基于工業(yè)鍋爐的遠程物聯網監(jiān)測數據采集終端分析

苗 壯

（西安安外事學院物聯網工程系，陜西西安710077）

工業(yè)鍋爐具有其自身的獨特性，即量大面廣，且布點太過分散，就監(jiān)督管理部門而言，在區(qū)域范圍內的工業(yè)鍋爐運行狀態(tài)參數獲取難度較大，這就直接阻礙了安全監(jiān)控與能耗監(jiān)測等工作的順利開展。就使用單位來講，受作業(yè)人員素質與責任意識較差的影響，很容易引發(fā)安全事故。另外，企業(yè)的節(jié)能意識不強，能源嚴重浪費，環(huán)境污染十分嚴重，依舊是節(jié)能減排的重要影響因素。所以，進行基于工業(yè)鍋爐的遠程物聯網監(jiān)測數據采集終端設計與開發(fā)，實現監(jiān)督管理部門、使用單位、企業(yè)等多元化共治，對于我國構建能源節(jié)約型社會發(fā)揮著重要作用[1]。在工業(yè)鍋爐房中安裝數據采集終端，其作為物聯網監(jiān)測系統(tǒng)采集并傳輸信號的重要載體，發(fā)揮著采集、遠程傳輸、現場合理設置等相關功能作用。

1 工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測系統(tǒng)原理

工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測系統(tǒng)應用是智能化、網絡化管理系統(tǒng)在工業(yè)監(jiān)測中的典型代表，目的是構建海量大數據專家系統(tǒng)，在鍋爐DCS 實時數據庫分布式系統(tǒng)、異地分布數據傳輸系統(tǒng)基礎上，采集、傳輸并整合不同范圍的數據，通過大數據挖掘技術，對橫向數據與縱向數據進行全面統(tǒng)計分析，從而為改善與優(yōu)化燃燒系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、污染排放系統(tǒng)等各個系統(tǒng)的正常運行提供有效決策依據，同時提供安防監(jiān)控與故障報警功能，對節(jié)能減排與安全生產間的關系進行科學處置，進而實現工業(yè)鍋爐的遠程監(jiān)測，實現全面化管理，提高運行效率與質量，最終實現節(jié)能環(huán)保與安全生產的雙重目標[2]。

2 基于工業(yè)鍋爐的遠程物聯網監(jiān)測數據采集終端設計

2.1 PLC型數據采集終端

PLC型數據采集終端通過外接傳感器與PLC采集相結合集成在控制柜的計劃[3]，主要包含五大組成部分，其數據采集終端結構具體如圖1所示。

圖1 PLC型數據采集終端結構

2.1.1 供電模塊

供電模塊的主要作用是進行電源轉換，并為終端各個元器件提供電能，即斷路器、12 V 與24 V 轉換電源、熔斷器。其中斷路器是終端的總開關；而熔斷器的任務是切斷故障電路，以確保終端的安全性與穩(wěn)定性；轉換電源則是把交流電轉換成電源，為終端元器件提供電能。

2.1.2 采集模塊

采集模塊是用來進行開關、模擬、溫度信號采集的，包含不同類型傳感器、電控柜采集器、端子排、計量裝置。其中，電控柜采集器的作用是基于繼電器、接觸器、指示燈，進行報警與運行狀態(tài)信號采集。水質報警儀器則是通過對工業(yè)鍋爐的給水硬度進行在線監(jiān)測，并及時傳輸超標告警信號。這些都屬于開關信號。另外，壓力傳感器的任務是進行蒸汽壓力信號采集，為0～5 V 電壓模擬信號。氧量傳感器的作用是進行工業(yè)鍋爐尾部煙道排煙氧含量信號采集，主要包含氧化鋯探頭、PCB板兩大部分。溫度傳感器的任務是進行各個環(huán)節(jié)的溫度信號采集。這些都屬于4～20 mA 電流模擬信號。端子排主要是根據具體要求對信號與電源線路進行合理排序，以便于順利完成接線[4]。

2.1.3 PLC模塊

PLC 模塊主要用來整合、編碼、運算各種信號，主要包含五大部分，即溫度測量、模擬量輸入、開關量輸入、PLC主機、通信擴展。其中，溫度測量保留信號采集通道，以接收溫度傳感器所采集的溫度模擬信號。模擬量輸入保留信號采集通道，以接收氧量傳感器所采集的電流模擬信號與壓力傳感器所采集的電壓模擬信號。開關量輸入是在PLC主機中加以安裝的，主要任務是接收主控柜與水質報警儀器所采集的開關信號。PLC 主機內部安裝RS232 或RS485 通信接口與Mod bus 通信協議，以整合、編碼、預算所采集開關量信號、模擬信號。最后是通信擴展中安裝RS232通信接口、以太網通信接口、Mod bus 通信協議，作用是與外置通信模塊之間實現通信。

2.1.4 視頻模塊

視頻模塊的作用是對工業(yè)鍋爐房內的視頻信號進行采集，主要包括攝像頭、通信線路、供電。其中，攝像頭的任務是采集視頻信號，內部配有3G卡槽與以太網通信接口，可以基于有線、無線方式把視頻信號傳輸到管理平臺上去。通信的任務是傳輸信號，即輸出傳輸單元、路由器、虛擬專用網絡、調制解調器等構成。數據傳輸單元基于RS485接口，從RS232轉向RS485連接線，以與PLC 通信擴展RS232 接口的銜接，通過Mod bus RTU 透明通信模式，進行無線傳輸。而路由器、虛擬專用網絡、調制解調器則是基于網線與PLC 通信擴展的以太網接口有效銜接，通過Mod bus TCP 模式，進行ADSL寬帶有線傳輸[5]。

2.2 DCS數據接入型終端

工業(yè)鍋爐運行數據遠程監(jiān)測的方式有安裝傳感器或數據采集終端。傳感器可以單獨在鍋爐內部進行安裝，或者是在相關單位允許的基礎上，利用自身所配置的傳感器。而熱電鍋爐控制系統(tǒng)的自動化水平相對較高，傳感器的配置比較完善，但設備占用面積較大，重裝難度非常大，對此，進行DCS 數據接入型終端設計與開發(fā)，以采集、傳輸熱電鍋爐的運行狀態(tài)數據[6]。DCS 數據接入型采集終端包含專用控制器接口卡與GPRS 數據通信模塊，具體采集終端結構如圖2 所示。

圖2 DCS數據接入型采集終端結構

其中，接口卡是就電廠DCS 系統(tǒng)的具體類型與需求進行提供。基于電廠允許，進行通信協議開放，通過主控制器獲取運行數據與Mod bus地址。由于具備一定的保密性，只提供常用信號參數。而GPRS 通信模塊通過Mod bus RTU 通信模式，為遠程監(jiān)測監(jiān)管平臺以無線方式傳輸實時運行參數，利用工業(yè)標準接口和表面組裝技術封裝形式的無線模塊進行，此模塊可以進行語音、數據、傳輸等相關數據信息傳輸，具備成本低、尺寸嚴謹等優(yōu)勢。另外，SIM 卡基于接口電路實現與GPRS通信模塊的有機銜接。

2.3 嵌入式數據采集終端

2.3.1 硬件系統(tǒng)

嵌入式數據采集終端硬件系統(tǒng)采用上下位機結構，具體如圖3 所示。CPU 系統(tǒng)選用性能高、成本能耗低的嵌入式應用設計的STM32F103 芯片，不僅結構簡潔，簡單易用，與工業(yè)鍋爐房的復雜、惡劣環(huán)境等條件相適應，而且內外部資源能夠在很大程度上滿足數據采集終端的多元化要求。而電源電路的作用是提供所需電源，把外部輸入電源轉變成電子電路工作電源，以使得電源更加穩(wěn)定安全，并有效減緩干擾。串行通信回路能夠對外連接串行設備，從既有系統(tǒng)中獲取設備運行數據，還能夠切實應用到進行連接擴展的數據采集單元。開關量輸入回路能夠對各種輸入信號進行測量，并進一步分隔。模擬量輸入回路則可以測量模擬量。GPRS 通信回路能夠遠程通信，以相關協議為依據，傳輸設備運行參數到遠程監(jiān)測平臺上。另外，顯示單元的設計與開發(fā)有兩種計劃，其一，以高集成度串口屏作本地顯示終端，以全方位展示運行狀態(tài)與參數；其二，通過一體化工業(yè)顯示器作為顯示終端，基于串行通信回路實現與嵌入式系統(tǒng)的對接，以完成數據交換共享[7]。

圖3 硬件系統(tǒng)總體結構

2.3.2 軟件系統(tǒng)設計

嵌入式數據采集終端以μC/OS-II軟件系統(tǒng)為基礎處理任務、控制進程，并共同完成全部的任務，其軟件系統(tǒng)結構具體如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)整體結構

顯示管理與人機接口任務的作用是，刷新本地顯示界面，監(jiān)測觸摸屏，監(jiān)控并及時響應指示燈與按鈕操作。而系統(tǒng)管理任務的作用是進行基礎性操作，即存儲管理、定時控制、切換任務等等。串行通信任務的作用是與外部擴展單元的數據進行通信、報文、發(fā)送、接收與分析等[8]。

3 基于工業(yè)鍋爐的遠程物聯網監(jiān)測數據采集終端的功效

3.1 減少安全隱患

基于工業(yè)鍋爐的遠程物聯網監(jiān)測數據采集終端可以對鍋爐的水位、壓力、溫度、水質等相關運行參數進行實時監(jiān)控與采集，如果其中出現安全隱患，即低水位或蒸汽超壓狀況，此時系統(tǒng)會及時發(fā)出警報，使用單位工作人員可以快速接收到告警信號。而且監(jiān)測工作人員也會通過電話的方式，對使用單位工作人員加以提醒，以督促其及時采取有效的處理措施，最大程度上防止安全事故的發(fā)生。與此同時，系統(tǒng)還具備詳細記錄報警信息的功能，能夠為查詢事故狀況提供有力幫助[9]。

3.2 用戶企業(yè)實現節(jié)能

基于數據采集與分析，進行技術節(jié)能改造。一旦監(jiān)測到工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)不良，并通過分析，認定是鍋爐自身結構與技術等原因造成的，不能以調整運行參數的方式提高運行效率的時候，應建議用戶根據實際情況進行技術改造。而排煙溫度較高時，可以在工業(yè)鍋爐的尾部受熱面部分，安裝節(jié)能器或煤分層裝置，并采取一定的爐拱改造與變頻控制技術，以使得工業(yè)鍋爐燃燒效率與水平得到有效提升。

3.3 實現運行數據共享

遠程物聯網監(jiān)測系統(tǒng)可以全面監(jiān)測各種類型的工業(yè)鍋爐，且實現運行狀態(tài)數據信息各機構與部門之間的共享，為工業(yè)鍋爐制定安全節(jié)能、監(jiān)督管理策略奠定堅實的基礎，以實現動態(tài)化監(jiān)管。現階段，系統(tǒng)數據已經為少數城市制定工業(yè)鍋爐產業(yè)政策提供了重要依據，并為監(jiān)督管理部門落實相關政策提供了有利的數據支持[10]。

4 結 論

綜上所述，在工業(yè)鍋爐遠程物聯網監(jiān)測系統(tǒng)中，數據采集終端的作用是采集與傳輸信號的轉換橋梁，其具備采集、遠程傳輸、現場設置等優(yōu)勢功能。通過多元化功能需求，進行PLC型數據采集終端、DCS數據接入型終端、嵌入式數據采集終端設計與開發(fā)，其中PLC型數據采集終端、嵌入式數據采集終端的通用性與實用性較高，能夠在各種類型的工業(yè)鍋爐中實現有效應用，實踐效果良好，可以保證鍋爐的安全可靠運行。而DCS數據接入型終端的應用并未得到大力推廣與普及，但是已經有少數熱電鍋爐引用了此終端，實現了DCS 數據接入遠程監(jiān)測系統(tǒng)的構建。這三種數據采集終端的設計開發(fā)在很大程度上為工業(yè)鍋爐安全節(jié)能遠程監(jiān)測，以及安全故障檢測等提供了有力的數據支持。