工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤化工企業(yè)戶外大型設(shè)備監(jiān)測中的應(yīng)用研究

劉偉民 黃冠 曹宏偉

摘要：本研究提出了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的信息采集分析監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了針對唐山中潤煤化工有限公司煤焦化工藝中裝煤車、推焦車、攔焦車、熄焦車等四大車的監(jiān)測監(jiān)控整體框架，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)環(huán)境搭建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、云端存儲、終端顯示功能。重點(diǎn)研發(fā)了信息采集設(shè)備、云平臺應(yīng)用程序等技術(shù)，并且以戶外大型設(shè)備中的推焦車數(shù)據(jù)采集為例進(jìn)行了測試。本研究成功構(gòu)建了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測平臺，并在中潤公司得到了順利實(shí)施，達(dá)到了預(yù)期效果，為應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤焦化企業(yè)四大車的全面監(jiān)測監(jiān)控打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

Abstract： This research puts forward an information acquisition， analysis and monitoring system based on industrial Internet of Things， and designs a monitoring and monitoring framework for four major vehicles in the coal coking process of Tangshan Zhongrun Coal Chemical Co.， Ltd.， namely， coal loader， coke pusher， coke blocker and coke quenching vehicle， which realizes the construction of development environment， data acquisition， data transmission， cloud storage and terminal display functions. It focuses on the development of information acquisition equipment， cloud platform applications and other technologies， and takes the data acquisition of large outdoor equipment as an example to test. This research has successfully constructed the monitoring platform of the industrial Internet of Things system， and has been successfully implemented in Zhongrun Company. It has achieved the expected results， and laid a solid foundation for the application of Internet of Things technology to realize the comprehensive monitoring and control of the four major vehicles in coal coking enterprises.

關(guān)鍵詞：煤化工;工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);四大車監(jiān)測監(jiān)控;推焦車

Key words： coal chemical industry;Industrial Internet of Things Technology;monitoring and control of four vehicles;coke pushing vehicle

中圖分類號：TN929.5;TP391.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0176-02

0? 引言

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開無線通信，智能移動設(shè)備，大數(shù)據(jù)，處理器，傳感器等領(lǐng)域的快速發(fā)展。其中，特別是傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，在整合靈敏度和成本方面做得更好。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，基于藍(lán)牙、Wi-Fi和LTE等協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)形式日益成熟，無線基站信號逐漸覆蓋大部分城市地區(qū)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以幫助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級到智能化的新階段。

1? 技術(shù)方案

1.1 研究目標(biāo)

在本研究中，對嵌入式主板的整體開發(fā)。通過擴(kuò)展外接設(shè)備，可監(jiān)測戶外大型設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)可以被分析并進(jìn)行匯總，傳輸?shù)皆品?wù)器并在終端同步顯示。通過這種方式，相關(guān)人員可以通過遠(yuǎn)程設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控大型設(shè)備的生產(chǎn)和運(yùn)行狀態(tài)，從而提高生產(chǎn)管理效率。

1.2 外接設(shè)備選型

根據(jù)實(shí)際需求和成本考慮，主控芯片選型選擇ARM內(nèi)核處理器，其型號為三星S5P4418微處理器，該主控芯片是控制的核心部分，它負(fù)責(zé)主要信息的采集和操作、邏輯分析、機(jī)制執(zhí)行等處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 具有體積小，功耗低，性能高，成本低等特點(diǎn)。

嵌入式處理器及主板參數(shù)本研究使用訊為公司生產(chǎn)的基于S5P4418微處理器的itop-4418嵌入式主板，其集成了豐富的硬件外設(shè)接口，例如USB接口，SPI接口，I2C總線接口，UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），電源管理器，PWM定時(shí)器和許多通用輸入/輸出GPIO（General Purpose Input Output）引腳。

1.3 操作系統(tǒng)的選擇

在操作系統(tǒng)中，各種操作系統(tǒng)的選擇應(yīng)充分考慮操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性，如果只為一個(gè)項(xiàng)目開發(fā)一個(gè)新的操作系統(tǒng)是非常困難的，特別是具有穩(wěn)定，高效和可靠等性能，作為嵌入式操作系統(tǒng)，通常是配置現(xiàn)有的操作系統(tǒng)。根據(jù)分析比較，Linux系統(tǒng)最適合這個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)。Linux被選為本設(shè)計(jì)中用于開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)。

1.4 接口與協(xié)議制定

目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有I/O接口，有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB（Universal Serial BUS，通用串行總線接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit，I2C總線）、SPI、LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號）、JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組）、PCI（Peripheral Component Interconnect，局部總線系統(tǒng)）、HPI（Host Port Interface，主機(jī)通信接口）等。

在推焦車上做實(shí)際測試采集三路數(shù)據(jù)，即推焦車啟停信息、位置距離信息、推桿工作信息。所以對于接口的數(shù)量選擇就是三個(gè)。因推焦車的啟停信息在繼電器下取信號，對于繼電器信號的采集，因繼電器上接口為TTL，所以，這一路信號的采集主要通過TTL-串口轉(zhuǎn)換器與主板的串口連接。采用編碼器進(jìn)行位置距離信息的采集，也可采用串口與主板連接。采用工業(yè)相機(jī)抓拍推桿工作照片，關(guān)于工業(yè)相機(jī)與主板的連接問題，首先考慮到傳輸?shù)氖菆D片，其圖片的數(shù)據(jù)較大，如果通過串口傳輸會造成很大的延遲并且會收不到圖片（串口傳輸速率較慢），因此本研究中工業(yè)相機(jī)與主板的連接采用網(wǎng)口連接。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸

無線通信模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了Quectel EC20 4G無線通信芯片，采用高通MDM9215平臺。 EC20支持LTE和GSM / GPRS網(wǎng)絡(luò)。 EC20模塊封裝在標(biāo)準(zhǔn)PCIe接口中，嵌入式主板主要通過usb進(jìn)行通信。

1.6 云端應(yīng)用

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是整個(gè)煤焦化四大車監(jiān)控系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是數(shù)據(jù)監(jiān)控中心重要的組成部分，應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器共用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，本研究具體實(shí)施中租用了阿里云ECS服務(wù)器，具體的配置為（2 vCPU 8 GB （I/O優(yōu)化）、ecs.t5-lc1m4.large、2Mbps）。在云端搭建了數(shù)據(jù)庫以及配置Web服務(wù)器。關(guān)于數(shù)據(jù)庫控制器的具體實(shí)現(xiàn)過程分為兩個(gè)步驟。首先，數(shù)據(jù)接收的具體實(shí)現(xiàn)是基于TCP/IP協(xié)議中HTTP協(xié)議的Socket通信。在本系統(tǒng)中4G發(fā)送端為客戶端，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為服務(wù)器端?？蛻舳烁鶕?jù)IP和端口找到服務(wù)器，服務(wù)器端接受請求并建立連接，至此完成一個(gè)數(shù)據(jù)通信通道建立。其次，在Web應(yīng)用層解析數(shù)據(jù)流，并分發(fā)至Service接口，在業(yè)務(wù)邏輯層操作Service對象進(jìn)行存儲業(yè)務(wù)邏輯處理，然后在數(shù)據(jù)持久層操作DAO對象完成最基本的增添數(shù)據(jù)邏輯操作，建立數(shù)據(jù)庫表的映射關(guān)系，最后由數(shù)據(jù)庫層操作數(shù)據(jù)庫完成最后的數(shù)據(jù)寫入工作。

本研究中推焦車的數(shù)據(jù)采集是不定時(shí)的，采用定時(shí)發(fā)送請求的方法。當(dāng)有采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變或超出正常值等安全隱患時(shí)，能夠?qū)eb遠(yuǎn)程客戶端的用戶（包括管技人員的手機(jī)界面）發(fā)出警示信息提醒，可以遠(yuǎn)程操作，進(jìn)行人為干預(yù)，避免戶外大型設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的隱患由于排查不及時(shí)影響焦化分廠正常生產(chǎn)。

1.7 顯示終端界面

利用web前端技術(shù)，采用HTML、CSS3、JavaScript等對頁面的整體布局以及邏輯關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的編寫，使其可以直觀的反應(yīng)機(jī)房智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。對進(jìn)行數(shù)據(jù)更新的部分構(gòu)造出div或者相關(guān)的函數(shù)，采用JSON技術(shù)對界面的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的更新。

2? 通信協(xié)議的制定

關(guān)于協(xié)議的制定，因?yàn)閭鬏數(shù)姆绞讲捎?G傳輸，所以，協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，也就是利用socket編程，直接在串口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。這樣我們可以把串口當(dāng)做一個(gè)客戶端，把服務(wù)端安裝在服務(wù)器上。通過直接編譯Linux下的非阻塞socket編程，把串口采集的數(shù)據(jù)通過tcp協(xié)議進(jìn)行傳輸。其次在服務(wù)器與顯示端軟件的協(xié)議的制定，主要是前端界面顯示數(shù)據(jù)，在服務(wù)器上調(diào)用數(shù)據(jù)其用到的協(xié)議為HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議）協(xié)議。

3? 關(guān)鍵技術(shù)

本研究屬于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在戶外大型設(shè)備上的應(yīng)用研究，通過對嵌入式主板及外接設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對戶外大型設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及工作狀態(tài)等信息采集。同時(shí)，本研究搭建了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型設(shè)備上的監(jiān)控平臺，對日后功能的擴(kuò)展提供了便利條件。本研究重點(diǎn)對于采集前端、云端服務(wù)器以及終端軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

①采用4G網(wǎng)絡(luò)的移植技術(shù)，將4G模塊嵌入至主板上，采用socket技術(shù)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)傳輸至云端，減少現(xiàn)場線路敷設(shè)。②用外接設(shè)備來對戶外大型設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及工作狀態(tài)等信息進(jìn)行采集，并且對外接設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，以及通訊接口的開發(fā)。③操作系統(tǒng)操作移植技術(shù)，主要對嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行操作，交叉編譯并且制作根文件系統(tǒng)。④遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)，編寫適合企業(yè)人員的類似于組態(tài)軟件的界面，主要對PC端以及移動端進(jìn)行編寫，主要用到的技術(shù)有C語言、Java、JAVAWEB、HTML、CSS3、JavaScript、AJAX、JDBC等。

4? 總結(jié)

本研究是基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索性實(shí)際應(yīng)用，旨在逐步建立對裝煤車、推焦車、攔焦車、熄焦車四大車的全面監(jiān)測監(jiān)控的基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)平臺。所做的研究內(nèi)容屬于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用的起始部分，為日后實(shí)現(xiàn)煤化工企業(yè)戶外大型設(shè)備的智能化與自動化監(jiān)測監(jiān)控搭建了有效的技術(shù)平臺。

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