鍋爐物聯網監測云平臺軟件系統設計

趙 輝

(杭州市特種設備檢測研究院 浙江 杭州 310051)

0 引 言

我國在用工業鍋爐數量大、容量小、布點分散，特別是燃煤工業鍋爐機械化和自動化程度低、隱患高、耗能高、污染嚴重[1-3]，這更給全面的安全監察、能耗和排放監測帶來一定難度。基于以上現狀，鍋爐物聯網監測系統能很好解決以上問題，即通過現場安裝或利用已有傳感器和采集終端，實現對鍋爐實時信號采集、編碼，并遠程傳輸至云平臺，經后臺軟件數據處理，實現對鍋爐24小時在線監測。鍋爐一旦有異常或者報警，云平臺會及時發現，通過專家遠程診斷，監測人員以電話、短信等形式，向用戶發出警示，指導處置；最終，工程技術人員現場通過管理和技改等綜合服務方式，實現鍋爐安全持續高效綠色運行。

云平臺軟件系統是展現鍋爐物聯網監測系統的窗口，是云平臺價值核心的體現，由上位機軟件、采集終端嵌入式軟件、熱效率計算模型及通信協議組成。軟件系統通過物聯網、互聯網、云計算等核心技術的應用，收集、整理、分析鍋爐運行數據，構建鍋爐實時在線物聯網監測系統，并且操作“簡易化”、“傻瓜化”，降低用戶使用難度，為政府、企業用戶、服務機構及公眾在內的不同用戶提供鍋爐安全節能和環保等相關的增效服務。目前，鍋爐物聯網監測相關技術研究國內已經開展[4-7]，文獻[8-9]在鍋爐熱效率計算及軟件模型上進行了探討，但系統地提出平臺軟件設計的研究目前還沒有。本文將從以下四方面進行闡述。

1 上位機軟件

1.1 軟件構架

上位機軟件用Java7語言編寫，采用B/S 結構，用戶可通過Web頁面、微信公眾號瀏覽操作平臺界面，采集終端管理支持基于C/S 的桌面應用程序。上位機軟件總體邏輯架構如圖1所示，分為采集層、傳輸層、存儲層、支撐層、應用層和表現層六個層次。

圖1 軟件總體邏輯架構

采集層將所有鍋爐納入監測范圍，通過數據采集終端實現對鍋爐計量儀表通信的實時采集和控制指令的發送；傳輸層實現將采集到的數據通過 Internet 網絡或 2G/3G 無線網絡，經過加密傳輸到監測平臺服務器，同時要求具備斷點續傳功能；存儲層包括實時數據庫和關系數據庫，分別保存從傳輸層上傳的實時數據和關系數據；支撐層主要由軟件模型、數據庫服務、GIS服務構成。軟件模型涵蓋數據模型和業務模型，軟件的各種應用功能和后臺計算功能均依據此模型開展。數據庫服務由實時數據庫和關系數據庫組成，實時數據庫處理和存儲海量的實時運行數據，關系數據庫存儲基礎信息和業務數據等，結合GIS服務實現對應用軟件平臺的基礎支撐；應用層實現對所有鍋爐的實時監測、匯總分析，為相關部門提供數據上報、統計分析、決策支持、預測預警及企業服務等。功能基于Web形式展示，提供基于GIS的展示功能，且支持移動客戶端；表現層則是將應用層的模塊通過Web頁面、移動客戶端等形式展示。

1.2 網絡拓撲

上位機軟件網絡構建采用模塊化設計，將整個網絡劃分為不同的功能區域，主要分為數據采集區WLAN(數據采集器、傳輸網絡、采集服務器和運行服務器等)、數據存儲區WLAN(數據庫服務器、存儲設備等)、應用服務區WLAN(Web服務器、服務網絡等)以及一系列防火墻，使軟件總體網絡架構具備高靈活性、可伸縮性和高可用性。網絡架構要求：采集終端采集鍋爐的運行數據，以互聯網或無線等通信形式上傳至數據采集區的采集服務器；采集的海量數據由數據存儲區的數據庫服務器和存儲設備對實時及歷史數據、業務管理數據進行存儲、處理，確保系統數據的安全及平臺穩定運行；軟件配備防火墻等安全措施和策略，實現網絡的安全隔離；外部訪問節點可通過互聯網實現網絡通信，并通過應用服務區的Web服務器實現對平臺的正常運行及對外發布。軟件網絡拓撲架構如圖2所示。

圖2 軟件網絡拓撲架構圖

2 采集終端嵌入式軟件

嵌入式終端軟件用C語言編寫，模塊化結構，用于嵌入式數據采集終端。圖3所示為軟件整體構架。軟件總體被分解為若干任務，運行在μC/OS-Ⅱ操作系統之上，協同完成任務。其中，系統管理任務負責存儲管理、定時控制和任務切換等基礎操作；顯示管理和人機接口任務主要完成本地顯示界面的刷新、觸摸屏的監測和處理、本地指示燈和按鈕操作的監視及響應；串行通信任務主要完成與外部擴展單元的數據通信處理、報文構造、發送、接收、分析等處理，可與一體化顯示器、外部擴展單元、其他監控系統等交換數據；開關量輸入任務主要監視各回路開關量動作狀態并進行相應的預定操作；模擬量輸入任務主要完成溫度、壓力、含氧量等測量；GPRS通信任務主要完成遠程數據通信，實現數據和控制命令的發送、接收。

圖3 軟件整體構架

3 熱效率計算模型

云平臺軟件系統熱效率計算模型分為正平衡模型和反平衡模型。正平衡采用GB/T10180-2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》方法，公式如式(1)所示。反平衡熱效率計算采用TSG G0003-2010 《工業鍋爐能效測試與評價規則》方法，公式如式(2)～式(8)所示。

(1)

η2=100-q2-q3-q4-q5-q6

(2)

(3)

(4)

(5)

αfh+αlm+αlz=100

(6)

(7)

(8)

計算參數輸入界面如圖4所示，分為燃煤/生物質鍋爐和燃油/氣鍋爐兩種界面。具體計算模型參數如表1所示。表中，化驗數據包括燃料低位發熱量及固體燃料的灰分、飛灰含碳量、漏煤含碳量、爐渣含碳量等，參數在線測量難度比較大，一般是到鍋爐房采樣，由分析儀離線分析，結果輸入到物聯網監測系統。燃料一旦調整，需重新進行采樣分析。

表1 熱效率計算模型參數

續表1

(a) 燃煤/生物質鍋爐

(b) 燃油/氣鍋爐 圖4 熱效率計算模型界面

4 傳輸通信協議

專用鍋爐物聯網監測數據傳輸通信協議規定了采集終端與云平臺間通過傳輸網絡進行數據傳輸的協議結構、數據類型及數據定義。適用于采集終端與云平臺間通過有限帶寬的公共無線網絡進行數據通信的接口。只要采集終端按此協議編碼，都能接入云平臺。

4.1 基本要求

通信協議以TCP/IP網絡控制協議作為底層通信承載協議，可以利用有限帶寬的公共無線網絡進行可靠數據傳輸。通信協議棧上，本通信協議對應于ISO/OSI定義的七層協議結構中的應用層，如圖5所示。

圖5 通信協議棧

應用層通信協議不依賴于所選用的傳輸網絡，在基礎傳輸層已經建立的基礎上，應用層通信協議與具體傳輸網絡無關，體現通信介質無關性。擴展性上，本通信協議不限制鍋爐物聯網監測系統擴展其他信息內容，在擴展內容時不應與本通信協議中所使用或保留的控制命令相沖突，并應符合國家有關標準的規定。數據包格式上，本通信協議的注冊、數據查詢、響應、控制和數據讀取等過程所發送接收的報文應符合圖6通信數據包格式的規定。

圖6 通信數據包格式

4.2 通信數據包規定

通信協議規定了采集終端與云平臺間注冊、登錄、心跳、運行數據上報及查詢、終端參數配置及查詢、能效計算模型參數配置及查詢等發送接收的數據包格式，具體如圖7所示。此外，還包括采集終端身份識別碼(終端ID)和鍋爐編碼，終端采集與計算參數編碼等。

圖7 通信數據包格式

5 軟件功能

5.1 上位機軟件

上位機軟件包括四板塊，即：1) 綜合平臺。云平臺管理人員負責管理維護，由主監控臺、能效統計、信息發布、專家診斷、系統告警、事件提醒、賬號管理、鍋爐信息、終端管理和基本信息十個模塊組成，軟件系統所有功能都集中在此平臺上。2) 政府平臺。用來獲取區域內鍋爐整體運行狀況、能耗等上報數據，為政府安全節能工作決策提供相關輔助工具。3) 企業平臺。分為使用單位和制造企業平臺，可實時了解己方鍋爐運行情況，及時調整鍋爐運行狀態，實現高效運行，同時制造企業也能為產品改進和新產品設計積累原始數據，更好地做好售后服務。4) 公眾平臺。公眾通過網頁直接登錄界面，查詢定期發布的鍋爐信息、運行狀況等，指導公眾挑選優質高效鍋爐，倒逼鍋爐制造企業提高設計、制造水平，生產優質、高效、環保鍋爐，以市場行為優勝劣汰。

具備七功能即：1) 在線監測。包括實時監測、GIS監測和Flash監測界面。實時監測顯示鍋爐啟停、水位、溫度、壓力、流量、煙溫等運行參數，并以數據列表形式展示；GIS監測配備GIS引擎，將實時信息直觀地呈現在Web頁面上，還可將鍋爐房可定位至地圖上相應位置；Flash監測對每臺鍋爐配備流程圖監測，所有運行實時動態參數可通過Flash界面展示。2) 報警。分為安全類報警和能效超限報警兩大類。安全類報警包括高低水位、蒸汽壓力、溫度等，能效超限報警主要是熱效率、排煙溫度的超限等。軟件還支持按報警類型、時間搜索記錄，并提供報警處理記錄功能，并可主動將報警信息推送到相關人員手機端。3) 數據查詢。軟件提供不同鍋爐后臺的能效計算并形成相應的周、月、季度、年度運行報表，提供對同類型鍋爐數據對比和參數關聯性對比分析，提供歷史數據導出功能。4) 多級權限管理。根據系統管理員、政府、使用單位、鍋爐制造廠及服務機構等，建立多級權限區域。在每個權限區域下，添加各種受限對象，包括數據信息、報表等。5) 配置管理。分為信息管理、終端在線管理和系統日志管理。信息管理可實現對鍋爐基本信息設置和修改；終端在線管理實現對終端運行狀態查詢、故障查詢及通信費用管理；系統日志管理記錄系統所產生所有行為，包括系統維護日志和操作日志。6) 數據發布。根據監管要求，根據鍋爐，對轄區內所有鍋爐的運行效率、能耗指標等關鍵參數進行定期公布。7) 手機微信。采用微信公眾號，可在手機、PAD上監測鍋爐實時數據和運行狀況，并管理相應權限內的鍋爐。云平臺上位機軟件界面如圖8所示。

(a) 主監控臺

(b) Flash界面 圖8 云平臺上位機軟件界面

5.2 嵌入式終端軟件

人機界面如圖9所示。嵌入式終端軟件主要功能包括：1) 參數檢測。連續采集模擬量和開關量，采樣周期大于100 Hz，完成AD轉換和狀態檢測。

2) 標度變換。將模擬量轉換為對應物理參數，標度變換計算可通過遠程設置。

3) 能效參數計算。集成各爐型能效計算數學模型，可實時計算運行效率，并可遠程配置參數。

4) 自診斷。自動監測外部傳感器連接狀態，斷線時能發出報警信息；本身受干擾后能自動恢復，恢復時間小于0.5 s。

5) 報警提示。故障時，可通過指示燈和顯示界面發出報警信息。

6) 數據通信。可自動通過GPRS或3G網絡連接物聯網平臺服務器，根據通信協議發送數據，接收并處理遠程控制指令。

7) 遠程配置及管理。通過平臺服務器上通信服務程序遠程配置采樣通道、標度變換參數、上報模式及周期、報警閾值、能效模型參數等，具備遠程時間校準、故障復位及終端重啟等控制功能。

8) 人機交互。具有人機接口，可通過觸摸屏和鍵盤選擇顯示內容，設置運行參數。

圖9 采集終端人機界面

6 結 語

本文利用物聯網、互聯網、云計算等核心技術，設計了云平臺軟件系統，由上位機軟件、采集終端嵌入式軟件、熱效率計算模型及通信協議四部分組成。其中，上位機軟件用Java7語言編寫，模塊化設計，采用B/S 結構，總體邏輯架構分為采集層、傳輸層、存儲層、支撐層、應用層和表現層六個層次。包括綜合平臺、政府平臺、企業平臺和公眾平臺四大板塊，具備在線監測、報警、數據查詢、多級權限管理、配置管理、數據發布、手機微信等七大功能；嵌入式終端軟件用C語言編寫，模塊化結構，用于嵌入式數據采集終端人機界面；熱效率計算模型分為正平衡模型和反平衡模型，有燃煤/生物質鍋爐和燃油/氣鍋爐兩種參數輸入界面；專用通信協議規定了采集終端與云平臺間通過傳輸網絡進行數據傳輸的協議結構、數據類型及數據定義。

目前，基于此軟件系統基礎上構架的鍋爐物聯網監測系統已在杭州市14個區縣進行示范，90家單位133臺鍋爐安裝了這套系統，包括60臺燃油/氣鍋爐，69臺燃煤/生物質鍋爐和4臺熱電鍋爐，已試運行18個月，取得良好的社會效益和節能效果。