基于物聯(lián)網(wǎng)的鍋爐能效測試集成系統(tǒng)的研發(fā)

李飛翔 楊笑峰 王 泓 湖北省特種設(shè)備安全檢驗檢測研究院

1 目前工業(yè)鍋爐能效測試存在的問題

為推進工業(yè)鍋爐的節(jié)能工作，國家質(zhì)檢總局先后頒布《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》、《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》等技術(shù)規(guī)范，明確了工業(yè)鍋爐能效測試的技術(shù)標準，在全國范圍內(nèi)推行工業(yè)鍋爐能效測試工作。

但目前工業(yè)鍋爐能效測試仍存在一些亟待解決的技術(shù)問題。

1）現(xiàn)有能效測試設(shè)備大多僅具有單項檢測功能，體積龐大，機動性差，集成化程度低，導(dǎo)致單臺儀器的精度會嚴重影響整個測試系統(tǒng)精度，也影響最終結(jié)果的科學(xué)性和可信度。

2）現(xiàn)階段特種設(shè)備檢驗檢測機構(gòu)作為工業(yè)鍋爐能效測試的主體，在節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)驗尚淺，分散式的能效測試裝備難以支撐測試機構(gòu)對鍋爐整體燃燒效率的有效、準確地評價。

3）工業(yè)鍋爐設(shè)備點多而面廣的分布特點也使得整個測試周期很長。測試人員的工作強度極大，同時測試現(xiàn)場的惡劣環(huán)境對測試人員造成較大的安全問題。

針對以上問題，研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)的高度集成化測試系統(tǒng)，在完全滿足國家技術(shù)規(guī)范和標準的基礎(chǔ)上，為工業(yè)鍋爐能效測試提供系統(tǒng)化、高精度、高效率的整套技術(shù)解決方案。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things, IOT)[1,2,3]最早在1999年被提出來，其宗旨是實現(xiàn)所有物與物之間的互聯(lián)互通，同時能夠?qū)崿F(xiàn)物與物、物與人之間的智能交互。利用各種現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括無線傳感技術(shù)、紅外檢測技術(shù)、GPS（全球定位系統(tǒng)）等，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，通過各類網(wǎng)絡(luò)接入方式，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在鏈接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

在鍋爐能效測試集成系統(tǒng)中，主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4](Wireless Sensor Network)是一種特殊的Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)，它與傳統(tǒng)的無線Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)(WANET)相比呈現(xiàn)出以下明顯特點：

1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多、密度高；

2）網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻度高；

3）節(jié)點采用廣播方式；

4）單個節(jié)點出現(xiàn)問題不會對整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響；

5）網(wǎng)絡(luò)具備一定的容錯能力。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由部署的大量傳感器通過無線傳感信號相連，形成的一個分布式網(wǎng)絡(luò)。傳感器可以進行各種外界信號、物理條件以及環(huán)境信息的采集，采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，最后上層應(yīng)用系統(tǒng)對收到的數(shù)據(jù)進行處理然后向用戶提供各種服務(wù)功能。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系采用自主設(shè)計的以Zigbee技術(shù)為通訊方式的異構(gòu)系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，傳輸協(xié)議不是傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議，而是采用STP/SP協(xié)議棧，同時增加智能層用來協(xié)商物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點間的協(xié)議選擇，從而組成物聯(lián)網(wǎng)體系協(xié)議棧體系。圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)體系協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖。

STP(Smart Transport Protocol)指智能傳送協(xié)議，而SP(Smart Protocol)指智能協(xié)議。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

3 鍋爐能效測試集成系統(tǒng)的技術(shù)方案

3.1 能效測試集成系統(tǒng)儀器物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方案

● 3.1.1 短距離無線通訊方法對比

傳統(tǒng)的有線通信方式因為其成本高、布線復(fù)雜，不能滿足鍋爐能效測試的需求，因此本系統(tǒng)采用無線通訊方式。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸范圍來劃分，可分為無線廣域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線個人域網(wǎng)。無線個人域網(wǎng)即短距離無線網(wǎng)絡(luò)，典型的短距離無線傳輸技術(shù)有：藍牙（Bluetooth)、ZigBee、WiFi等。

在工業(yè)控制、家庭自動化和遙測遙感領(lǐng)域，藍牙（Bluetooth）雖然成本較低，成熟度高，但是傳輸距離有限，僅為10m，可以參與組網(wǎng)的節(jié)點少。Wi-Fi雖然傳輸速度較快，傳輸距離達到100m，但是其價格偏高，功耗較大，組網(wǎng)能力較差。

相比之下ZigBee技術(shù)則主要針對低成本、低功耗和低速率的無線通信市場。具有如下特點：

成本低：ZigBee模塊的初始成本低，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的，采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868 MHz(歐洲)，免執(zhí)照頻段。

低功耗：由于ZigBee的傳輸速率較低，傳輸數(shù)據(jù)量較小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備功耗很低，僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長時間使用。

低速率：ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps (915MHz)和20kbps(868MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

時延短：ZigBee的響應(yīng)速度較快，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，一般從休眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要15ms，典型的搜索設(shè)備時延為30ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。

網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee 可采用星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。

可靠度高：為了避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突，采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙。MAC層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

安全：ZigBee 提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AES 128) 的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

傳輸距離遠：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF 發(fā)射功率后,亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

由于ZigBee技術(shù)具有上述特點，因而非常適合用來搭建工業(yè)鍋爐能效測試的網(wǎng)絡(luò)。

● 3.1.2 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

現(xiàn)場測試組網(wǎng)情況大概如圖，通過ZigBee串口適配器進行組網(wǎng)。設(shè)備A、B、C、D是測試儀器，通訊接口是串口根據(jù)ZigBee串口適配器特性和實際需求，設(shè)計出如下網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲

整個網(wǎng)絡(luò)中由一個中心節(jié)點、若干個測試節(jié)點和若干個中繼節(jié)點組成。

中心節(jié)點：放置在數(shù)據(jù)處理中心處使用，是數(shù)據(jù)處理中心計算機用來讀取各測試節(jié)點測量結(jié)果的入口。該節(jié)點工作在點對點模式下，通過各個測試節(jié)點的MAC地址對各測試節(jié)點進行數(shù)據(jù)操作。

測試節(jié)點：放置在燃燒效率分析儀處使用，燃燒效率分析可以通過它接受計算機發(fā)送出的指令和返回測試結(jié)果。工作在路由節(jié)點，主從模式下，測試節(jié)點只能接受中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)和把結(jié)果返回到中心節(jié)點。

中繼節(jié)點：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況放置，是當(dāng)中心節(jié)點和測試節(jié)點比較遠，或是現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，中心節(jié)點和測試節(jié)點無法直接連入網(wǎng)絡(luò)，需要在他們中間加入一個中繼節(jié)點，用來擴大通訊范圍。該節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)需要加入的，不是必須的，而且對于整個網(wǎng)絡(luò)來說是透明的。中繼節(jié)點和測試節(jié)點可實現(xiàn)相互替換。

3.2 鍋爐能效測試軟件平臺解決方案

能效測試系統(tǒng)軟件主要依據(jù)GB/T 10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》和TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試和評價規(guī)則》的要求，建立了定型測試、簡單測試、詳細測試三大模塊。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時記錄、車載燃料分析設(shè)備對燃料的化驗分析，完成數(shù)據(jù)分析和整合，得到能效評價結(jié)果，如圖3所示。能效測試系統(tǒng)軟件根據(jù)其實現(xiàn)的功能可分為測試項目管理、測試數(shù)據(jù)管理以及能效評價管理三大模塊。

圖3 總體功能圖

● 3.2.1 測試項目管理

測試項目模塊可按照測試所需求的測試項目和評價方法，指導(dǎo)用戶建立測試項目，根據(jù)標準的流程設(shè)置現(xiàn)場測試設(shè)備，完成數(shù)據(jù)采集工作。

用戶登錄后可根據(jù)測試要求，在登錄界面上，如圖4所示，選取合適的測試模塊。

圖4 測試模塊選擇界面

選擇完成后軟件會自動引導(dǎo)用戶輸入項目信息，建立完整的項目記錄，如圖5所示。

圖5 項目信息錄入

● 3.2.2 測試數(shù)據(jù)管理

測試數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄的處理和設(shè)置，主要包括測試儀器管理和測試參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)通訊設(shè)置、實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，如圖6所示。

用戶可通過儀器管理和參數(shù)設(shè)置功能對現(xiàn)有的測試儀器進行登記管理，用戶可根據(jù)現(xiàn)場測試要求靈活選擇測試參數(shù)或項目，然后使用登記的儀器信息選取符合要求的測試儀器，并關(guān)聯(lián)到數(shù)據(jù)通訊記錄，實現(xiàn)軟件對儀器的自動識別和數(shù)據(jù)記錄。

圖6 測試儀表列表

數(shù)據(jù)采集通訊配置將根據(jù)用戶的設(shè)置，列出測試項目和對應(yīng)的測試儀器，用戶可手動設(shè)置或修改儀器的通訊地址，建立起測試儀器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的無線傳輸和記錄。

數(shù)據(jù)采集通訊配置完成后，用戶可啟動測試程序，系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)采集和記錄，測試程序具有數(shù)據(jù)采集和記錄的頻次和偏差控制的功能，并運行測試人員根據(jù)現(xiàn)場情況進行控制修改。用戶可按照測試流程選擇正平衡測試、反平衡測試或工況評價測試的參數(shù)或項目，實時觀察采集數(shù)據(jù)，如圖7界面所示，掌握鍋爐實時工況和效率狀況，以保證測試的有效性和安全性。

圖7 測試信息的實時數(shù)據(jù)界面

測試完成后，用戶手動終止測試程序，系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)采集和記錄。用戶可使用歷史數(shù)據(jù)查詢功能，對測試數(shù)據(jù)進行查詢或分析。歷史數(shù)據(jù)可采用列表或曲線圖供用戶選擇，以方便進行數(shù)據(jù)分析和處理。

● 3.2.3 報告生成

測試完成后，系統(tǒng)會對偏移較大的數(shù)據(jù)進行剔除處理，并對有效數(shù)據(jù)取平均值或使用統(tǒng)計分析后取值。按照GB/T 10180－2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》和TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試和評價規(guī)則》的要求，分別對定型測試、詳細測試和簡單測試三種類型自動生成評價報告，數(shù)據(jù)輸入界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)計算及評價報告數(shù)據(jù)輸入界面

3.3 感知層的設(shè)計

感知層是本鍋爐能效測試集成系統(tǒng)的最底層，是整個系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用的末端，主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、煙氣分析儀、濕度傳感器等設(shè)備系統(tǒng)通過這些設(shè)備探測環(huán)境信息、鍋爐運行狀態(tài)以及系統(tǒng)能耗信息數(shù)據(jù)，然后通過系統(tǒng)的分析決策模塊來提供對應(yīng)的控制決策。表1所示是本系統(tǒng)所采用的主要感知層設(shè)備儀器。

表1 感知層主要設(shè)備儀器

4 現(xiàn)場試驗比對

為了驗證集成系統(tǒng)的工程適用性，在湖北省內(nèi)找了三個鍋爐使用現(xiàn)場作為工程示范測試點，以傳統(tǒng)的手工測試方式（10min記錄一次數(shù)據(jù)）和采用集成系統(tǒng)測試的方式（20s記錄一次數(shù)據(jù)）同時進行測試，將測試結(jié)果進行了比對，結(jié)果表明：在符合測試要求的條件下，集成系統(tǒng)的測試結(jié)果十分穩(wěn)定，與傳統(tǒng)的手工測試方式?jīng)]有明顯的偏差，見表2。這是由于集成系統(tǒng)感知層的測試儀器與傳統(tǒng)方法無異，所以測試數(shù)據(jù)是可信的、符合標準的；而集成系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其組網(wǎng)模塊經(jīng)過工信部門的法定檢驗（Zigbee通訊模塊需經(jīng)過法定檢驗才可生產(chǎn)），相比人工測試方式，集成系統(tǒng)的測試效率得到極大的提高，數(shù)據(jù)采集、處理的過程極為穩(wěn)定，最大程度上避免了外部誤差的產(chǎn)生。

表2 采用傳統(tǒng)測試方式與采用集成系統(tǒng)測試方式的比對

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的鍋爐能效測試集成系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了高度集成的數(shù)字化能效測試方案，替代了人工，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集、連續(xù)記錄、傳輸和處理；測試節(jié)點安裝拆卸方便；整體系統(tǒng)車載移動，機動性強，大大減少了測試人員現(xiàn)場測試的勞動強度。其主要特點和優(yōu)勢如下：

1）實現(xiàn)了現(xiàn)場快速能效測試，滿足TSG G0003－2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》中鍋爐運行熱效率簡單測試的要求。

2）采用Zigbee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將能效測試儀器形成集成系統(tǒng)，實現(xiàn)無線傳輸、實時記錄測試數(shù)據(jù)等功能。

3）本測試集成系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場測試設(shè)備的高度集成化，可對整個集成系統(tǒng)測試結(jié)果精度的可控。

4）自主研發(fā)的專用軟件系統(tǒng)，實時完成數(shù)據(jù)的收集和處理，指導(dǎo)鍋爐經(jīng)濟運行。

5）本系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工方式，測試人員的工作強度得到極大減輕，且與惡劣測試現(xiàn)場有效隔離，在保證數(shù)據(jù)準確性的同時保護了測試人員的安全。

1 UIT.ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things.20052 International Telecommunication Union，Internet Reports 2005:The Internet of Things.Geneva:ITU,2005

3 周洪波.物聯(lián)網(wǎng):技術(shù)、應(yīng)用、標準和商業(yè)模式.北京:電子工業(yè)出版社,2010

4 Panta, Rajesh Krishna;Hall, Robert J;Auzins,Josh; Fernandez,Maria.Geocast for wireless sensornetworks.Network Protocols(ICNP),201119th IEEE International Conference on.Vancouver, AB, Canada. 2011