基于云計(jì)算與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王辰威

(沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 前言

順應(yīng)科技發(fā)展，新型的基于云計(jì)算與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多類工業(yè)爐性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合云計(jì)算平臺(tái)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)爐數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，來(lái)達(dá)到對(duì)工業(yè)爐運(yùn)行過(guò)程的同步監(jiān)控，對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型分析能夠?qū)I(yè)爐的運(yùn)行狀況有更深層次的認(rèn)識(shí)。其次，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐性能指標(biāo)大數(shù)據(jù)資源的長(zhǎng)期積累，為迎接大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)做好準(zhǔn)備。

在目前的科技背景下大數(shù)據(jù)將成為工業(yè)發(fā)展的首要驅(qū)動(dòng)力，數(shù)據(jù)的占有量將對(duì)企業(yè)的發(fā)展起到?jīng)Q定性作用，此次設(shè)計(jì)的基于云計(jì)算與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)嚴(yán)格遵守以采集監(jiān)測(cè)為主，控制調(diào)節(jié)為輔的原則，在實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)工業(yè)爐運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，對(duì)所收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類保存，為日后進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘提供可靠的第一手?jǐn)?shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]。

工業(yè)爐的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠同時(shí)協(xié)助人工監(jiān)測(cè)工作的實(shí)施，通過(guò)對(duì)所監(jiān)測(cè)到的參數(shù)信息分析，進(jìn)一步對(duì)工業(yè)爐運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷，采取有效應(yīng)對(duì)措施，優(yōu)化指導(dǎo)工業(yè)爐的具體運(yùn)行，全面提高運(yùn)行效率與水平，保證工業(yè)爐的安全性與經(jīng)濟(jì)性。在安全監(jiān)管方面可有效減少工業(yè)爐的安全隱患，基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)爐的水位、壓力、蒸汽溫度、水質(zhì)等相關(guān)參數(shù)信息，一旦出現(xiàn)指標(biāo)異常，即水位低、蒸汽超壓等，云平臺(tái)便會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的應(yīng)急操作，同時(shí)相關(guān)工作人員也會(huì)及時(shí)接收到報(bào)警信號(hào)。而在線人工檢測(cè)人員也會(huì)以多元化方式警示相關(guān)工作人員采取措施加以處置，從而最大程度防止出現(xiàn)安全事故。與此同時(shí)，還能夠詳細(xì)記錄報(bào)警信息，以便于為后續(xù)開(kāi)展事故調(diào)查奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)條件。

1 研究?jī)?nèi)容

本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種基于云計(jì)算與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)如下的基本功能：

數(shù)據(jù)采集：工業(yè)爐在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)搭配不同的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)爐運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。其中為了提升工業(yè)爐運(yùn)行過(guò)程中的安全性，該系統(tǒng)可以對(duì)工業(yè)爐腔內(nèi)蒸汽、壓力與水位等重要參數(shù)實(shí)時(shí)采集并加以監(jiān)測(cè)。隨著工廠的升級(jí)改造，該系統(tǒng)也能夠自由兼容各類傳感器不斷豐富自身對(duì)數(shù)據(jù)的捕捉能力。

數(shù)據(jù)處理：該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理方面可以實(shí)現(xiàn)兩方面功能：1) 工業(yè)爐在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)能夠同步收集各終端上傳的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)生成數(shù)據(jù)的變化曲線并顯示在人機(jī)界面上，便于人工監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)了解工業(yè)爐運(yùn)行狀況。2) 開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)工業(yè)爐不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)該系統(tǒng)長(zhǎng)期積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)與工業(yè)爐運(yùn)行狀態(tài)緊密結(jié)合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的挖掘，通過(guò)對(duì)云平臺(tái)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的工業(yè)智能化。

2 實(shí)施方案

該系統(tǒng)在功能層面上的設(shè)計(jì)可分為：感知層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)傳輸層。

感知層主要由不同類型的傳感器組成，如不同種類的氣體濃度傳感器，用來(lái)感知SO2 與 CO2 等反映工業(yè)爐內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)的氣體濃度，再如常見(jiàn)的溫度傳感器、氣體壓力傳感器、液體流量傳感器等，傳感器有效解決精確感知與實(shí)時(shí)捕捉數(shù)據(jù)的問(wèn)題[2]。

應(yīng)用層應(yīng)實(shí)現(xiàn)三方面功能：第一方面，該系統(tǒng)在應(yīng)用層面首先要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)集成，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類儲(chǔ)存，并實(shí)時(shí)反映在人機(jī)界面。第二方面，該監(jiān)測(cè)平臺(tái)嚴(yán)格遵守以監(jiān)測(cè)為主，控制為輔的原則，在云計(jì)算平臺(tái)對(duì)運(yùn)行信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，盡量確保在問(wèn)題發(fā)生前做出合理的調(diào)整。第三方面，應(yīng)用層面要盡最大程度貼近不同的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)同一套系統(tǒng)的多元化設(shè)計(jì)發(fā)展。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能化與智慧化的實(shí)現(xiàn)程度與數(shù)據(jù)的挖掘深度呈現(xiàn)著直接聯(lián)系。

網(wǎng)絡(luò)層主要為感知層信息傳輸、控制奠定基礎(chǔ)，支持物聯(lián)網(wǎng)中人、物之間實(shí)現(xiàn)有機(jī)通信，就工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，本系統(tǒng)采用多節(jié)點(diǎn)的形式對(duì)工業(yè)爐內(nèi)不同位置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并通過(guò)工業(yè)WIFI上傳至云端，云端可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理存儲(chǔ)，并可根據(jù)不同要求開(kāi)發(fā)云應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)收集數(shù)據(jù)的不同處理方式，得到更高效率的數(shù)據(jù)處理。

3 應(yīng)用測(cè)試

感應(yīng)層的硬件設(shè)計(jì)以搭載WIFI模塊與相應(yīng)傳感器的STM32單片機(jī)為基礎(chǔ)，可分別搭配如下不同類型的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)指標(biāo)的檢測(cè)：

二氧化硫濃度傳感器：工作電極在接受受控電壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)氧化反應(yīng)，在受控電壓滿足條件且電極的催化性足夠強(qiáng)的時(shí)候，會(huì)快速進(jìn)行氧化反應(yīng)，這樣的反應(yīng)速度取決于所檢測(cè)到的二氧化硫的擴(kuò)散過(guò)程，從而得知電極所產(chǎn)生的電流信號(hào)幅度能夠與所檢測(cè)二氧化硫的氣體濃度成正相關(guān)。將探測(cè)到的電流變化信號(hào)傳至單片機(jī)，單片機(jī)做信號(hào)處理并上傳。這樣的二氧化硫氣體濃度傳感器擁有較高的電流靈敏度、響應(yīng)敏捷、在不同工作環(huán)境中工作狀況較穩(wěn)定、性價(jià)比高且底噪小的諸多優(yōu)點(diǎn)。

一氧化碳傳感器：被檢測(cè)的一氧化碳?xì)怏w通過(guò)特定的氣孔由透氣膜經(jīng)擴(kuò)散達(dá)到傳感器氧化電極上，經(jīng)電極的催化作用，一氧化碳?xì)怏w能夠?qū)崿F(xiàn)在電極上的氧化反應(yīng)。在氧化反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)釋放氫離子和電子，在經(jīng)過(guò)電解液的轉(zhuǎn)移后與另一電極在電解液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

溫濕度傳感器：溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。通常溫濕度傳感器一般是測(cè)量溫度量和相對(duì)濕度量。

流量傳感器：流量傳感器是一種用于檢測(cè)液體、氣體等介質(zhì)的流量參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為其他形式的信號(hào)進(jìn)行輸出的一種檢測(cè)用儀器儀表。流量傳感器具有體積小、重量輕、讀數(shù)直觀清晰、可靠性高、無(wú)壓力損失等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)爐監(jiān)測(cè)中可用于檢測(cè)給水泵、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等工作部分的工作情況。

選擇合適的傳感器將工業(yè)爐運(yùn)行過(guò)程中能夠體現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的各種信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)交給STM32單片機(jī)，再通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)上傳至云平臺(tái)，如此感知層的終端就實(shí)現(xiàn)了信息采集與上傳的功能。

在網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用測(cè)試中：在硬件方面可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器建立短距離無(wú)線局域網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件感知層終端之間的信息交互。在工業(yè)中使用的無(wú)線路由器通常情況下是搭載了較高性能的工業(yè)級(jí)別的無(wú)線通信模塊，同時(shí)擁有較高性能的32位通信處理器，外部的物理結(jié)構(gòu)上，會(huì)使用特殊的金屬材質(zhì)作為產(chǎn)品外殼，在提升產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛性的同時(shí)又能盡量排除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁波噪聲，來(lái)適應(yīng)在較為惡劣的工業(yè)環(huán)境下正常運(yùn)行，能夠在豐富的應(yīng)用場(chǎng)景中保證工作的穩(wěn)定性。在無(wú)人的工作環(huán)境中也能自動(dòng)監(jiān)測(cè)和保持在線鏈路通信，為工業(yè)物聯(lián)提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接保障。工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò),例如4G、5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。工業(yè)路由可作為一種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線通信路由器，利用公用網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。可以為我們的工業(yè)爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)提供高效穩(wěn)定的入網(wǎng)平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)層除核心網(wǎng)絡(luò)外還包括物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐管理平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算及其業(yè)務(wù)支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)[3]。

在應(yīng)用層的實(shí)際測(cè)試中主要以云計(jì)算平臺(tái)為載體開(kāi)發(fā)出來(lái)的應(yīng)用程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同要求的信息處理，這樣可以直面最終企業(yè)，可以利用其有效解決信息化問(wèn)題，使云計(jì)算的應(yīng)用層開(kāi)發(fā)富有多樣性。其次，平臺(tái)基于云計(jì)算應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)程序進(jìn)行布置與管理，在日后功能拓展的研發(fā)上通過(guò)平臺(tái)層軟件工具與語(yǔ)言，只需要提供代碼與數(shù)據(jù)，面對(duì)不同的客戶要求時(shí)提供基礎(chǔ)設(shè)施配置信息、運(yùn)行程序代碼、用戶數(shù)據(jù)即可。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)旨在通過(guò)對(duì)工業(yè)爐運(yùn)行過(guò)程中的氣體壓力、溫度濕度、液體流量等數(shù)據(jù)的采集與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)爐運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)以及有預(yù)見(jiàn)性地分析運(yùn)行狀況。并能通過(guò)云平臺(tái)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)在分析工業(yè)爐狀態(tài)的同時(shí)做出合適的調(diào)整，相應(yīng)減少危險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性。另一方面，這樣的工業(yè)設(shè)備升級(jí)正是邁向新型工業(yè)時(shí)代的第一步，將為日后工業(yè)設(shè)備的全面升級(jí)改造做好準(zhǔn)備。