铁合金电炉炉壁温度遥测系统研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.17MB 71 页 15积分
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目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论...........................................................................................................1
§1.1 课题背景.................................................................................................1
§1.2 课题的设计任务.....................................................................................2
§1.3 课题的研究内容.....................................................................................3
§1.4 论文内容和结构安排.............................................................................3
§1.5 本章小结.................................................................................................3
第二章 炉壁温度遥测系统总体设计方案...............................................................3
§2.1 通过炉壁温度反映炉内温度的可行性分析.........................................3
§2.2 铁合金冶炼生产环境对系统的需求.....................................................7
§2.2.1 炉壁温度测量...........................................................................................7
§2.2.2 炉壁温度数据的传输...............................................................................8
§2.2.3 炉壁温度遥测系统的监控显示...............................................................8
§2.3 炉壁温度遥测系统方案制定.................................................................8
§2.3.1 炉壁温度的红外式测量...........................................................................8
§2.3.2 炉壁温度数据的无线传输.......................................................................9
§2.4 炉壁温度遥测系统的功能...................................................................10
§2.5 炉壁温度遥测系统的框图...................................................................10
§2.6 炉壁温度遥测系统的组成...................................................................10
§2.6.1 炉壁温度遥测系统子模块的定义及功能.............................................10
§2.6.2 测试信息汇集网络的拓扑结构.............................................................11
§2.7 炉壁温度遥测系统的开发环境...........................................................12
§2.7.1 硬件开发环境.........................................................................................12
§2.7.2 软件开发环境.........................................................................................13
§2.8 炉壁温度测量节点的布局...................................................................13
§2.8.1 红外测温仪器基本原理.........................................................................13
§2.8.2 红外测温传感器的选型.........................................................................13
§2.8.3 炉壁温度测量节点的位置.....................................................................14
§2.9 本章小结...............................................................................................16
第三章 测试信息汇集网络的硬件配置与设计.....................................................17
§3.1 射频模块...............................................................................................17
§3.1.1 CC2430 微控制器 ................................................................................... 17
§3.1.2 CC2430 外围电路 ................................................................................... 18
§3.1.3 天线匹配电路.........................................................................................20
§3.2 信号底板...............................................................................................22
§3.2.1 信号比例放大电路.................................................................................22
§3.2.2 电源电路.................................................................................................23
§3.3 模块接口...............................................................................................25
§3.4 布线.......................................................................................................25
§3.4.1 巴伦电路的复制.....................................................................................26
§3.4.2 敷铜.........................................................................................................27
§3.4.3 去耦电容..................................................................................................27
§3.5 本章小结...............................................................................................28
第四章 测试信息汇集网络的软件配置与设计.....................................................29
§4.1 TI Z-Stack 目录结构 ............................................................................ 29
§4.2 OSAL 任务........................................................................................... 30
§4.2.1 OSAL 操作系统的初始化...................................................................... 30
§4.2.2 OSAL 中添加任务.................................................................................. 31
§4.2.2 建立 OSAL 任务.................................................................................... 32
§4.2.3 任务事件.................................................................................................32
§4.3 Z-Stack 的网络设置.............................................................................33
§4.3.1 路由设置.................................................................................................34
§4.3.2 ZDO 设置 ................................................................................................ 34
§4.4 ADC 转换器的参数设置 ..................................................................... 36
§4.5 测试信息汇集网络的数据帧定义.......................................................37
§4.6 数据帧转换...........................................................................................38
§4.7 测试信息汇集网络的传输过程...........................................................39
§4.8 本章小结...............................................................................................39
第五章 监控端软件功能设计.................................................................................41
§5.1 软件界面功能.......................................................................................41
§5.2 软件框图...............................................................................................42
§5.3 多线程...................................................................................................42
§5.3.1 线程的概念.............................................................................................42
§5.3.2 线程间的通信与同步.............................................................................43
§5.3.3 线程的功能.............................................................................................44
§5.4 RS-232 通信 ......................................................................................... 45
§5.4.1 初始化串口.............................................................................................45
§5.4.2 接收数据.................................................................................................47
§5.5 界面设计...............................................................................................47
§5.5.1 界面布局的基本原则.............................................................................47
§5.5.2 界面区域定义及其功能.........................................................................47
§5.6 数据库设计...........................................................................................50
§5.6.1 数据库连接方式.....................................................................................50
§5.6.2 数据库构建.............................................................................................51
§5.6.3 数据库操作.............................................................................................51
§5.6.4 数据库文件的生成.................................................................................52
§5.7 本章小结...............................................................................................53
第六章 实验验证、结论与展望.............................................................................54
§6.1 炉壁温度测量实验验证.......................................................................54
§6.1.1 炉壁温度测量实验结果......................................................................54
§6.1.2 炉壁温度测量实验分析.........................................................................56
§6.2 测试信息汇集网络实验验证...............................................................57
§6.3 结论.......................................................................................................57
§6.4 进一步工作的方向...............................................................................59
参考文献.....................................................................................................................60
附录 A：射频通信模块电路图.................................................................................62
在读期间公开发表的论文和承担科研项目.............................................................68
致谢.............................................................................................................................69
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景
20 世纪 80 年代初期开始的经济改革，中国的铁合金工业得到了飞速发展。铁
合金产量由不足 100 万吨，发展到 90 年代中期的 433 万吨。其主要用途是为中国
钢铁工业提供脱氧剂、合金剂。1999 年国家经贸委和国家环保总局《关于加快我
国铁合金工业结构调整的意见》通知下达后，一些 1.8MVA、3.2MVA 的小型铁合
金电炉被迫拆除或停产，个别小型铁合金厂被关闭。在之后的几年内铁合金重复
建设、盲目发展的局面受到了扼制。在二十世纪的最后三年以及本世纪的最初二
年，党中央国务院决定加大汽车工业、电力能源和铁路、高速公路建设的资金投
入力度，以及大力开发西部经济，从而推动了整个国民经济进入快速发展。在经
济发展的拉动下，首先诱发了钢铁工业的发展和产量的增加。在上述形势的鼓动
下，铁合金也进入了快速发展时期。2000 年起，我国钢产量每年都递增近 3000 万
吨，铁合金产量每年也增长 40 至 60 万吨[1]。铁合金工业为钢铁工业提供必需的初
级产品，铁合金产品的质量以及产量直接影响到了钢铁产品的生产[1~2]。
铁合金工业是我国国民经济的重要组成部分，冶炼过程中使用到的生产工艺
以及生产过程中的节能减排问题应当受到相当的重视。目前，以超大规模集成电
路系统、现代网络与通信技术和现代信号处理理论为支撑的现代电子系统已经在
钢铁冶金等工业领域中取得了巨大的成功。然而，于此形成鲜明对比的是：一方
面，由于冶金工业部撤销和国内大学纷纷关闭冶金相关专业，铁合金行业拥有着
巨大的产量，但是许多中小企业中，存在着工艺制度混乱、设备自动化程度较低、
电耗过高、矿石资源消耗不合理和生产事故多发等问题[3]；另一方面，由于铁合金
厂大多地处偏僻，且大部分企业由单位或个人经营，其中不少为初涉铁合金工业，
导致了企业在铁合金单价高位运行的利益驱动下，不愿意在设备改善上增加投入
[4]，使得性能强大的现代电子系统在铁合金行业中的应用几乎处于空白状态。
党的十七大报告指出：节能降耗，安全生产，遏制重、特大事故发生都将是
社会主义和和谐社会的重要组成部分[4]，政府部门已经针对上述问题，出台了一系
列的方针政策和奖惩措施，这些宏观因素都迫使铁合金生产企业必须重新审视自
己的生产工艺和流程，尽快改善目前的生产状况。
根据经验发现，在铁合金冶炼过程中，对铁合金电炉炉壁进行实时的温度监
测能够为冶炼工程师提供分析炉体运行状态及生产状况的重要数据依据。
首先，监测铁合金电炉炉壁温度，能够帮助冶炼工程师判断铁合金电炉炉体
中的耐火材料层受到侵蚀的程度[5]。铁合金电炉内的耐火材料层在冶炼过程中受到
铁合金电炉炉壁温度遥测系统研究
2
空气或是铁水的侵蚀，容易引发穿炉事故，导致生产安全性下降。耐火材料层受
到严重侵蚀，其对应位置的炉壁温度必然比正常情况下的温度高出许多。监测炉
壁温度能够提高生产安全性，降低事故风险。
其次，监测铁合金电炉炉壁温度，能够帮助冶炼工程师判断炉内温度是否在
要求的温度范围内。铁合金的生产工艺对矿石入炉后在不同时间段内的温度有着
不同的要求。在矿石刚进入炉体时，要求炉内温度迅速地上升到工艺要求温度，
缩短产品的冶炼周期；在炉内温度达到工艺要求后，要求炉内温度保持在一定范
围之内，避免无谓的加热造成的能源浪费[6-8]。炉内温度的变化将导致炉壁温度的
变化，炉壁温度能够间接反映炉内的温度。监测炉壁温度能够提高能源利用率，
降低产品成本。
最后，监测铁合金电炉的炉壁温度，能够帮助冶炼工程师判断炉内温度场分
布是否均匀。铁合金冶炼过程中，可能会发生矿石材料在内部形成凝结的情况。
通过监测炉壁温度，冶炼工程师能够比较局部温度与全炉温度之间的对应关系，
从而改善生产工艺，提高产品质量。
由于铁合金冶炼生产环境中存在诸多不利于影响电子系统稳定运行的因素，
采用传统的技术方法很难在器件损坏率和系统成本之间寻找到合适的平衡点。因
此，本课题提出了铁合金电炉炉壁温度遥测系统方案，采用红外测温技术以及
ZigBee 无线数据传输技术，使得系统在保证测量精度的同时，增加了安装布线的
便宜性以及延长了系统稳定运行寿命。
§1.2 课题的设计任务
本课题旨在设计一个铁合金电炉炉壁温度遥测系统。该系统应具有以下功能：
（1）在工业环境下，精确测量铁合金电炉炉壁的温度，并采用无线数据传输
方式进行数据传输。
（2）实时显示测量温度，并具有长时间间隔的数据存储、查询以及分析功能。
首先，要需要对温度测量技术有一定的了解，设计能够在工业环境下应用的
高精度温度测量系统；其次，需要研究铁合金企业的实际生产状况，设计具有高
抗干扰性能的数据传输系统；最后，需要研究铁合金企业的应用需求，设计上位
机软件，来实现实时数据的显示以及数据的存储、查询、分析功能。
本课题采用红外测温技术以及 ZigBee 无线通信技术来实现铁合金电炉温度监
测，利用红外测温系统的非接触性、精度高和测温范围广等特点，对铁合金电炉
炉壁进行多点、全方位监测，测得的数据通过基于 ZigBee 无线通信技术的测试信
息汇集网络传输，避免了在铁合金电炉周围长距离的布线以及信号在长距离线缆
第一章 绪论
3
上传输时的衰减、受到干扰等问题。通过对铁合金电炉炉壁温度进行实时监测，
能够为冶炼工程师提供分析铁合金电炉运行情况的重要依据。
该系统充分考虑了铁合金企业的生产实际，具有低成本、抗干扰性强、高稳
定的特点，具有一定的应用价值。
§1.3 课题的研究内容
本课题所要研究的铁合金电炉炉壁温度遥测系统，主要研究的内容包括：
研究 Zigbee 无线通信技术的硬件原理，实现射频芯片选型、射频芯片外围电
路设计以及相关硬件电路的印刷线路板设计与绘制。
研究 Zigbee 无线通信技术的软件协议栈，实现 Z-Stack 协议栈在 CC2410 芯片
上的移植与嵌入，并根据所设计的外围电路及测量需求对 Z-Stack 进行配置，包括
Zigbee 无线网络中的数据帧格式、路由方式等。
研究红外传感器的接口电路，实现高精度、抗干扰性强的温度采集，主要包
括有传感器信号放大电路设计、放大电路与控制芯片通信接口设计以及相关硬件
电路印刷线路板设计与绘制。
设计监控端软件，实现采集数据的实时显示以及大容量存储。
§1.4 论文内容和结构安排
本论文在第一章简要介绍了铁合金电炉炉壁温度监控系统的作用及其研究的
意义；第二章中分析了铁合金生产的实际状况，提出了设计方案，使用红外测温
技术与 ZigBee 无线数据传输技术来实现整个系统；第三章介绍了基于 ZigBee 无线
数据传输技术构建的无线网络中各个模块的硬件设计；第四章介绍了 TI 推出的
Z-Stack 协议栈的配置方法，以及针对系统应用要求设计的数据采集软件设计；第
五章介绍了监控端的监测软件设计；第六章介绍了本课题的设计成果，并提出了
不足之处以及今后的工作方向。
§1.5 本章小结
本章中简要介绍了铁合金电炉炉壁温度遥测系统的作用及其研究意义。该系
统能够为冶炼工程师提供分析炉体运行状态及生产状况的重要数据依据，从而实
现提高产品质量、改善生产工艺、降低生产风险的作用。
第二章 炉壁温度遥测系统总体设计方案
§2.1 通过炉壁温度反映炉内温度的可行性分析
铁合金电炉炉壁温度遥测系统研究
4
（1）铁合金电炉炉体材料材料
铁合金电炉的炉体主要选用碳砖、高铝砖为主材；选用的辅材主要有冷捣糊、
磷酸、石墨粉、玻璃水、耐火泥、耐火粒、石棉板、高温水泥；炉壳一般为钢材。
碳砖的成本较低，但在高温条件下极易氧化，且导热系数和导电系数都较大。
因而碳砖主要用于炉底铺设两层及出铁口流槽。高铝砖的耐火度、荷重软化点温
度高，抗渣性好，机械强度大，并且这些性能随着 AL2O3含量的增加提高很快。
因此炉墙一般选用高铝砖。
由于炉底由两层碳砖及粘土砖砌筑而成，相对于炉墙较厚，不易发生穿炉。
因此本课题主要对炉墙外围的炉壁温度进行监测，在可行性分析过程中以高铝砖
的性能参数为计算依据。
（2）计算分析
若已知炉内矿石温度 t1=500℃，炉墙结构由内而外分别是：T5高铝砖，厚度
δ1为400mm；石棉板，厚度δ2为50mm；钢壳，厚度为δ3为50mm。其结构简图如
图2-1 所示。
t4
t3
t2
t1
δ1
δ1
δ1
1
2
3
炉壳
接触面
1—T5高铝砖；2—石棉板；3—钢壳
图2-1 炉墙结构示意简图
外部条件分三种情况，分别为环境温度 20℃,无风;环境温度 25℃,无风;环境温
度20℃,风速 2m/ s。
在相同结构和炉内温度下,三种外部条件下铁合金炉的外壁温度可以通过以下
公式得到。
平均温度：
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论...........................................................................................................1§1.1课题背景.................................................................................................1§1.2课题的设计任务...........................................................

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：71 页 大小：2.17MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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