信系统的信息正确率非常高。
    4.3 集群定时呼叫技术  
    主站与子站的通信采用集群定时呼叫方式(group polling),即主站按时间顺序分别与每个子站进行通信,两者之间采用半双工的工作方式。集群系统是一种高级无线调度系统,其全部可用信道可以被全体用户共用,并且具有自动选取信道的功能。它在中央控制器的控制下,将有限的无线信道自动地、动态地、最优地分配给系统内的全部用户使用,具有共享资源、共享信道设备和共享覆盖区的特点。
    4.4 “GMSK”调制方式
    “GMSK”是Gaussian Filtered Minimum Shift Keying的简称,它的中文全称是高斯滤波最小移频键控。GMSK是一种具有高抗干扰性能的窄带数字调制技术。它的基本方法是:数据信号首先经过高斯低通滤波器整形成脉冲,脉冲再经过FM调制,最后再输出信号。由于高斯低通滤波器具有带宽窄、冲击响应过程小和滤波器输出脉冲为一常量等特点,所以经过高斯低通滤波器整形成的脉冲包络无陡峭边沿,也没有拐点,因此再经过FM调制后的频率相位路径就显得比较平滑,输出的信号具有误码率低、解调效率高、带外辐射较小、传送的波特率高等特点,适用于带宽为25KHz的窄带无线数据通信系统。  
5  结束语
    行车无线数据通信系统自1999年7月投入使用至今已有4年了,目前该设备运行正常,未发生过大的故障。由于该系统的误码率为≤10-6 ,因此数据传送的准确率明显提高,系统运行稳定、可靠,为炼钢厂的顺产、稳产提供保障,深受炼钢厂的好评。
    此外,无线数据通信技术具有较为广泛的推广性和实用性。该技术在炼钢厂的成功应用,为宝钢其他部门的应用提供了依据。其他部门若想实现远程设备之间的通信,可以根据自己的实际情况,在参考炼钢厂的行车无线数据通信技术的基础上,开发适合本单位使用的无线数据通信技术。
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