CN104460574A - 一种可实时立体监视高炉状态的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实时立体监视高炉状态的系统和方法，包括检测高炉炉体温度的传感器、PLC、交换机、服务器和客户端。其服务器包括数据采集模块、与数据采集模块输出端相连的炉体温度数据分析模块和炉缸侵蚀线计算模块、与炉体温度数据分析模块和炉缸侵蚀线计算模块的输出端相连的数据存储模块，客户端包括高炉立体模型模块和与数据存储模块相连的交互模块，高炉立体模型模块的数据输出至交互模块。采用本发明，可对高炉炉温等参数进行三维立体观察监测，更能形象直观的了解高炉内状态。

Description

一种可实时立体监视高炉状态的系统和方法

技术领域

本发明属于高炉操作控制领域，涉及一种实时立体监视高炉炉体及炉内生产过程的系统,该系统能在高炉生产过程中通过连续的计算、统计、分析展示高炉的生产状态，这种展示是一种可以多方位、可操作、炉体可连续旋转的查看的监视高炉炉内外的系统。

背景技术

高炉是一种将铁矿石还原成铁水的高压密闭反应容器，高炉的密闭性使得铁水的还原过程无法直接观测，这就需要大量的外围辅助测点来实现高炉操作者对高炉内部反应的了解和掌握，所以对这些测点进行实时准确的、有效的监控就显得非常重要。

现有技术首先将炉体内外的检测点，如炉体温度和炉缸侵蚀线位置等信息接入基础自动化系统，再通过二维画面对这些大量的检测点进行显示，这些检测点的平面显示基本都没有标明位置信息，或者是标明了位置信息但是不够准确，包括高炉冶炼过程中的一些炉内仿真模型也是以平面的方式进行展现的，由于高炉本体是一个非平面性的工业反应容器，平面的展现监控方式要求操作人员经常对照高炉图纸来定位检测点或者炉内仿真模型的真实位置信息，这样的监测点展示方式不仅增加了高炉操作者操作高炉、及时实时掌握高炉内外情况的复杂性，而且很容易导致操作人员对高炉信息（检测点值、炉内仿真模型信息）定位的不准确，从而引起高炉炉况的判断失准，给高炉安全生产、高效生产带来了隐患。

发明内容

本发明所针对高炉生产过程是一个对检测点处理后的动态的、连续的、智能的表达过程，目的就是要解决现有技术存在的复杂性和不准确性，达到对高炉炉体内外各个检测点准确把握，并且对检测点的阶段性最大值、最小值、平均值、标准差等参数进行连续性的展示，也包括对高炉炉缸内部化学侵蚀线的表达。

为解决上述技术问题，本发明涉及一种可实时立体监视高炉状态的系统，采用以下技术方案：

硬件方面，包括用于检测高炉炉体温度的传感器、PLC、交换机、服务器和客户端，采取基于OPC（OLE for Process Control,用于过程控制的OLE）的工业以太网数据采集技术，PLC通过交换机与服务器相连，服务器和客户端通过局域网连接。

软件方面，服务器包括数据采集模块、与数据采集模块输出端相连的炉体温度数据分析模块和炉缸侵蚀线计算模块、与炉体温度数据分析模块和炉缸侵蚀线计算模块的输出端相连的数据存储模块；客户端包括高炉立体模型模块和与数据存储模块相连的交互模块，高炉立体模型模块的数据输出至交互模块。

所述炉体温度数据分析模块用于计算炉内检测点温度的最大值、最小值、平均值和标准差，结合检测点的位置信息，运算结果显示在客户端。所述炉缸侵蚀线计算模块对高炉炉型基础数据和高炉炉体碳砖的实时数据进行计算，确定炉缸砖衬中的温度场，根据温度场确定1150℃侵蚀线的位置。所述高炉立体模型模块基于高炉炉型基础数据、炉体温度数据和炉缸侵蚀线数据，利用3D软件对高炉进行可视化建模。所述交互模块用于接收数据存储模块和高炉立体模型模块的数据并显示在客户端界面上，也把录入客户端的数据传送给数据存储模块。

本发明涉及一种利用以上系统可实时立体监视高炉状态的方法，步骤如下：

（1）  高炉炉型基础数据录入：高炉炉型基础数据包括高炉炉型尺寸、高炉炉体碳砖的温度测点坐标、高炉炉缸砌筑参数等数据，需要人工录入客户端交互模块，并存储在数据存储模块；

（2）  高炉炉体碳砖温度的采集：由放置在高炉炉体内的传感器采集实时温度，经过PLC处理，由服务器中的炉体温度数据分析模块读取，在所采集的数据进行处理后存储到数据存储模块中，对每一个检测点建立与其在炉体位置坐标相应的对应关系；

（3）  炉体温度分析计算：炉体温度数据分析模块计算各检测点温度的最大值、最小值、平均值和标准差，按照坐标对应关系存储在数据存储模块；

（4）  计算炉缸侵蚀等温线：数据采集完成后，应用高炉炉型基础数据和炉体温度实时数据进行计算，依据稳态导热方程，用稳定网格的有限元或有限差分的方法计算炉缸砖衬中的温度场，根据网格节点的温度确定砖衬导热系数，如果温度高于1450℃，将采用铁水的有效导热系数计算炉缸砖衬中的温度场，根据温度场确定1150℃侵蚀线的位置，计算得出的数据存储在数据存储模块；

（5）  建立高炉炉体模型：利用3DMAX软件对高炉进行三维立体建模，模型包括五部分：炉喉部分、炉身部分、炉腰部分、炉腹部分和炉缸部分，采用先整体再局部的方式进行建模将炉体各检测点的位置准确对应在模型上；

（6）  高炉模型引擎开发：利用Unity3D软件对所述高炉炉体模型进行引擎开发。

本发明对检测点进行动态、连续、智能的监视，解决了现有技术存在的复杂性和不准确性，可对高炉炉体内外各个检测点准确定位并直观形象的展现在客户端PC机上。

附图说明

图1为本发明可实时立体监视高炉状态的系统的系统结构示意图；

图2为图1的软件模块框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的本发明整个系统的结构，整体架构为C/S架构,即服务器/客户端架构,系统由服务端和客户端构成，服务端承担数据采集、分析、模型计算、数据存储等功能，客户端向用户展示处理后的数据、模型计算结果等信息。系统的整体搭建，包括服务器机柜的安装，服务器的上架安装，客户端的硬件部署安装，服务器与客户端之间局域网的构建，服务器与L1网络的疏通等主要工作，其中服务器阵列及其操作系统的安装部署尤为重要，服务器磁盘阵列采用了RAID1+0方式，以提高系统的可靠性和数据的安全性。

系统服务器磁盘阵列卡的建立，系统服务器共6块硬盘，其中2块为系统盘（1和2号插槽2块为系统盘），4块为数据盘（3、4、5、6号插槽为数据盘），采用了可靠性与安全性兼顾的RAID1+0方式。

服务器与PLC通讯的建立，系统服务器配置西门子PC-1613网卡（支持冗余）与L1数据采集PLC通讯。

客户端安装，采用通用PC机，操作系统采用Windows XP Professional，客户端通过直连的方式直接与服务器相连，客户端需要安装ORACLE客户端软件以访问数据库。

系统数据库的建立，安装ORACLE 10g数据库软件，创建名字为BFDATA的数据库实例，在此实例中创建相应的用户和数据库表。

图2是本系统的软件模块示意图，高炉基础数据主要包括高炉炉型尺寸、高炉炉体碳砖的温度测点坐标、高炉炉缸砌筑参数等数据，这些数据需要人工录入到交互模块，进而存储到服务器的数据存储模块可以通过客户端界面修改，便于系统移植推广。

根据高炉炉体测点布置图纸，将测点的高度、角度、半径坐标等信息录入系统，同时炉体温度长传感器热电偶测量炉体各检测点温度，测得的数据由PLC收集，服务器的数据采集模块再通过OPC协议读取这些检测点的值。高炉炉体温度的采集根据不同基础自动化控制系统的厂商选择相应的软件产品，我们采用西门子 Simatic Net软件，服务器通过S7协议读取L1中的数据，再通过Simatic Net提供的OPCServer服务向外发布数据，实现对L1相关数据的灵活读取，为使通过从OPC通道读取的数据具有及时、准确和完整性，在服务器对L1系统的数据总线上的数据采用频度较高的秒级方式，并对所采集的数据进行必要的数理统计处理后存储到服务器的数据库中，并且对每一个采集点建立于其坐标点的对应关系，关系建立好之后，每个温度检测点有了自己对应的坐标，决定了整个系统的准确性。

对高炉炉体碳砖温度的数据处理主要有计算存储每个点的最大值、最小值、平均值和标准差，这些值的计算在炉体温度数据分析模块中完成，计算值也按照相应坐标存储，保证了每个分析结果在客户端展现时的准确位置。

数据采集完成后，应用高炉炉型基础数据和高炉炉体的实时温度数据进行模型计算，炉底炉缸侵蚀模型依据稳态导热方程，直接用稳定网格的有限元或有限差分的方法计算炉缸砖衬中的温度场，在迭代计算中根据网格节点的温度确定砖衬导热系数，如果温度高于1450℃，将采用铁水的有效导热系数，计算确定炉缸砖衬中的温度场，根据温度场确定1150℃侵蚀线的位置，将铁水与砖衬的分界温度设为1450℃，更符合高炉实际。

高炉炉体模型是利用3DMAX软件对高炉进行可视化建模，高炉炉体模型包括五部分：炉喉部分、炉身部分、炉腰部分、炉腹部分、炉缸部分，模型的建立采用从整体到局部的方式，首先对高炉五大主要部分进行建模，完成每部分的建模后，将五个独立的模型组合成一个完整的高炉模型，每个部分的建模，也是先建立大体轮廓，再进行细化。

建立一个高炉模型以后，怎样让模型可转动，怎样才能使其可操作，检测点、计算点线等数据和图形如何能连续的变化，就是引擎需做的工作，本发明采用Unity3D软件对高炉可视化模型进行引擎开发，引擎程序通过HTTP POST协议读取高炉炉体温度分析得到的数据和高炉炉缸侵蚀模型计算得到的侵蚀线数据，利用Unity3D软件的Mono语言进行高炉可视化模型编程，并且在系统客户端可以选择高炉炉体显示数据的方式，这种方式包括显示原始值、最大值、最小值、平均值、标准差，该系统可以360°全方位透明的观测高炉炉体的温度及模型计算的炉底炉缸侵蚀线情况信息。

    以上是本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围不限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，未经创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应以权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可实时立体监视高炉状态的系统，包括用于检测高炉炉体温度的传感器、PLC、交换机、服务器和客户端，所述PLC通过交换机与服务器相连，服务器和客户端通过局域网连接，其特征在于：

服务器包括数据采集模块、与所述数据采集模块输出端相连的炉体温度数据分析模块和炉缸侵蚀线计算模块、与炉体温度数据分析模块和炉缸侵蚀线计算模块的输出端相连的数据存储模块；

客户端包括高炉立体模型模块和与所述数据存储模块相连的交互模块，高炉立体模型模块的数据输出至交互模块。

2.根据权利要求1所述的可实时立体监视高炉状态的系统，其特征在于：所述炉体温度数据分析模块用于计算炉内检测点温度的最大值、最小值、平均值和标准差，结合检测点的位置信息，运算结果显示在客户端。

3.根据权利要求1所述的可实时立体监视高炉状态的系统，其特征在于：所述炉缸侵蚀线计算模块对高炉炉型基础数据和高炉炉体碳砖的实时数据进行计算，确定炉缸砖衬中的温度场，根据温度场确定1150℃侵蚀线的位置。

4.根据权利要求3所述的可实时立体监视高炉状态的系统，其特征在于：所述高炉立体模型模块基于高炉炉型基础数据、炉体温度数据和炉缸侵蚀线数据，利用3D软件对高炉进行可视化建模。

5.根据权利要求4所述的可实时立体监视高炉状态的系统，其特征在于：所述交互模块用于接收数据存储模块和高炉立体模型模块的数据并显示在客户端界面上，也把录入客户端的数据传送给数据存储模块。

6.一种采用权利要求1所述系统实时立体监视高炉状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）高炉炉型基础数据录入：高炉炉型基础数据包括高炉炉型尺寸、高炉炉体碳砖的温度测点坐标、高炉炉缸砌筑参数等数据，需要人工录入客户端交互模块，并存储在数据存储模块；

（2）高炉炉体碳砖温度的采集：由放置在高炉炉壁的传感器采集实时温度，经过PLC处理，由服务器中的炉体温度数据分析模块读取，在所采集的数据进行处理后存储到数据存储模块中，对每一个检测点建立与其在炉体位置坐标相应的对应关系；

（3）炉体温度分析计算：炉体温度数据分析模块计算各检测点温度的最大值、最小值、平均值和标准差，按照坐标对应关系存储在数据存储模块；

（4）计算炉缸侵蚀等温线：数据采集完成后，应用高炉炉型基础数据和炉体温度实时数据进行计算，依据稳态导热方程，用稳定网格的有限元或有限差分的方法计算炉缸砖衬中的温度场，根据网格节点的温度确定砖衬导热系数，如果温度高于1450℃，将采用铁水的有效导热系数计算炉缸砖衬中的温度场，根据温度场确定1150℃侵蚀线的位置，计算得出的数据存储在数据存储模块；

（5）建立高炉炉体模型：利用3D软件对高炉进行三维立体建模，将炉体各检测点的位置准确对应在模型上；

（6）高炉模型引擎开发：利用Unity3D软件对所述高炉炉体模型进行引擎开发。

7.根据权利要求4或6所述的可实时立体监视高炉状态的系统或方法，其特征在于：所述3D软件为3DMAX。

8.根据权利要求6所述的可实时立体监视高炉状态的方法，其特征在于：所述步骤（4）的高炉炉体模型包括五部分：炉喉部分、炉身部分、炉腰部分、炉腹部分和炉缸部分，采用先整体再局部的方式进行建模。