物聯網視角下的焦爐煤氣檢測數據采集系統設計研究

苗 壯

（西安外事學院物聯網工程系，陜西西安710077）

在焦炭生產時，干餾溫度在550 ℃的時候，會釋放出一定的氣體產物，即所謂的焦爐煤氣，其中主要有H2S、COS2、NH3、HCN、萘、苯等各種化學物質。近年來，我國焦化產業太過注重焦炭生產，卻在很大程度上忽略了綜合有效利用，其中很多焦化企業受利益誘惑，并沒有實現焦爐煤氣節能回收利用裝置的構建。這樣一來，焦爐煤氣的直接排放和燃燒，所導致的經濟損失不可估量。而焦爐煤氣回收的關鍵在于成分含量的有效檢測，即氧氣含量檢測就非常重要，一旦含氧量太高，就極有可能造成故障。但是回收之后的焦爐煤氣如果當作化工原料，就需要進一步了解相關成分的具體含量[1]。在經過處理之后，回收利用焦爐煤氣，組分控制與處理則是以檢測結果的順利實施作為重要依據。在傳感器技術與無線通信技術的快速更新發展下，物聯網技術在日常生產生活中的應用越來越廣泛。而物聯網以其自身的獨特優勢，即分散和智能，有機結合兩大優勢，創新氣體檢測，從而為充分合理利用焦爐煤氣檢測數據的控制與分析奠定堅實的基礎。

1 焦爐煤氣的利用

1.1 加熱燃料

對于焦爐煤氣而言，其傳統利用方式是燃料，而作為不同加熱設施設備的氣體燃料，其具有便捷性與可靠性，傳熱效率較高，以及能夠高效進行管道傳輸等各種顯著優勢，備受工業與生活領域歡迎。在鋼鐵生產企業，存有一定低熱值燃氣富余，在節能技術優化的影響下，熱風爐的雙預熱技術、蓄熱式加熱爐技術等開始各種先進技術開始衍生，從而促使低熱值燃氣實現了充分合理利用，而焦爐煤氣的富余也開始逐漸凸顯。

1.2 居民燃氣

焦爐煤氣用作居民燃氣，此方式并非最佳，但是占地面積較小，而且煤氣銷售的價格比較高，所以經濟效益良好。由于焦爐煤氣中包含大量H2S，HCN，NH3等有害物質，因此，想要在居民生活中實現應用，需要進一步深度凈化，及時去除其中的有害物質，避免對人體造成不必要的傷害。

1.3 軋鋼燃氣

因為軋鋼廠嚴格要求加熱使用的焦爐煤氣中的硫含量，一般會全面控制在幾毫克內。因此，只是單純通過煤氣凈化車間加以處理，無法滿足控制標準。焦爐煤氣生產中的硫化鈉通過利用其中的氫氣和工業無水硫酸鈉在流化床中實現還原，在640 ℃的時候，并在合適的催化劑作用下，可以獲得高含量硫化鈉產品。此方法的優勢在于既能夠實現資源的綜合利用，又能夠實現節能環保。

1.4 發電燃氣

焦爐煤氣在發電方面的利用，具備較高的可行性。因為我國電力資源十分緊張，通過廢氣資源利用進行發電，備受支持?？梢酝ㄟ^燃氣鍋爐帶動蒸汽輪機進行發電，或者通過燃氣輪機帶動發電機進行發電。焦爐煤氣發電的方式主要有三種，即蒸汽、燃氣輪機、內燃機。

1.5 生產純氫

經過焦爐煤氣進行純氫氣生產，在我國已經歷史悠久，生產技術也十分成熟，經濟性良好，尤其是與水電解法生成純氫氣進行對比分析，效益更是突出。但是，焦爐煤氣生產純氫氣，在很大程度上受必備管道輸送固定用戶的局限，否則在用戶出現變化的時候，根本無法保證生產的正常進行。

1.6 合成甲醇

焦爐煤氣包含甲烷、氫氣、一氧化碳等所構成的混合氣體，其中成分和甲醇合成氣體比較分析，可以看出，如果采用合理的化工處理方式，把煤氣中所包含的甲烷氣體轉換成為一氧化碳和氫氣，就能夠滿足制作甲醇生產工藝的合成氣組成要求。但是，甲烷轉化生產工藝已經相對成熟，以此便為焦爐煤氣生產甲醇的工藝優化奠定了堅實的基礎。焦爐煤氣制造甲醇的技術屬于我國特制，關鍵在于把其中煤氣所含甲烷和碳烴轉化成一氧化碳與氫氣。焦爐煤氣制作甲醇還能夠在一定程度上節約投資成本，且力適當調整焦爐自用燃氣與生產甲醇用氣的相關需求，基于根本上有效解決焦爐煤氣造成的環境污染，實現節能環保，變廢為寶的目標[2-3]。

2 焦爐煤氣檢測現狀

2.1 焦爐煤氣檢測的影響因素

在焦爐煤氣檢測中，主要影響因素是溫度與壓力變化[4]。在設計溫度壓力與實際溫度壓力的前提下，體積流量分別是qVA、qVB，兩者關系為

式中：qVA、qVB為體積流量，m3/s；tA為設計均溫，℃；tB為溫度實際檢測值，℃；T為絕對溫度（273.16K）；pA為設計均表壓，kPa；pB為表壓實際檢測值，kPa；P為均大氣壓，kPa。

2.2 焦爐煤氣檢測現狀

焦爐煤氣受各種因素影響，成分比例發生改變，直接導致MG氣體密度出現顯著變化[5]。如果在溫度與壓力相同的條件下，ρA、ρB分別代表設計平均密度與實際密度，體積流量與密度開方呈反相關的比例關系。

誤差關系為

式中：qVA、qVB為體積流量，m3/s；ρA為設計平均密度，kg/m3；ρB為實際檢測密度，kg/m3；qA為設計體積流量，m3/s；qB為實際檢測體積流量，m3/s。

所以，密度與焦爐煤氣檢測的精確度之間密切相關，需要進行密度補償。但是，單純補正溫度與壓力是遠遠不夠，需要依據焦爐煤氣的實時密度數據信息及時補償。焦爐煤氣檢測需要切實結合溫度、壓力、密度等進行全面補償，具體算法為

式中：qafter為補償后體積流量，m3/s；qbefore為補償前體積流量，m3/s。

3 物聯網視角下的焦爐煤氣檢測數據采集系統設計與實現

3.1 系統硬件設計

物聯網視角下的焦爐煤氣檢測數據采集系統，實現了數據的標準化網絡傳輸，在很大程度上為煉焦行業過程控制與煤氣處理奠定了堅實的基礎支持，進而為遠程采集數據與遠程控制生產過程提供了有力幫助。為了保證檢測數據的存儲與傳輸安全，進行了DSP數據采集電路的高精確性設計，基于嵌入式操作系統管理，添加了數據加密存儲與傳輸方式，以此實現了檢測數據的安全性與可靠性[6]。為了滿足相關需求，數據采集系統硬件設計具體如圖1 所示。通過引用雙處理器結構，進行采集、處理、加密存儲、網絡傳輸檢測數據。

3.1.1 雙處理器控制

1）數據管理

焦爐煤氣檢測信號以采集系統為載體，把數據信息及時傳輸到DSP，DSP 處理器構建焦爐煤氣組分信息模型，以此作為控制中心。然后將數據采集與處理結果基于數據總線傳輸到主控CPU 上，通過CPU 進行數據加密并及時存儲到本地空間，經過3G網傳輸到檢測中心服務器，以此實現數據與物聯網的有機連接。

2）人機交互

圖1 監測數據采集傳輸儀功能

人機交互進一步實現了觸摸筆、觸摸屏、LED 屏，也可以以系統輸入端為載體，與鍵盤、鼠標之間實現對接，從而輸入外部信息與指令。

3）網絡反控

數據采集在傳輸檢測數據的時候，還可以基于物聯網接口，實時接收網絡控制指令，能夠就檢測中心的決策，及時發布控制信息，或依據具體生產需要，及時啟動遠程留樣。數據采集系統以數字接口為載體，控制前端檢測設備，或通過語音和指示燈等各種報警裝置，及時傳送檢測信號異常的預警指令[7]。

3.1.2 數據采集模塊

此模塊是采集檢測器的結果模塊，主芯片為AD7606，基于Standby模式，功耗能夠控制在25 MW之內，高信噪比為95.5 dB。其傳輸模式多元化，而其中基于并行模式的數據傳輸率是200 kb，模擬信號能夠進行雙極輸入，與信號放大電路相結合，能夠采集大約4～20 mA標準測量信號。

3.1.3 網絡通信模塊

網絡通信模塊基于3G網絡，其上行速度高達5.76Mbps，下行速度為21 Mbps，其中內置TCP/IP 協議，基于標準化Mini PCIe接口和主控模板實現連接與通信，能夠實現合理設置、狀態查詢、開關控制、數據業務通信等各種功能。

3.2 存儲與網絡傳輸安全設計

焦爐煤氣的檢測數據基于物聯網進行備份的前提下，還需要完整存儲于本地空間。本地存儲信息主要有煤氣成分、含量、溫度等，其存儲會促使數據采集系統相關工作人員通過存儲路徑，隨意打開文件，查看、修正、刪除數據信息。數據修改會對企業監控生產過程，以及焦爐煤氣回收利用等造成直接性影響。與此同時，檢測信息通過網絡進行傳輸，具有明顯弊端。針對數據采集系統的本地存儲文件進行加密，實時監測數據網絡加密傳輸，與數據的安全性、隱秘性，以及監督管理等息息相關。所以，進行專業數據信息加密方案設計，確保本地存儲與網絡傳輸的安全性，勢在必行。現代化加密算法主要包含兩種體制，即對稱密碼體制與非對稱密碼體制，此算法具備簡單與加密速度快等突出優勢[8]。現階段，AES 標準已經成為了對稱密鑰加密的一大主流算法，通過AES加密算法，基于污染數據信息存儲與網絡傳輸安全性、可靠性等需要，進行AES與數字簽名技術相結合的軟件與硬件混合數據信息加密方法設計。其中，通過偽碼進行數據網絡傳輸的組織過程實現具體如圖2所示。

圖2 加密函數流程圖

3.3 嵌入式數據庫設計

為了對后續查詢與利用焦爐煤氣的檢測數據信息進行詳細分析，應科學管理本地數據信息。通過實際算法檢測數據大約為1M/天，而10 年的存儲容量大約為4G，利用傳統的本地文件存儲方式進行適當處理，查詢性能與數據管理都難以滿足其相關要求。由于數據采集設備明確要求，應具備無網絡支持的獨立工作能力，因此，通過嵌入式數據庫技術進行本地存儲，是唯一的可行性方案。而嵌入式數據庫應該體積較小，效率較高，并且適當控制在CPU資源中的占用比例[9]。

受成本與效率等相關因素的影響，采用基于開源SQ Lite3.0的嵌入式數據庫有效管理檢測數據，并移植引進AES混合加密方案，從而保證檢測數據的可靠性、真實性、安全性，實現數據加密、存儲、查詢的高效性。SQ Lite 數據庫在運行過程中，會和應用程序之間共享進程空間，不需要單獨占用一個獨立進程，內存開銷比較小，可移植性非常強，運行效率比較高，可靠性與安全性良好。而且SQ Lite 也不需以網絡服務器為載體，也不需要設置太過復雜的環境，數據庫文件數據格式基于X86 與ARM 平臺，可以兼容二進制，數據文件不需在各種操作系統下轉換。就焦爐煤氣檢測特性，與物聯網數據傳輸標準有機結合，根據面向對象思想設計數據庫E-R 模型。通過測試，存儲容量為8G 的能夠存儲10 年以上的檢測數據，在數據采集系統上，隨意查詢數據信息的響應時間都不會超出3 s[10]。

4 結 論

總之，焦爐煤氣檢測中的不確定性因素太繁雜，也無可避免，因此，為了保證檢測的準確性，必須充分考慮溫度、壓力、密度等相關參數變化的影響，并及時進行補償，確保其可以真實反映焦爐煤氣用量。通過設計并實現物聯網視角下的焦爐煤氣檢測數據采集系統，實現煉焦行業焦爐煤氣組分信息檢測與網絡傳輸，其既能夠實時隨意查看并利用焦爐煤氣檢測數據，還能夠基于物聯網遠程控制并分析數據，以此實現煉焦中焦爐煤氣制備的遠程控制與處理。而且以物聯網為載體進行焦爐煤氣檢測數據采集，能夠在一定程度降低原料消耗，減少污染排放，進而實現煉焦行業的節能環保可持續發展。