（控制科学与工程专业论文）炼焦生产过程无线网络控制系统设计及应用研究.pdf

摘要 焦炭是钢铁冶炼的主要能源，提高焦炭质量和产量对钢铁冶金具 有重大的意义。然而炼焦生产工艺复杂，生产环境恶劣，这使得我国 炼焦生产自动化水平不高，一系列自动化技术难以实现。由于无线通 信技术具有组网灵活，安装、维护与使用方便的优点，且能提供高带 宽的无线数据链路和进行数据传输。因此，将无线通信技术应用于炼 焦生产过程已经引起了工业界和学术界的广泛关注。 本文针对我国某钢铁企业焦化厂综合生产管理系统可靠性低，焦 炉作业系统自动化水平不高等问题，提出一种炼焦生产过程无线网络 控制系统设计方法，开发炼焦生产过程无线网络控制系统试验平台。 本文进行的主要工作在以下几个方面。 ( 1 ) 通过对系统的功能需求分析，提出系统的基本实现方案，设 计系统的网络结构和数据流程，在此基础上确定系统选用的无线数传 模块； ( 2 ) 基于异步时分复用的思想，提出将点对多点的星型系统转换 为若干个点对点通信的方法，设计系统的通信协议，主站和从站软件 控制流程以及主站轮询方法； ( 3 ) 提出在主站建立本地o p c n 务器的思想，开发基于k e p w a r e 的o r c n 务器k e p w a r e k e p s e r v e r e x v 4 ，通过利用o p cc l i e n t ：t 每无线 数传模块接收的数据写入k e p w a r e k e p s e r v e r e x v 4 中； ( 4 ) 开发试验平台，利用v c + + 6 0 开发串v i 通信程序、o p cc l i e n t 程序以及异步时分复用通信控制程序。 通过对试验平台进行点对多点数据传输的试验和误码率分析，运 行结果表明本系统能够实现点对多点的无线通信，建立的系统稳定可 靠，且误码率较低。 关键词：无线网络；o p c ：炼焦生产 a b s t r a c t c o k ei st h em a j o rs o u r c eo fe n e r g yi ns t e e ls m e l t i n g ，a n di m p r o v i n g t h eq u a l i t ya n dy i e l do fc o k eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rs t e e lm e t a l l u r g y h o w e v e r , c o k ep r o d u c t i o np r o c e s si sc o m p l i c a t e da n dt h ep r o d u c t i o n e n v i r o n m e n ti sv e r yb a d w h i c h1 e a d st h a tt h ea u t o m a t i o nl e v e lo fc o k e p r o d u c t i o ni nc h i n ai sn o th i g ha n das e r i e so fa u t o m a t i o n sa r eh a r dt o a c h i e v e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c h c a n p r o v i d e h i g h b a n d w i d t hw i r e l e s sd a t al i n ka n dd a t at r a n s m i s s i o ni s af l e x i b l e n e t w o r ka n de a s yt o i n s t a l l i n g ，m a i n t a i n i n ga n du s i n g b a s e do nt h e f e a t u r e st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi su s e dt ot h e p r o c e s so fc o k ep r o d u c t i o nh a sa r o u s e dw i d e s p r e a da t t e n t i o ni ni n d u s t r i a l a n da c a d e m i c i no r d e rt oh a n d l et h ep r o b l e mt h a tl o wl e v e lo fa u t o m a t i o n i n c o m p l e t e i n f o r m a t i o na n dl o wr e l i a b i l i t yi ns t e e l e n t e r p r i s ec o k e p r o d u c t i o np r o c e s s ，t h i sp a p e rd e s i g n saw i r e l e s sn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m f o rc o k ep r o d u c t i o np r o c e s s a l s oaw i r e l e s se x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s d e v e l o p e d t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri sc a r r i e do u ta sf o l l o w ( 1 ) a f t e ra n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fs y s t e m ，t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dt h eb a s i cr e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a ma n dd e s i g n st h es y s t e m n e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dd a t af l o w b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g nt h e w i r e l e s sm o d u l eu s e di nt h i ss y s t e mi sd e t e r m i n e d ( 2 ) b a s e do nt h ei d e ao fa s y n c h r o n o u st i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， t h e p o i n t t o - m u l t i p o i n t s t a r s y s t e m i sc o n v e r t e dt oan u m b e ro f p o i n t - t o p o i n ts y s t e m s a l s o ，t h es y s t e mc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ， s o f t w a r ec o n t r o lf l o wf o rb o t hh o s t s t a t i o na n ds u b s t a t i o na n dp o l l i n g a c c e s sm e c h a n i s mo fh o s t s t a t i o ni sd e s i g n e d ( 3 ) t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ei d e ao fb u i l d i n gal o c a lo p cs e r v e r o nh o s t s t a t i o na n d d e v e l o p s k e p w a r e k e p s e r v e r e x v 4b a s e do n k e p w a r eo p cs e r v e r t h ed a t ao fw i r e l e s sm o d u l ei ss e n tt ol o c a lo p c s e r v e rb vo p cc l i e n t ( 4 ) aw i r e l e s se x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r i n t h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，o p cc l i e n t a n da s y n c h r o n o u st i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k ；o p c ；c o k ep r o d u c t i o n 1 1 1 itll = 基吼毗研酣 暑衙耵 啦s 巾ew 肌玲 y o m 幽蛔1 蓍 a h k h 岫毗一 g 鹏p 柏 溅咖觚耐 吾甜m k 仃m 毗兆 n d c n呻眦洫咖 哳胁啊 n a 强e删幽町k o l 订1 墩m 的 胁呲胁m 蚕一湖灿 汀 钟k 蚕计陴非蕃 卧冲埘 眦 n e w m 2l砒珂伽黜i 汕 眦蹦烈“b一挑毗蛐 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：遍虹码期q 叫且j 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 醐叶“肚日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 焦炭是工业生产的主要能源，广泛应用于国民生产的冶金、机械、化工等行 业，为我国经济和社会的发展提供重要的物质基础。近年来，随着高炉冶炼技术 快速发展和钢铁冶金生产规模的不断扩展，焦炭的需求和产能急剧增加，同时对 焦炭的质量和生产技术提出了更高的要求。不断提高炼焦生产水平、推进相应先 进控制技术与系统的应用研究对提高焦炭质量和产量、降低炼焦煤气能耗、保证 焦炉的稳定运行具有重要的意义。 随着炼焦生产过程工业化、信息化的逐步扩展深入，从炼焦生产过程的实际 出发，结合新兴的无线通信技术，研究炼焦生产过程无线网络控制方法与控制系 统试验平台成为一个重要的新的课题。本文针对某钢铁企业炼焦生产过程现有生 产信息管理系统信息获取不全面、可靠性低，焦炉机械车辆作业系统数据偏移严 重、成本高、易受环境干扰、维护困难等实际情况，研发一种炼焦生产过程无线 网络控制系统，在此基础上搭建无线网络控制系统试验平台，以便于炼焦生产过 程控制领域的科研与创新，从而提高企业的生产力和竞争力。本章简要介绍课题 研究背景与国内外研究现状，并提出课题研究目标。 1 1 研究背景与意义 近年来我国焦炭产量巨大，炼焦生产发展非常迅速。我国焦炭的产量占世界 焦炭总产量的1 1 3 2 5 ，焦炭的出口量占世界焦炭总出口量的5 6 左右。据有关部 门数据显汞1 】：2 0 0 6 年全国有4 0 0 0 多万吨新焦炉产能建成，其中新增加炼焦生产 能力2 0 6 0 万吨；2 0 0 7 和2 0 0 8 年，国内拟建、待落实的焦炉还有约6 0 座，总计产能 为3 9 7 0 万吨。 炼焦生产是一个复杂的工业过程，其工艺涉及到多个过程，主要有：焦炉加 热燃烧过程、焦炉煤气集气过程、配煤过程、推焦一拦焦一熄焦一装煤过程等。 虽然炼焦生产的规模不断扩大，焦炭产能大大增长，但是在质量、效益、环 保方面同国家的要求存在很大差距。钢铁企业为了提高其竞争力，在焦炭质量满 足要求的前提下，要求实现焦炭产量增加，焦炉能耗降低，同时保证焦炉的稳顺 运行。因此，提高焦炭的质量与产量、降低炼焦煤气能耗、保证焦炉的稳顺运行 对钢铁生产具有重要的意义【4 】。 由于焦炉炉体结构复杂，操作环境恶劣，检测手段少，相比其它工业窑炉， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 焦炉的控制较难实施。大型焦炉的计算机控制一直是钢铁企业的难点技术之一。 随着企业自动化水平的提高，大多数焦化厂已经建立了一些基本的控制系统【2 ，3 1 ， 如焦炉加热燃烧控制系统，焦炉集气管压力控制系统，配煤系统，焦炉作业计划 与优化调度系统等等，这些系统的建立为炼焦企业取得了一定的经济效益。 虽然我国很多焦化厂都已经建立了一些基本的控制系统，但是很多焦化厂的 炼焦生产信息管理系统仍然存在生产信息获取不全面、系统可靠性低，许多焦炉 机械车辆系统仍然停留在人工吹哨、人工喊话、人工挥旗的落后阶段，少数基于 感应无线的焦炉机械车辆作业系统存在成本高、数据偏移严重、易受环境干扰、 维护困难等问题，这些使得焦炉机械车辆( 推焦车、拦焦车、熄焦车和装煤车) 相互之间不能自主通信，推焦动作不连锁，生产全过程管理及计算机集中联控等 一系列自动化技术难以实现，产生这种结果的重要原因则是由于焦化厂环境恶 劣，存在高温、多尘、腐蚀性气体、电气干扰以及车辆的频繁移动和工艺上要求 的精准定位等等。然而，焦炉机械车辆是炼焦生产过程的重要设备，实现焦炉机 械车辆之间的相互通信和自动运行调度对提高炼焦生产系统的自动化水平，实现 生产全过程管理及计算机集中联控等一系列自动化具有重大的意义。 目前，对提高炼焦生产自动化水平具有明显效果的工业控制网络技术为现场 现场总线技术【1 1 。近2 0 年来，欧洲、北美的一些公司推出了几十种控制网络， 其中有一些已被列入国际标准，女1 1 f f ( f o u n d a t i o nf i e l db u s ) 【l2 1 4 1 、l o n w o r k s 、 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、工业以太 网( i n d u s t r i a le t h e r n e t ) 等。但是这些标准几乎都是采用有线作为传输介质，例 如双绞线、同轴电缆、光纤等。这些工业控制技术带来了地表、墙体布线，网络 线路维护等些列难题，在一些信息需要突发性、临时性处理和信息交换设备需 要较大范围移动的场合，更是带来了应用上的一些困难。 炼焦生产环境温度高，腐蚀性气体严重，容易造成线缆的老化，强电磁环境 也对有线信号造成很大的电磁干扰，特别是焦炉机械车辆的频繁移动很大范围内 限制了有线工业控制网络技术在焦炉机械车辆自动运行中的应用。然而，随着无 线通信技术的不断发展、成熟和标准化以及工业级无线通信产品的诞生 1 5 - q 9 】，无 线通信技术以低成本，低功耗，组网灵活，安装、维护与使用方便优点则可以很 好地克服这些恶劣生产因素所带来的不利影响。因此，将无线通信技术应用于炼 焦生产过程，为提高炼焦生产信息管理系统的可靠性和实现焦炉机械车辆自动运 行提供一种新的解决方案，已经引起了工业晃和学术界的广泛关注。 虽然无线网络可以解决可移动监控的问题，然而由于自动控制系统对数据的 实时性和有效性具有很高的要求，系统的稳定性、可靠性及单位时间数据传输流 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 量的限制使得无线通信技术应用于工业过程控制还需要专门的开发研究，且针对 不同应用类型和要求的环境，需要区分选用合适的无线通信技术，需要设计全新 的网络结构、数据流程及网络通信体系 2 0 - - 2 2 1 。 将无线通信技术应用于网络控制系统，可以使得网络控制系统延伸至光缆或 电缆敷设不便的地理环境，还适用于对控制网络中的节点有移动性要求的场合。 同时也可以作为有线网络控制系统的备份、补充和重要发展。随着中、短无线通 信技术的日趋成熟和标准化( 如哪，无线局域网，z i g b e e ，蓝牙，w i r e l e s s h a r t ，u w b 等等) ，无线网络在工业过程监控，现场实时故障诊断中的大范围 应用也正成为可能。特别是近几年迅速崛起的中、短程无线通信技术 1 9 2 1 】正在逐 步进入工业过程控制领域，因为利用中、短程无线通信技术可以实现低价位、低 功耗、可替代线缆的无线数据和语音链路，可在一定有效范围内实现数据传输的 解决方案。因此，无线网络控制系统就是在这种背景条件下迅速发展起来的新的 网络控制技术。 无线网络控制系统也是自动控制领域的网络技术，是计算机网络、无线通信 与自动控制技术相结合的产物。它是由传感器、控制器、执行器、被控对象等单 元通过无线网络所形成的闭环反馈控制系统【2 9 1 。它能够在工厂环境下，为各种 智能现场设备、移动机器入以及各种自动化设备之间的通信提供高速的无线数据 链路和灵活的网络拓扑结构【2 m 吼。在一些特殊环境下有效地弥补有线网络的不 足，进一步完善工业控制网络的通信性能。总之，在工业过程控制中应用无线通 信技术具有以下主要优势。 ( 1 ) 网络无须人的参与，自动建立链接并进行数据通信，对于一些禁止使用 电缆的工业环境，或者很难使用电缆来传送数据的场合，可以通过使用无线通信 技术来迅速组建现场设备控制网络。如焦炉机械车辆系统的工作环境温度高，焦 炉炉体产生的腐蚀性气体多而严重，恶劣的炼焦生产环境使得有线控制系统不适 合应用于炼焦生产过程中，因此将无线通信技术应用于炼焦生产过程可以建立炼 焦生产过程无线网络控制系统； ( 2 ) 现场设备无需电缆即可与控制网络相连，组网灵活、方便，同时又增加 了现场设备的可移动性、网络结构的灵活性及现场应用的多样性，特别适合频繁 移动的焦炉机械车辆作业系统； ( 3 ) 在工业控制系统中引入无线通信技术，可设计全新的无线工业控制网络 通信体系和无线与有线混合的混杂工业控制网络通信体系【3 5 6 1 ，从而促进传统 控制网络的升级换代； 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 利用无线通信技术组建的无线控制网络是对有线控制网络的逻辑扩展 和延伸，便于与原有自动化控制系统的整合与集成，可以充分利用原有资源、减 少浪费、降低成本。将无线通信技术应用于炼焦生产过程，可以实现炼焦生产过 程无线网络控制系统与现有有线控制系统的无缝连接和切换； ( 5 ) 安装、维护与使用都很方便，设备无需布线便可用于现有工业环境，从 而大大减少了系统的设备投资、工程费用和维护成本。 综上所述，可以得到如下结论。 ( 1 ) 无线通信技术进入工业控制领域的趋势无可置疑。有人估计再过几年时 间，大多数仪表和自动化产品都将被嵌入无线传输的功能。由于无线传输现场仪 表的优点一定体现在使用电池长期供电上，所以一般来说无线传输不适用于高速 控制的场合。但是，实践证明对于大多数监控和慢速控制场合，无线传输是足够 可靠的，也就是说可以用在将近8 0 的自动化和过程控制场合； ( 2 ) 用于工业控制领域的无线通信技术主要集中在中、短程无线通信技术。 这些技术已经具有相当牢固和成熟的技术基础，但是为了适应工业控制的要求， 还需要专门进行开发研究； ( 3 ) 对于不同应用类型和不同要求的工业生产环境，需要区分对待和选用适 合的无线通信技术； ( 4 ) 应该把无线通信系统看成是现有有线通信系统的一种发展和重要补充， 决非一种替代。有线与无线相结合的混杂通信网络是自动控制中通信技术的发展 潮流。 尽管无线通信技术应用于炼焦生产过程具有非常明显的优势，但是无线介质 不像有线介质那样处于一种受保护的传输环境之中。在传输过程中，无线介质常 常会衰变、中断、发生各种各样的缺陷和生产安全问题等等。目前，针对无线网 络控制系统的研究大多数停留在理论研究和仿真实验阶段，而对实际的应用研究 则相对比较少，因此构建炼焦生产过程无线网络控制系统试验平台，寻找满足工 业过程控制实时性和可靠性要求的解决方法，对深入研究无线网络控制系统具有 重大的实践意义和理论意义。而且将无线通信技术应用于炼焦生产过程作为信息 领域的一个全新的方向，同时也是新兴学科与传统学科学术交叉的结果，已经引 起了学术界和工业界的广泛关注。目前，无线通信技术不仅是炼焦生产自动化领 域一个新兴的热点，也是未来几年工业自动化产品新的增长点，并且将为我国工 业自动化产业提供一个跨越式发展的机遇。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 将无线通信技术应用于工业控制作为信息领域的一个全新的方向，已经引起 了学术界和工业界的广泛关注。目前，国内外许多科研院校和企业都设立了很多 与无线通信技术相关的科研项目和研究机构。这些项目主要用于研究和制定工业 无线技术的标准以及进行一些应用研究。本节首先针对国内外对工业无线网络控 制系统的研究现状进行详细的说明。然后阐述国内外对将无线通信技术应用于炼 焦生产过程的研究现状，并分析应用这些无线通信技术存在的缺点和不足和本文 将使用的无线通信技术的优势。 1 2 1 工业无线网络控制研究现状 通过对有关工业无线网络控制文章进行研读和消化后可以发现，国内外对工 业无线网络控制的研究可以分为理论研究、制定标准和实际应用产品开发等几个 方向。 ( 1 ) 理论研究 文献 3 0 介绍了美国能源部( d o e ) 2 0 0 2 年发布的“i n d u s t r i a lw i r e l e s s t e c h n o l o g yf o rt h e2 1 也c e n t u r y 白皮书中首次提出了工业无线技术的概念。它认 为工业无线技术是新兴的面向设备间信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工 业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，是 一类特殊的传感器网络。 文献 3 0 介绍t h o n e y w e l l 实验室在2 0 0 3 年9 b 启动了“可提高工业效率的无 线和感知 项目，该项目重点研究面向工业现场的可靠无线技术，详细比较了跳 频扩频技术( f h s s ) 和直接序列扩频技术( d s s s ) 在工业现场环境下的性能， 提出了一种鲁棒的网络结构。文献 3 9 介绍了美国d u s tn e t w o r k s 公司开发了无线 短程网介质接入访问控制协议( m a c ) 和网络层协议( t s m ) ，t s m p 就是一种 专为低功耗、低带宽、可靠联网而设计的介质存取层和网络层协议。 文献 2 3 1 2 0 0 4 年由美国能源部发起，g e 、h o n e y w e l l 、r a e 等7 0 多家大公司 参与成立了无线工业控制网络联盟( w i n a ) ，该联盟专门讨论无线技术在工业 控制领域应用的技术难题。同年，美国工业技术计划在“传感器和自动化 方向 上设立- 4 个重点项目。在这些项目的支持下，工业自动化领域一些大的公司开 展了以测控系统应用为牵动的工业无线技术共性关键问题的研究。 文献 3 2 】介绍了2 0 0 4 年e a t o n 公司启动了“基于无线传感器网络的工厂高级能 源管理 项目。该项目致力于构建一个低成本的无线网络，以完成信息的快速采 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 集、监视和诊断。截至目前，该项目己完成了市场需求的调研，搭建了小规模网 络模型，进行了网络性能测试实验以及高级能源管理系统的互操作实验。 文献 3 0 介绍了g e 全球研究中心也在2 0 0 4 年启动了“分布式无线多传感器技 术 项目，与e a t o n 公司重点面向网络结构的研究不同，该项目主要研究工业现 场环境对无线网络的影响。目前该项目已完成了典型工业环境下无线信道特征数 据的收集与分析，系统仿真工具设计，并在核电厂和化工厂完成了现场实验。 文献 3 3 】介绍- 2 0 0 7 年7 月中国国家高技术发展计划( 8 6 3 计划) 在先进制造 技术领域提出重点支持“工业无线技术及网络化测控系统研究与开发 项目。 该项目的主要任务就是：重点研究无线技术在工业测控应用中抗干扰、实时通信、 低功耗运行等共性技术问题，建立工业无线技术体系结构，开发出满足工业无线 测控要求的系统。 ( 2 ) 无线标准 文献【3 4 】介绍了1 9 7 1 年夏威夷大学研究员们创建了第一个基于封包式的无 线电通信网络。这个被称为a l o h n e t 的网络，可以说是最早的无线局域网。2 0 世纪8 0 年代，无线局域网设备开始兴起。根据无线局域网的特点，i e e e 委员会 在9 0 年代初开始研究制定其标准，确立了i e e e 8 0 2 1 l 标准，它是无线局域网目前 最常用的传输协议。此后，无线局域网不断采用新的技术和标准，并得到了广泛 的应用。于是比较成熟的无线局域网被应用于工业控制系统，工业无线网络控制 系统开始蓬勃发展。 文献 2 4 介绍了2 0 0 4 年1 2 月美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标 准s p l 0 0 委员会，启动了工业无线技术的标准化进程，至1 j 2 0 0 7 年1 月，s p l 0 0 委员 会已发展为包括1 2 个工作组，世界范围内2 0 0 多家公司和科研机构参与其中，并 在2 0 0 7 年9 月发布了自动化和控制环境下实现无线系统的标准i s as p l 0 0 。该标准 包括两部分s p l 0 0 1 1 年i s p l 0 0 1 4 ，其中s p l 0 0 1 1 主要用于低功率无线传感器设备 之间的通信，s p l 0 0 1 4 贝, l j 主要用于高宽带无线基础设备和骨干网之间的通信。 文献 3l 】介绍了h a r t 基金会在2 0 0 7 年6 月公布了h a r t7 0 规范，其中包括了 w i r e l e s sh a r t 规范部分。w i r e l e s sh a r t 是基于i e e e8 0 2 1 5 4 ，可在全球应用的 2 4 g h z 频带，具有跳频、m e s h 网络拓扑鲁棒性和信息安全的低功耗无线通信规 范。它旨在为工业生产过程的测量和控制提供有足够确定性、可互操作性的无线 通信标准。 ( 3 ) 无线产品 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 文献【3 0 】介绍了重庆邮电大学与中国四联集团公司合作开发了基于 i e e e 8 0 2 1 1 b 、z i g b e e 、蓝牙三种无线通信技术的温度变送器、阀门定位器、电 磁流量计等现场设备以及相应的无线操表器，组成了基于i e e e 8 0 2 1 l b 、z i g b e e 、 蓝牙三种无线通信技术的无线测控试验系统。在此基础上，2 0 0 6 年1 0 月重庆邮电 大学向s p l 0 0 标准委员会提交了技术白皮书。 文献【3 7 】介绍了德国s c h i l dk n e c h t 公司推出的无线p r o f i b u s d p 产品d e 3 0 0 0 系 列，该系列的产品可在主站与多个从站之间建立无线链接，其中使用的载波频率 为2 4 g h z ，数据包的大小设置为1 8 7 5 k b ，无线通信协议分别是：i e e e 8 0 2 1 1 b ， i e e e 8 0 2 1 1 ，正e e 8 0 2 1 5 1 。 文献【3 8 】介绍了o m r o n 推出无线链接d e v i c e n e t 现场总线主站w d 3 0 一和 从站w d 3 0 s e ，组成的d e v i c e n e t 现场总线系统最多可支持d i d o 各1 6 0 0 点的通 信，已成功应用于丰田汽车装配线的控制系统中。 文献 4 0 】介绍 2 0 0 4 年h o n e y w e l l 公司也推出基于z i g b e e 无线传输协议的无 线变送器x y r 5 0 0 0 系列，该系列的无线变送器可精确检测仪表的相对压力、绝 对压力、温度，还为具有4 2 0 m a 接口的各种传感器提供了无线输出的转换接口。 可以预见，随着无线通信技术的不断发展、成熟及广泛的应用，工业无线网 络控制系统虽然不能取代有线网络控制系统，却可以作为对有线网络控制系统的 一种有益补充。根据i s a 预计至2 0 1 0 年大多数仪器仪表和自动化产品将嵌入标准 的无线通信技术。 1 2 2 无线网络在炼焦生产中的应用 焦炉机械车辆是焦炉生产的重要工艺设备，焦炉生产环境恶劣、生产率低下、 操作质量落后。如何将处于炉顶温度高、有害气体及粉尘多、劳动强度大的操作 工人解放出来，提高劳动生产率、降低生产成本、保证安全生产是焦化行业一直 亟待解决的技术难题。随着国内外机械设备制造质量的逐步提高和自动化技术的 飞速发展，西欧、日本等国家先后对将无线技术应用于焦炉综合生产管理和焦炉 机械车辆自动生产控制进行了大量的研究和开发，其中机车自动定位和行走技术 是实现焦炉综合生产管理和焦炉机车无人驾驶的关键。目前，德国、芬兰、法国、 日本及中国的多座焦炉都实现了自动定位。近几年来，随着无线数据传输技术、 计算机技术、安全保障技术的进一步发展，焦炉机械车辆的无人化管理是已经被 提上日程的攻关课题。 目前，国内外有关将无线技术应用于焦炉机械车辆自动运行调度系统和炼焦 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 生产信息管理计算机系统研究的论文相对较多，通过对这些文章进行研读和消化 后可以发现，国内外对这领域的相关研究主要集中在焦炉机械车辆的焦车连锁和 炉号识别等方面。 炉号识别的实现有干簧管，感应无线，射频，编码器等方式。 ( 1 ) 干簧管方式【4 。焦炉机侧每孔炉室设有一个干簧管，焦车外壁设有一个 能吸合干簧管的电磁铁。当焦车与干簧管接近时，电磁铁使干簧管导通，从而检 测出焦车所在炉室的炉号。杭州钢铁厂应用这种方法识别炉号； ( 2 ) 感应无线方式【4 2 ，4 3 1 。感应无线识别炉号装置由与焦车轨道平行的感应用 扁平电缆和安装在焦车上的无线圈组成。当发出交变电流的天线圈与扁平电缆不 同的位置接近时，扁平电缆输出不同的编码，可以得知天线圈相对于扁平电缆的 位置，即可识别出焦车所在炉室的炉号。很多日本的焦化厂采用这种识别方式； ( 3 ) 射频识别方式【州。由埋设于轨道旁的电子标签和装置与焦车上的标签读 写器组成。当读写器与电子标签接近时给电子标签中的电容充电。电子标签利用 电容蓄积的电能与读写器进行无线通信，告知自己的i d 号，而各个电子标签的i d 号是互斥的，这样就可以区分出不同的电子标签，即识别出炉号。这是一种新方 法，很多文章中都进行了理论探讨，实践中未见应用； ( 4 ) 编码器识别方式【4 5 】。装置旋转编码器与焦车车轮，通过对旋转编码器的 输出信号进行处理得出焦车所在炉室的炉号。 焦车连锁控制的实现有y 射线，电力载波，无线数字通信等方式。 ( 1 ) y 射线方式【矧。印度钢铁公司管理局杜加普尔钢铁厂的l 号焦炉炉组采用 了y 射线连锁系统。在推焦车上装了一个，射线源，在拦焦车和装煤车上分别灵 敏度高的闪烁检测器。当三车在同一直线上时，检测器将检测到，射线信号，实 现三车连锁功能； ( 2 ) 电力载波m 。三车连锁功能的实现实际上就是要实现三车之间位置信息 的沟通，而电力载波是实现这种沟通的很好的方式。它的基本原理是发射端用语 音信号对载波信号进行调制，接收端把语音信号解调出来，通过电力线进行传输。 北京焦化厂即用基于电力载波技术的设备实现三车连锁功能； ( 3 ) 无线数字通信方式【4 8 例。用无线数字通信模块组成无线通信网络可以实 现焦车间的大量的数据交换。在数据中包含有焦车位置信息，就可以在推焦前确 定各车的位置，实现三车连锁。 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 综上所述可知，目前应用于炼焦生产过程的无线通信技术大多集中在感应无 线技术、射频识别方式、y 射线方式和无线数字通信方式四种。实际使用中感应 无线技术仍存在成本高，数据偏移严重，易受环境干扰，维护困难等问题。射频 识别技术只是在理论上进行研究，并未应用在实际系统中，其原因是射频识别技 术应用于实际炼焦生产系统中可靠性低，使用寿命短，长期建设成本费用高。y 射线方式并非真正意义上的无线通信技术，无法达到实际使用的效果。而无线数 字通信模块组成的无线通信网络可以实现大量的数据交换，是实现焦炉机械车辆 自动运行的有效方法。真正将中、短程无线通信技术应用炼焦生产过程善处于初 级探索阶段。因为将中、短程无线通信技术应用于炼焦生产过程还需要进行专门 的开发和研究。因此，选择一种适合用于炼焦生产过程的中、短程无线通信技术， 研究一种能够适应炼焦生产过程的无线网络控制系统已成为学术界和工业界共 同关注的问题。 1 3 主要研究内容 本课题以某钢铁企业焦化厂综合生产信息管理系统和焦炉机械车辆作业系 统为研究背景，针对炼焦生产信息管理系统可靠性低、建设成本费用高，焦炉机 械作业系统自动化水平低，应用现有有线控制技术带来地表、墙体布线，网络线 路维护困难等一系列难点问题，本文提出一种炼焦生产过程无线网络控制系统的 设计方法，开发炼焦生产过程无线网络控制系统试验平台。 主要包括以下三个方面。 ( 1 ) 炼焦生产过程无线网络控制系统总体设计。以某钢铁企业焦化厂综合生 产信息管理系统以及焦炉机械车辆作业系统为研究背景，通过分析系统对无线通 信技术的功能需求，提出实现炼焦生产过程无线网络控制系统的基本方案，设计 系统的网络结构和数据流程，在此基础上通过对各种无线通信技术的分析比较， 确定炼焦生产过程无线网络控制系统所选用无线通信技术和无线数传模块等等； ( 2 ) 无线网络通信机制设计。基于异步时分复用的思想，提出将点对多点的 星型系统转换为若干个点对点通信的方法，设计无线网络的通信协议，主站和从 站的主控程序流程，主站轮询方法，差错控制机制，串口通信流程，数据报文结 构，数据包的收发控制以及无线数传模块参数配置等等； ( 3 ) 炼焦生产过程无线网络控制系统试验平台。提出主站建立本地o p c 服 务器的思想，开发基于k e p w a r e 的o p c 服务器k e p w a r e k e p s e r v e r e x v 4 ，同 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 时利用v c + + 6 0 开发串口通信程序、o p cc l i e n t 以及异步时分复用通信控制程 序。利用试验平台进行点对多点的无线数据通信试验和进行误码率分析。 1 4 论文构成 本文详细阐述炼焦生产过程无线网络控制系统的设计方法，开发炼焦生产过 程无线网络控制系统试验平台。后面各章的内容安排如下。 第二章介绍炼焦生产过程无线网络控制系统总体设计方法。详细介绍无线网 络控制系统的功能需求、基本技术实现方案、生产现场干扰因素与克服措施，网 络结构与数据流程的设计以及实现系统所应选用的无线通信技术与无线数传模 块等等。 第三章介绍无线网络通信机制设计。详细介绍网络的通信协议，主站与从站 的主控程序流程，主站轮询访问方法，差错控制机制，串口通信流程，数据报文 结构，数据包的收发控制以及无线数传模块参数配置等等。 第四章阐述炼焦生产过程无线网络控制系统试验平台的设计和开发过程。详 细阐述试验平台中各个节点的硬件配置，o p c 服务器的开发与配置，利用o p c 客户端将无线数传模块收集的数据写入o p c 服务器中的方法。并进行点对多点 的无线数据传输试验，对运行结果和误码率进行详细分析。 第五章对全文做出总结，提出对后续研究的展望。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章无线网络控制系统总体设计 第二章无线网络控制系统总体设计 无线网络控制系统是自动控制领域的网络技术，是计算机网络、无线通信与 自动控制技术相结合的产物。炼焦生产过程无线网络控制系统是对有线网络控制 系统的补充、延伸和扩展，它实现了对炼焦生产信息管理系统的无线备份，提高 了炼焦生产信息管理系统的可靠性和安全性；它也能够实现对焦炉机械车辆( 推 焦车、拦焦车、熄焦车和装煤车) 相互间的通信、地址炉号对位、推焦动作连锁、 生产全过程管理、计算机集中联控、自动走行以及无人操作等一系列自动化技术 难题。本章主要提出一种炼焦生产过程无线网络控制系统总体设计方法。 2 1 炼焦生产工艺分析 焦炉是焦化厂的主要生产设备，其原理是将煤在隔绝空气的情况下进行高温 干馏，从而产生焦炭、煤气以及焦油等其他有机化学副产品。炼焦生产过程一般 可分为四个子过程2 1 ，即配煤过程、加热燃烧过程、煤气集气过程、装煤一推焦 一拦焦一熄焦过程。其中配煤过程为后续过程提供优质配合煤，因此相对独立。 炼焦过程工艺流程图如图2 1 所示。 配煤过程 i煤场 爿l ，研 煤塔装煤车 l 。，_1_。 装煤 1r ： i 焦炉加热燃烧过程i 巨：iii ! ! j 。i u ： ： tl ；推焦上拦焦 集 焦 熄焦车 气 净化 炉 熄焦 管 l 煤 ； 集 气 气焦炭 煤气集气过程作业调度过程 图2 1炼焦过程工艺流程示意图 焦炉炉体最上部是炉顶，炉顶之下为相问配置的燃烧室和炭化室，炉体下部 有蓄热室。在炼焦生产过程中，首先根据焦炭质量要求，将各种品质的煤按照一 定比例混合得到符合标准的配合煤；由煤车在一定的时刻将其运至焦炉炉顶，经 中南大学硕士学位论文第二章无线网络控制系统总体设计 装煤孔注入到已经推焦完毕的炭化室；再将一定量的加热煤气和相应比例的经蓄 热室预热过的空气，送燃烧室混合后燃烧，加热煤气在燃烧室中进行燃烧产生热 量使炭化室温度上升到1 2 0 0 以上；炭化室内的配合煤通过燃烧室传热进行高温 干馏，炭化室内的配合煤在干馏的过程中产生大量的荒煤气，荒煤气通过集气管 流往冷凝器进行净化与重利用；在经过约二十多个小时的干馏后，炭化室中的煤 被高温干馏变成焦炭，然后通过推焦车、拦焦车协调将焦炭取出，由熄焦车将炽 热的焦炭运至熄焦塔进行熄焦，冷却后形成焦炭。 2 2 系统需求分析 针对我国某钢铁企业焦化厂有线控制系统存在的问题，本节阐述炼焦生产过 程应用无线通信技术的必要性和可行性，分析应用无线通信技术面临的挑战和要 求，提出无线网络控制系统应具有的基本功能以及实现这些功能的基本方法。 2 2 1 现有有线系统现状及问题 目前，我国某钢铁企业焦化厂有线控制系统硬件结构图如图2 2 所示。 图2 2 现有系统硬件结构图 1 2 蚶撇验脱胁服 局部优化控制层 基础自动化层 过程模拟层 中南大学硕士学位论文第二章无线网络控制系统总体设计 在该钢铁企业焦化厂中已经建立的控制系统主要有焦炉加热燃烧控制系统、 焦炉集气管压力控制系统、焦炉作业优化调度系统以及炼焦生产信息管理系统等 等。其中，焦炉加热燃烧控制系统是基于d c s 的集散控制系统，焦炉集气管压 力控制系统是基于s i m e n s 的p l c 控制系统。这两个有线控制系统技术较成熟， 系统运行也较稳定。焦炉作业优化调度系统是基于扁平电缆的感应无线控制系 统，该系统在该焦化厂新l # 并l l 新2 拌焦炉建立初期建成，运行约1 月的时间崩溃， 产生这种现象的原因是焦化厂生产环境恶劣，存在高温、车辆频繁移动、机械碰 撞等等，使得焦炉车辆运行导轨变形、不平整，从而使得焦炉机械车辆定位精度 急剧下降，焦炉机械车辆不能在规定的有效时间内到达指定的炭化室。自基于扁 平电缆的感应无线控制系统崩溃后，焦炉机械车辆作业系统则依靠人工经验和异 常工况下的优化调度算法，通过人工吹哨、人工喊话、人工挥旗的方式指实际生 产。这使得该焦化厂的焦炉机械车辆相互间不能自主通信、推焦动作不连锁、生 产全过程管理及计算机集中联控等自动化水平低。在炼焦生产信息管理系统中， l 2 数据库服务器与焦炉加热燃烧控制子系统本地控制计算机、集气管压力控制 本地控制计算机以及焦炉作业计划与调度本地控制计算机是通过光纤相连，其中 l 2 数据库服务器与焦炉加热燃烧控制子系统相距达3 0 0 m ，这样整个系统建设成 本费用高，且焦化厂生产机械移动频繁，容易造成光纤损坏，使得炼焦生产信息 管理系统的可靠性低。而且由于当前焦化厂的焦炉作业优化调度系统没有实现自 动化，即没有将作业优化生产状态信息反映在炼焦生产信息管理系统中，使得整 个炼焦生产过程信息获取不全面，从而影响焦炭质量和产量的提高。 产生炼焦生产信息管理系统可靠性低、信息获取不全面，焦炉作业计划与调 度系统自动化水平低下的重要原因则是由于焦化厂环境恶劣，存在高温、多尘、 腐蚀性气体、电气干扰、机械碰撞、车辆的频繁移动和工艺上要求的精准定位等 等。然而，焦炉机械车辆是炼焦生产过程的重要设备，实现焦炉机械车辆之间的 相互通信和自动运行调度对提高炼焦生产系统的自动化水平，实现生产全过程管 理及计算机集中联控，提高焦炭质量和产量等都具有重大的实践意义和必要性。 然而，焦炉机械车辆作业系统的推焦车、拦焦车、熄焦车以及装煤车工作的 环境温度高、粉尘非常多，车辆电机的工作电压等级高，电气干扰严重且车辆移 动频繁，现有的现场总线技术难以适应这种恶劣生产环境。而无线通信技术具有 低成本，低功耗，高可靠性，高稳定性，抗恶劣电磁环境，组网灵活，安装、维 护与使用方便的优点。因此，将无线通信技术应用于炼焦生产过程为提高炼焦生 产自动化水平提供一种新的解决方法。 虽然无线网络可以解决可移动监控的问题【5 0 ，5 ，然而由于炼焦生产系统对