基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)終端

（杭州市特種設(shè)備檢測研究院，杭州 310003）

鍋爐是利用燃料或工業(yè)生產(chǎn)中余熱的熱能將工質(zhì)加熱到一定溫度和壓力的機(jī)械換熱設(shè)備。當(dāng)前我國的工業(yè)鍋爐存在自動化程度低、耗能高、效率低、污染嚴(yán)重、易發(fā)生事故等不足[1]。從現(xiàn)有的監(jiān)管手段來看，由于工業(yè)鍋爐容量小、數(shù)量大、布點(diǎn)分散，難以集中監(jiān)管[2]，區(qū)域范圍內(nèi)的所有工業(yè)鍋爐的基本信息及安全節(jié)能動態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)難以獲取，這給更全面地安全監(jiān)察和能耗監(jiān)測帶來一定難度。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鍋爐狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是解決上述問題的一項(xiàng)重要技術(shù)方案[3-5]。通過安裝傳感器，或者利用鍋爐現(xiàn)有傳感器，將工業(yè)鍋爐的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)采集、編碼、并傳送至遠(yuǎn)程管理平臺，進(jìn)一步分析計(jì)算并評價(jià)被測鍋爐的安全及能效指標(biāo)，并以互聯(lián)網(wǎng)為載體實(shí)時(shí)動態(tài)發(fā)布被監(jiān)測鍋爐的運(yùn)行情況。

在鍋爐狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中，處于工業(yè)現(xiàn)場的前端數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置要適應(yīng)各類型、各品牌、各種環(huán)境下的工業(yè)鍋爐，現(xiàn)有的研究多數(shù)是采用PLC或者集成化的數(shù)據(jù)采集模塊配合GPRS DUT裝置及商業(yè)組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和通訊[6-7]。此類方案具有系統(tǒng)集成快、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在生產(chǎn)成本高、兼容擴(kuò)展性差、網(wǎng)絡(luò)傳輸易受限制、現(xiàn)場交互性差等眾多不足，因此該類方案的市場推廣難度較大。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文采用嵌入式控制、無線通信等先進(jìn)技術(shù)，研制一種適用于各類爐型、各類品牌的通用型工業(yè)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)終端，實(shí)時(shí)采集鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，以高性價(jià)比的方式監(jiān)測地區(qū)范圍內(nèi)每臺鍋爐的運(yùn)行和能效狀態(tài)，并及時(shí)評價(jià)鍋爐的狀態(tài)和效率，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐的集中管理和優(yōu)化運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

1 工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及原理

工業(yè)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是一種監(jiān)測設(shè)備會日益遞增、平臺應(yīng)用需求復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸要求穩(wěn)定可靠的互聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)，應(yīng)采用前置數(shù)據(jù)服務(wù)+B/S網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基本構(gòu)架，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由信號采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、中心管理層、用戶應(yīng)用層組成。

圖1 工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of industrial boiler remote monitoring system

監(jiān)測對象為所有類型的工業(yè)鍋爐。信號采集層由感知元件和遠(yuǎn)程監(jiān)測終端構(gòu)成，其中感知元件包括溫度、壓力、流量、氧含量等各類傳感器以及接觸器、繼電器等電氣元件，用來采集鍋爐運(yùn)行的各類物理信號，根據(jù)監(jiān)測對象的實(shí)際情況，可采用外加傳感器或者鍋爐自身傳感器。鍋爐運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端是整套遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的核心。該終端應(yīng)用于工業(yè)鍋爐現(xiàn)場，通過對傳感器的實(shí)時(shí)采樣實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐多種物理參數(shù)和狀態(tài)的監(jiān)測，并能根據(jù)直接監(jiān)測參數(shù)自動計(jì)算工業(yè)鍋爐效率、能耗等間接監(jiān)測參數(shù)，對鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，在監(jiān)測到鍋爐異常情況時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。該終端裝置一方面通過現(xiàn)場人機(jī)交互接口將鍋爐的實(shí)時(shí)狀態(tài)傳遞給現(xiàn)場司爐人員，另一方面通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將鍋爐監(jiān)測參數(shù)和信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理平臺。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸層為GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)。中心管理層為工業(yè)鍋爐安全與節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)測管理平臺，平臺通過對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、分析與發(fā)布實(shí)現(xiàn)對區(qū)域范圍內(nèi)所有工業(yè)鍋爐的集中監(jiān)管。平臺的硬件包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、能效分析計(jì)算服務(wù)器、短信信息機(jī)、交換機(jī)、防火墻等，平臺的軟件系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，包括綜合平臺、政府平臺、企業(yè)平臺、公眾平臺四大板塊，具有在線監(jiān)測、故障診斷和報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、多級權(quán)限管理、信息管理、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)布上報(bào)、支持移動終端七大功能。

用戶應(yīng)用層包括政府機(jī)構(gòu)、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、使用單位、制造單位、維保單位等瀏覽器端用戶以及智能手機(jī)、平板電腦等移動端用戶，通過GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)訪問遠(yuǎn)程監(jiān)測管理平臺，獲取被監(jiān)測鍋爐的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)測終端性能要求

根據(jù)工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架，所研制的監(jiān)測終端需要集成各類混合輸入信號數(shù)據(jù)采集、GPRS/3G無線透明傳輸、大屏幕現(xiàn)場觸控交互、工業(yè)現(xiàn)場鍋爐能效計(jì)算等功能，提出的技術(shù)要求如表1所示。根據(jù)性能要求，研制的監(jiān)測終端應(yīng)由硬件電路系統(tǒng)、控制軟件系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)三部分組成。

表1 工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測終端技術(shù)要求Tab.1 Technical requirements of remote monitoring terminal for industrial boilers

3 監(jiān)測終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鍋爐狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端裝置的硬件系統(tǒng)關(guān)系到該裝置的監(jiān)測性能、可靠性、安全性和擴(kuò)展性。根據(jù)功能和性能要求，確定的硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測終端硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the hardware system of the monitoring terminal

硬件系統(tǒng)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由外接傳感器、CPU模塊、模擬信號采集模塊、開關(guān)信號采集模塊、串行通信接口電路、GPRS通信模塊、電源模塊、顯示模塊等構(gòu)成。

外接傳感器主要包括溫度、壓力、流量、氧量等傳感器，需要安裝在被監(jiān)測鍋爐上，根據(jù)工業(yè)鍋爐上各測溫點(diǎn)的溫度范圍，選擇穩(wěn)定性好、精度高、驅(qū)動簡單的PT100熱電阻[8]作為測溫傳感器，而對于壓力、流量、氧量等傳感器則選用帶4～20 mA變送信號輸出的傳感器。

CPU模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集控制、運(yùn)算和通信處理，選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片。STM32系列芯片專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，工作溫度范圍為-40℃～85℃，并集成了大量片內(nèi)外圍設(shè)備[9]，其性能和使用條件都滿足工業(yè)鍋爐狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用要求。

模擬信號采集模塊包含溫度測量電路和4～20 mA信號采樣電路，選用帶數(shù)字量輸出的MAX31865芯片配合四線制的PT100實(shí)現(xiàn)各溫度監(jiān)測點(diǎn)的高精度測量，測量精度達(dá)0.5℃。對電流模擬信號的采樣采用I/V變換方式，通過1個(gè)140 Ω的精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為0.56 V～2.8 V的電壓信號，再通過LM358芯片進(jìn)行阻抗變換和濾波后輸出給CPU的ADC端口，采樣分辨率為0.6835 mV，滿足采樣精度。此外，對于鍋爐系統(tǒng)自身傳感器信號的采集采用串聯(lián)差分輸入結(jié)構(gòu)，有效避免信號中繼，防止對鍋爐系統(tǒng)構(gòu)成干擾。

開關(guān)信號采集模塊的作用是對提取的開關(guān)信號進(jìn)行安全隔離。所需采集的開關(guān)量主要是鍋爐自身的一些開關(guān)信息、報(bào)警信息，根據(jù)爐型不同會略有區(qū)別，采集方式主要為從鍋爐控制柜內(nèi)的繼電器、接觸器、指示燈提取信號，采用光電隔離器TLP521-4實(shí)現(xiàn)干接點(diǎn)開關(guān)信號的采集，采用繼電器配合光電隔離器PC817實(shí)現(xiàn)帶電接點(diǎn)開關(guān)信號采集。

串行通信接口電路采用ADM2483芯片，配合由瞬態(tài)抑制管、共模電感、放電管、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲等組成的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)2路RS485通信通道，具有抗干擾能力強(qiáng)、電磁兼容性高的特點(diǎn)。

GPRS通信模塊采用具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口及SMT封裝形式的SIM900A無線模塊[10]來實(shí)現(xiàn)，采用SIM900A集成的AT指令實(shí)現(xiàn)與ARM微處理器的交互。

電源模塊采用一個(gè)集成化的AC轉(zhuǎn)DC模塊配合 LM2576、LM1117-3.3等穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn) 24 V、12 V、5 V、4.2 V、3.3 V等直流電壓，向硬件系統(tǒng)各模塊提供電能。

顯示模塊采用集成化的基于ARM內(nèi)核的7寸串口TFT液晶觸摸顯示屏，該顯示單元作為硬件系統(tǒng)的上位機(jī)，以RS232方式與CPU模塊通訊。

4 監(jiān)測終端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端的軟件系統(tǒng)采用μC/OS-II軟件作為任務(wù)處理、進(jìn)程控制的基礎(chǔ)，μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，易移植到多種微處理器上，設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用模塊化結(jié)構(gòu)，將軟件系統(tǒng)總體分解為若干任務(wù)，運(yùn)行在μC/OS-II操作系統(tǒng)之上，協(xié)同工作完成全部任務(wù)。其中，系統(tǒng)管理任務(wù)負(fù)責(zé)存儲管理、定時(shí)控制和任務(wù)切換等基礎(chǔ)操作。模擬量輸入任務(wù)主要完成溫度、壓力、含氧量等模擬信號的測量處理。開關(guān)量輸入任務(wù)主要監(jiān)視各個(gè)回路開關(guān)量的動作狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)定操作。串行通信任務(wù)主要完成與外部設(shè)備等的數(shù)據(jù)通信處理、報(bào)文構(gòu)造、發(fā)送、接收、分析等處理。GPRS通信任務(wù)主要完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令的發(fā)送、接收。顯示管理和人機(jī)接口任務(wù)主要完成觸摸屏的監(jiān)測和處理、本地指示燈和按鈕操作的監(jiān)測及響應(yīng)。在線能效計(jì)算任務(wù)集成了各爐型的能效計(jì)算數(shù)學(xué)模型，參照TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價(jià)規(guī)則》中相關(guān)的測試規(guī)則編制數(shù)學(xué)模型，根據(jù)部分直接監(jiān)測參數(shù)，計(jì)算出熱效率、過量空氣系數(shù)、排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失、散熱損失、灰渣物理熱損失等能效參數(shù)，并根據(jù)鍋爐運(yùn)行指標(biāo)評價(jià)模型判斷出鍋爐各項(xiàng)報(bào)警信息。

圖3 監(jiān)測終端軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the software system of the monitoring terminal

開發(fā)的上位機(jī)人機(jī)界面如圖4所示，主要包括主界面、模擬量監(jiān)測、開關(guān)量監(jiān)測、能效監(jiān)測、告警信息、備用通道、操作說明等界面。

圖4 上位機(jī)人機(jī)界面Fig.4 Human-computer interface of the upper monitor

5 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用全鋁金屬結(jié)構(gòu)，由殼體和封蓋組成。電路主板固定在殼體底部，顯示單元、按鍵、指示燈等固定在封蓋上，為實(shí)現(xiàn)較好的工藝外觀，在封蓋上整體貼膜，使裝置整體美觀大方。監(jiān)測終端的裝配結(jié)構(gòu)和實(shí)物外觀如圖5所示，該結(jié)構(gòu)具有緊湊、防護(hù)等級高、重量輕、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 監(jiān)測終端機(jī)械結(jié)構(gòu)及實(shí)物Fig.5 Mechanical structure and physical device of the monitoring terminal

6 試點(diǎn)應(yīng)用

本文研制的監(jiān)測終端在杭州某醫(yī)院的鍋爐房開展試點(diǎn)應(yīng)用，監(jiān)測對象為1臺4 t燃?xì)忮仩t，型號為WHS4-1.0-YQ。針對該鍋爐，采用外加傳感器監(jiān)測方式，在主蒸汽管道上布置蒸汽溫度、蒸汽壓力監(jiān)測點(diǎn)，在排煙管道上布置排煙溫度、排煙氧含量監(jiān)測點(diǎn)，在給水管道上布置冷水溫度、熱水溫度、水質(zhì)硬度監(jiān)測點(diǎn)，在鍋爐房布置環(huán)境溫度監(jiān)測點(diǎn)，在鍋爐控制柜內(nèi)布置相關(guān)開關(guān)量監(jiān)測點(diǎn)，提取運(yùn)行、點(diǎn)火、高低水位報(bào)警、超壓報(bào)警、綜合報(bào)警、熄火故障等開關(guān)信號，監(jiān)測終端樣機(jī)安裝在鍋爐房墻面上，經(jīng)過調(diào)試試運(yùn)行，該終端樣機(jī)成功與杭州市工業(yè)鍋爐節(jié)能減排遠(yuǎn)程監(jiān)測與服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對接。截至2016年4月，試點(diǎn)終端樣機(jī)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)18個(gè)月，運(yùn)行效果良好。

7 結(jié)語

采用嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)研制了工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)終端，該終端采用STM32F103 ARM微處理器及SIM900A無線模塊為硬件核心，采用μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)為控制軟件內(nèi)核，集成7寸液晶觸控屏，以高性價(jià)比方式實(shí)現(xiàn)混合信號數(shù)據(jù)采集、GPRS無線透明傳輸、現(xiàn)場人機(jī)觸控交互、串行通信、在線能效計(jì)算、遠(yuǎn)程配置管理等功能，試點(diǎn)應(yīng)用效果表明所研制終端能有效實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐節(jié)能與安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷，具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、穩(wěn)定可靠、通用性好、成本低等特點(diǎn)，市場推廣前景良好。

[1]趙欽新，王善武.我國工業(yè)鍋爐未來發(fā)展分析[J].工業(yè)鍋爐，2007（1）：1-9.

[2]趙欽新，周屈蘭.工業(yè)鍋爐節(jié)能減排現(xiàn)狀、存在問題及對策[J].工業(yè)鍋爐，2010（1）：1-6.

[3]仝營，顧新建，紀(jì)楊建，等.基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2016，22（1）：213-219.

[4]李飛翔，楊笑峰，王泓，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的鍋爐能效測試集成系統(tǒng)的研發(fā)[J].工業(yè)鍋爐，2013（4）：34-38.

[5]任強(qiáng)，趙輝.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鍋爐運(yùn)行管理中的應(yīng)用實(shí)踐[J].工業(yè)鍋爐，2014（1）：50-54.

[6]鄧式陽，李耀明.工業(yè)鍋爐安全遠(yuǎn)程多點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36（17）：255-257.

[7]霍鳳財(cái)，任偉建，康朝海，等.基于組態(tài)王和PLC的工業(yè)鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動化及儀表，2013，40（9）：1103-1105.

[8]松井邦彥.傳感器應(yīng)用技巧141例[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[9]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[10]霍濤，賈振堂.基于STM32和SIM900A的無線通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（17）：106-110.