淺談鍋爐集中監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 理

（天津金融城開發(fā)有限公司，天津 300041）

淺談鍋爐集中監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 理

（天津金融城開發(fā)有限公司，天津 300041）

本文闡述了設(shè)計(jì)鍋爐集中監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的目的和意義，特別指出了本系統(tǒng)對于大氣污染防治方面的特殊貢獻(xiàn)。第二章解釋了其系統(tǒng)架構(gòu)、運(yùn)行原理和功效，提出了海量數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)想。第三章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成，對數(shù)據(jù)的采集、傳輸和安全監(jiān)控做出了說明。文章最后總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

鍋爐監(jiān)測；互聯(lián)網(wǎng)；DCS

1 我國工業(yè)鍋爐使用情況現(xiàn)狀分析

近些年以來，我國大氣環(huán)境形勢嚴(yán)峻，全國各地普遍出現(xiàn)大面積的霧霾天氣，且多發(fā)頻發(fā)，持續(xù)時間較長，社會反映十分強(qiáng)烈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)鍋爐對城市大氣污染貢獻(xiàn)率高達(dá)45%-65%，是城市污染的一個主要污染源。我國工業(yè)鍋爐能耗相對較大，熱效率偏低，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行熱效率為72%-83%，實(shí)際運(yùn)行效率60%-65%，設(shè)計(jì)水平和國際平均水平相比都較低。我國目前主要使用的燃煤工業(yè)鍋爐以鏈條爐為主，爐膛相對較小，燃燒方式為層燃，煤粒徑大，燃燒集中在爐膛下部，燃燒條件相對較差。鍋爐容量≤24.5MW（35t/h）的鍋爐約占工業(yè)鍋爐總量的98.9%，在中小型燃煤鍋爐中有90%以上的鍋爐為層燃式爐排鍋爐（即層燃爐）。

2 鍋爐集中監(jiān)測系統(tǒng)的原理和功效

鍋爐集中監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示范項(xiàng)目是智能化管理系統(tǒng)在工業(yè)監(jiān)測方面的一個典型應(yīng)用，它旨在建立一個海量大數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)，在鍋爐DCS實(shí)時數(shù)據(jù)庫分布式系統(tǒng)、異地分布數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將分布于不同地域的鍋爐數(shù)據(jù)采集、傳輸、匯總，采用海量大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過對鍋爐的橫向數(shù)據(jù)（不同鍋爐之間的數(shù)據(jù)）與縱向數(shù)據(jù)（單一鍋爐的歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為優(yōu)化鍋爐的燃燒系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、排放系統(tǒng)等子系統(tǒng)工作運(yùn)行狀態(tài)提供管理決策建議，提供安防監(jiān)控和故障報(bào)警功能，合理處理節(jié)能減排、安全生產(chǎn)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鍋爐的集中監(jiān)測，推進(jìn)精細(xì)化管理，提升鍋爐運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)保低碳、安全生產(chǎn)的目標(biāo)，為控制霧霾、改善空氣環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

3 鍋爐集中監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)子系統(tǒng)概述

3.1 海量大數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)

海量大數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)，其海量大數(shù)據(jù)體現(xiàn)在一臺400MW的中小型鍋爐需要采集的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)有4000左右，按照采樣周期3秒鐘，每天產(chǎn)生120百萬條數(shù)據(jù)。海量大數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理，將會有效地優(yōu)化鍋爐設(shè)計(jì)，通過對鍋爐的橫向數(shù)據(jù)（不同鍋爐之間的數(shù)據(jù)）與縱向數(shù)據(jù)（單一鍋爐的歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為優(yōu)化鍋爐的燃燒系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、排放系統(tǒng)等子系統(tǒng)工作運(yùn)行狀態(tài)提供決策建議，合理處理節(jié)能減排、安全生產(chǎn)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鍋爐的集中監(jiān)測，推進(jìn)精細(xì)化管理，提升鍋爐運(yùn)行效率。

海量大數(shù)據(jù)分析專家系統(tǒng)包括學(xué)習(xí)系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、云存儲系統(tǒng)、云安全系統(tǒng)等。

海量大數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)功能模塊

海量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)功能、大規(guī)模并行分布式處理功能、連續(xù)時間非線性動力學(xué)和全局集體作用來實(shí)現(xiàn)知識獲取自動化，解決了“組合爆炸”和“推理復(fù)雜性”及“無窮遞增”等一系列困難，達(dá)成并行聯(lián)想和自適應(yīng)推理，提高本系統(tǒng)的智能水平，使系統(tǒng)具備實(shí)時處理能力和較好的魯棒性。

3.2 異地分布式數(shù)據(jù)傳輸

鍋爐參數(shù)值關(guān)系到鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)安全，某個參數(shù)值設(shè)置不合適或不正確可能導(dǎo)致鍋爐停止運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至損壞，所以，采集鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)值之后，如何將數(shù)據(jù)安全、可靠、完整地傳輸?shù)娇刂浦行闹陵P(guān)重要。數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌沸枰缭焦W(wǎng)，跨越公網(wǎng)就存在被別人篡改的風(fēng)險(xiǎn)。

異地分布數(shù)據(jù)傳輸解決方案重點(diǎn)研究應(yīng)用于鍋爐集中監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，包括數(shù)據(jù)采集中間件模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、消息中間件模塊等。

在實(shí)際的DCS數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，底層DCS控制種類繁多，由于底層DCS數(shù)據(jù)采集設(shè)備帶來的差異性問題，會給整個服務(wù)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，同時，底層直接采集到的數(shù)據(jù)含有大量重復(fù)冗余的信息會給上層應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)帶來巨大的數(shù)據(jù)壓力。為了解決以上問題，需要構(gòu)建一個DCS數(shù)據(jù)采集中間件分離業(yè)務(wù)邏輯與底層數(shù)據(jù)采集，通過研制一個可支持多種DCS控制器DCS數(shù)據(jù)采集中間件平臺，用于采集不同DCS控制器拋出的鍋爐數(shù)據(jù)。該中間件需要具有遵循標(biāo)準(zhǔn)、功能可擴(kuò)展、支持基于業(yè)務(wù)的元事件過濾機(jī)制、能管理多種DCS控制終端等特性，以實(shí)現(xiàn)各種工作環(huán)境下對不同類型的DCS的數(shù)據(jù)采集。DCS數(shù)據(jù)采集中間件負(fù)責(zé)為上層應(yīng)用屏蔽底層DCS數(shù)據(jù)采集設(shè)備的差異性，提供對DCS數(shù)據(jù)采集設(shè)備統(tǒng)一的管理接口，同時對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、匯集、聚合等處理，將其轉(zhuǎn)換成上層應(yīng)用能理解的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為底層硬件與上層應(yīng)用降低耦合性，分離上層業(yè)務(wù)邏輯與底層數(shù)據(jù)采集。

3.3 鍋爐DCS數(shù)據(jù)采集

鍋爐集中監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集是基于鍋爐DCS的實(shí)時數(shù)據(jù)庫分布式系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)批量鍋爐工作過程工作參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集、鍋爐故障的預(yù)警及遠(yuǎn)程排除。通過該系統(tǒng)旨在連接現(xiàn)場控制系統(tǒng)并將各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包整合到一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，既為解決目前工業(yè)企業(yè)中的各類DCS系統(tǒng)自我封閉，信息不能共享，形成“信息孤島”，難以將信息進(jìn)行整合提供了必要的實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)平臺，也為控制中心檢測銷往各地鍋爐的實(shí)時工作狀態(tài)提供了集成的實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。是連接企業(yè)管理信息系統(tǒng)和現(xiàn)場控制系統(tǒng)之間的橋梁，在流程工業(yè)企業(yè)綜合自動化體系和企業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中具有極其重要的地位。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于DCS的實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，是一種實(shí)時數(shù)據(jù)與分布式數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的分布式實(shí)時數(shù)據(jù)庫，將實(shí)時數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互滲透和有機(jī)結(jié)合，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過程采集數(shù)據(jù)的共享和實(shí)時同步。

分布式應(yīng)用體系分為五層：現(xiàn)場控制系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)接口服務(wù)器層、實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)層、實(shí)時數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用層、基于OPC或Web服務(wù)器的客戶端應(yīng)用層。

現(xiàn)場控制系統(tǒng)層：現(xiàn)場控制系統(tǒng)層是基于現(xiàn)場的DCS系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制站中的主控單元、智能IO單元、現(xiàn)場總線完成現(xiàn)場鍋爐內(nèi)各種傳感器、智能單元的自動采非電量或者電量信號。

數(shù)據(jù)接口服務(wù)器層：數(shù)據(jù)接口服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)的最底層，它們可通過網(wǎng)絡(luò)直接與企業(yè)的數(shù)據(jù)源服務(wù)器或其它數(shù)據(jù)設(shè)備連接，這些都是服務(wù)器中用來運(yùn)行實(shí)時數(shù)據(jù)庫的接口軟件。

實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的分布式應(yīng)用模式框架

實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器層：這一層作為接口服務(wù)器的上一層，可處理接口軟件采集的數(shù)據(jù)，并管理相應(yīng)的采集任務(wù)，同時經(jīng)過計(jì)算，向?qū)崟r數(shù)據(jù)平臺的應(yīng)用層提供各類數(shù)據(jù)服務(wù)。

基于OPC或Web服務(wù)器的客戶端應(yīng)用層：客戶端應(yīng)用層可以通過其它方式（如OPC服務(wù)器、Web服務(wù)器的方式）向更上一層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

［1]張飛舟，楊東凱，陳智.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論［M].電子工業(yè)出版社，2010（06）.