物聯(lián)網(wǎng)視角下的焦?fàn)t煤氣檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究

苗 壯

（西安外事學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程系，陜西西安710077）

在焦炭生產(chǎn)時，干餾溫度在550 ℃的時候，會釋放出一定的氣體產(chǎn)物，即所謂的焦?fàn)t煤氣，其中主要有H2S、COS2、NH3、HCN、萘、苯等各種化學(xué)物質(zhì)。近年來，我國焦化產(chǎn)業(yè)太過注重焦炭生產(chǎn)，卻在很大程度上忽略了綜合有效利用，其中很多焦化企業(yè)受利益誘惑，并沒有實現(xiàn)焦?fàn)t煤氣節(jié)能回收利用裝置的構(gòu)建。這樣一來，焦?fàn)t煤氣的直接排放和燃燒，所導(dǎo)致的經(jīng)濟損失不可估量。而焦?fàn)t煤氣回收的關(guān)鍵在于成分含量的有效檢測，即氧氣含量檢測就非常重要，一旦含氧量太高，就極有可能造成故障。但是回收之后的焦?fàn)t煤氣如果當(dāng)作化工原料，就需要進一步了解相關(guān)成分的具體含量[1]。在經(jīng)過處理之后，回收利用焦?fàn)t煤氣，組分控制與處理則是以檢測結(jié)果的順利實施作為重要依據(jù)。在傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)的快速更新發(fā)展下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛。而物聯(lián)網(wǎng)以其自身的獨特優(yōu)勢，即分散和智能，有機結(jié)合兩大優(yōu)勢，創(chuàng)新氣體檢測，從而為充分合理利用焦?fàn)t煤氣檢測數(shù)據(jù)的控制與分析奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 焦?fàn)t煤氣的利用

1.1 加熱燃料

對于焦?fàn)t煤氣而言，其傳統(tǒng)利用方式是燃料，而作為不同加熱設(shè)施設(shè)備的氣體燃料，其具有便捷性與可靠性，傳熱效率較高，以及能夠高效進行管道傳輸?shù)雀鞣N顯著優(yōu)勢，備受工業(yè)與生活領(lǐng)域歡迎。在鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，存有一定低熱值燃氣富余，在節(jié)能技術(shù)優(yōu)化的影響下，熱風(fēng)爐的雙預(yù)熱技術(shù)、蓄熱式加熱爐技術(shù)等開始各種先進技術(shù)開始衍生，從而促使低熱值燃氣實現(xiàn)了充分合理利用，而焦?fàn)t煤氣的富余也開始逐漸凸顯。

1.2 居民燃氣

焦?fàn)t煤氣用作居民燃氣，此方式并非最佳，但是占地面積較小，而且煤氣銷售的價格比較高，所以經(jīng)濟效益良好。由于焦?fàn)t煤氣中包含大量H2S，HCN，NH3等有害物質(zhì)，因此，想要在居民生活中實現(xiàn)應(yīng)用，需要進一步深度凈化，及時去除其中的有害物質(zhì)，避免對人體造成不必要的傷害。

1.3 軋鋼燃氣

因為軋鋼廠嚴格要求加熱使用的焦?fàn)t煤氣中的硫含量，一般會全面控制在幾毫克內(nèi)。因此，只是單純通過煤氣凈化車間加以處理，無法滿足控制標(biāo)準。焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)中的硫化鈉通過利用其中的氫氣和工業(yè)無水硫酸鈉在流化床中實現(xiàn)還原，在640 ℃的時候，并在合適的催化劑作用下，可以獲得高含量硫化鈉產(chǎn)品。此方法的優(yōu)勢在于既能夠?qū)崿F(xiàn)資源的綜合利用，又能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

1.4 發(fā)電燃氣

焦?fàn)t煤氣在發(fā)電方面的利用，具備較高的可行性。因為我國電力資源十分緊張，通過廢氣資源利用進行發(fā)電，備受支持?？梢酝ㄟ^燃氣鍋爐帶動蒸汽輪機進行發(fā)電，或者通過燃氣輪機帶動發(fā)電機進行發(fā)電。焦?fàn)t煤氣發(fā)電的方式主要有三種，即蒸汽、燃氣輪機、內(nèi)燃機。

1.5 生產(chǎn)純氫

經(jīng)過焦?fàn)t煤氣進行純氫氣生產(chǎn)，在我國已經(jīng)歷史悠久，生產(chǎn)技術(shù)也十分成熟，經(jīng)濟性良好，尤其是與水電解法生成純氫氣進行對比分析，效益更是突出。但是，焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)純氫氣，在很大程度上受必備管道輸送固定用戶的局限，否則在用戶出現(xiàn)變化的時候，根本無法保證生產(chǎn)的正常進行。

1.6 合成甲醇

焦?fàn)t煤氣包含甲烷、氫氣、一氧化碳等所構(gòu)成的混合氣體，其中成分和甲醇合成氣體比較分析，可以看出，如果采用合理的化工處理方式，把煤氣中所包含的甲烷氣體轉(zhuǎn)換成為一氧化碳和氫氣，就能夠滿足制作甲醇生產(chǎn)工藝的合成氣組成要求。但是，甲烷轉(zhuǎn)化生產(chǎn)工藝已經(jīng)相對成熟，以此便為焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)甲醇的工藝優(yōu)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。焦?fàn)t煤氣制造甲醇的技術(shù)屬于我國特制，關(guān)鍵在于把其中煤氣所含甲烷和碳烴轉(zhuǎn)化成一氧化碳與氫氣。焦?fàn)t煤氣制作甲醇還能夠在一定程度上節(jié)約投資成本，且力適當(dāng)調(diào)整焦?fàn)t自用燃氣與生產(chǎn)甲醇用氣的相關(guān)需求，基于根本上有效解決焦?fàn)t煤氣造成的環(huán)境污染，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，變廢為寶的目標(biāo)[2-3]。

2 焦?fàn)t煤氣檢測現(xiàn)狀

2.1 焦?fàn)t煤氣檢測的影響因素

在焦?fàn)t煤氣檢測中，主要影響因素是溫度與壓力變化[4]。在設(shè)計溫度壓力與實際溫度壓力的前提下，體積流量分別是qVA、qVB，兩者關(guān)系為

式中：qVA、qVB為體積流量，m3/s；tA為設(shè)計均溫，℃；tB為溫度實際檢測值，℃；T為絕對溫度（273.16K）；pA為設(shè)計均表壓，kPa；pB為表壓實際檢測值，kPa；P為均大氣壓，kPa。

2.2 焦?fàn)t煤氣檢測現(xiàn)狀

焦?fàn)t煤氣受各種因素影響，成分比例發(fā)生改變，直接導(dǎo)致MG氣體密度出現(xiàn)顯著變化[5]。如果在溫度與壓力相同的條件下，ρA、ρB分別代表設(shè)計平均密度與實際密度，體積流量與密度開方呈反相關(guān)的比例關(guān)系。

誤差關(guān)系為

式中：qVA、qVB為體積流量，m3/s；ρA為設(shè)計平均密度，kg/m3；ρB為實際檢測密度，kg/m3；qA為設(shè)計體積流量，m3/s；qB為實際檢測體積流量，m3/s。

所以，密度與焦?fàn)t煤氣檢測的精確度之間密切相關(guān)，需要進行密度補償。但是，單純補正溫度與壓力是遠遠不夠，需要依據(jù)焦?fàn)t煤氣的實時密度數(shù)據(jù)信息及時補償。焦?fàn)t煤氣檢測需要切實結(jié)合溫度、壓力、密度等進行全面補償，具體算法為

式中：qafter為補償后體積流量，m3/s；qbefore為補償前體積流量，m3/s。

3 物聯(lián)網(wǎng)視角下的焦?fàn)t煤氣檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)視角下的焦?fàn)t煤氣檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的標(biāo)準化網(wǎng)絡(luò)傳輸，在很大程度上為煉焦行業(yè)過程控制與煤氣處理奠定了堅實的基礎(chǔ)支持，進而為遠程采集數(shù)據(jù)與遠程控制生產(chǎn)過程提供了有力幫助。為了保證檢測數(shù)據(jù)的存儲與傳輸安全，進行了DSP數(shù)據(jù)采集電路的高精確性設(shè)計，基于嵌入式操作系統(tǒng)管理，添加了數(shù)據(jù)加密存儲與傳輸方式，以此實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的安全性與可靠性[6]。為了滿足相關(guān)需求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計具體如圖1 所示。通過引用雙處理器結(jié)構(gòu)，進行采集、處理、加密存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸檢測數(shù)據(jù)。

3.1.1 雙處理器控制

1）數(shù)據(jù)管理

焦?fàn)t煤氣檢測信號以采集系統(tǒng)為載體，把數(shù)據(jù)信息及時傳輸?shù)紻SP，DSP 處理器構(gòu)建焦?fàn)t煤氣組分信息模型，以此作為控制中心。然后將數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)果基于數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)街骺谻PU 上，通過CPU 進行數(shù)據(jù)加密并及時存儲到本地空間，經(jīng)過3G網(wǎng)傳輸?shù)綑z測中心服務(wù)器，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)的有機連接。

2）人機交互

圖1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸儀功能

人機交互進一步實現(xiàn)了觸摸筆、觸摸屏、LED 屏，也可以以系統(tǒng)輸入端為載體，與鍵盤、鼠標(biāo)之間實現(xiàn)對接，從而輸入外部信息與指令。

3）網(wǎng)絡(luò)反控

數(shù)據(jù)采集在傳輸檢測數(shù)據(jù)的時候，還可以基于物聯(lián)網(wǎng)接口，實時接收網(wǎng)絡(luò)控制指令，能夠就檢測中心的決策，及時發(fā)布控制信息，或依據(jù)具體生產(chǎn)需要，及時啟動遠程留樣。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以數(shù)字接口為載體，控制前端檢測設(shè)備，或通過語音和指示燈等各種報警裝置，及時傳送檢測信號異常的預(yù)警指令[7]。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

此模塊是采集檢測器的結(jié)果模塊，主芯片為AD7606，基于Standby模式，功耗能夠控制在25 MW之內(nèi)，高信噪比為95.5 dB。其傳輸模式多元化，而其中基于并行模式的數(shù)據(jù)傳輸率是200 kb，模擬信號能夠進行雙極輸入，與信號放大電路相結(jié)合，能夠采集大約4～20 mA標(biāo)準測量信號。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊基于3G網(wǎng)絡(luò)，其上行速度高達5.76Mbps，下行速度為21 Mbps，其中內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，基于標(biāo)準化Mini PCIe接口和主控模板實現(xiàn)連接與通信，能夠?qū)崿F(xiàn)合理設(shè)置、狀態(tài)查詢、開關(guān)控制、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信等各種功能。

3.2 存儲與網(wǎng)絡(luò)傳輸安全設(shè)計

焦?fàn)t煤氣的檢測數(shù)據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)進行備份的前提下，還需要完整存儲于本地空間。本地存儲信息主要有煤氣成分、含量、溫度等，其存儲會促使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)工作人員通過存儲路徑，隨意打開文件，查看、修正、刪除數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)修改會對企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程，以及焦?fàn)t煤氣回收利用等造成直接性影響。與此同時，檢測信息通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，具有明顯弊端。針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的本地存儲文件進行加密，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)加密傳輸，與數(shù)據(jù)的安全性、隱秘性，以及監(jiān)督管理等息息相關(guān)。所以，進行專業(yè)數(shù)據(jù)信息加密方案設(shè)計，確保本地存儲與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩?，勢在必行?，F(xiàn)代化加密算法主要包含兩種體制，即對稱密碼體制與非對稱密碼體制，此算法具備簡單與加密速度快等突出優(yōu)勢[8]?，F(xiàn)階段，AES 標(biāo)準已經(jīng)成為了對稱密鑰加密的一大主流算法，通過AES加密算法，基于污染數(shù)據(jù)信息存儲與網(wǎng)絡(luò)傳輸安全性、可靠性等需要，進行AES與數(shù)字簽名技術(shù)相結(jié)合的軟件與硬件混合數(shù)據(jù)信息加密方法設(shè)計。其中，通過偽碼進行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕M織過程實現(xiàn)具體如圖2所示。

圖2 加密函數(shù)流程圖

3.3 嵌入式數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為了對后續(xù)查詢與利用焦?fàn)t煤氣的檢測數(shù)據(jù)信息進行詳細分析，應(yīng)科學(xué)管理本地數(shù)據(jù)信息。通過實際算法檢測數(shù)據(jù)大約為1M/天，而10 年的存儲容量大約為4G，利用傳統(tǒng)的本地文件存儲方式進行適當(dāng)處理，查詢性能與數(shù)據(jù)管理都難以滿足其相關(guān)要求。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備明確要求，應(yīng)具備無網(wǎng)絡(luò)支持的獨立工作能力，因此，通過嵌入式數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行本地存儲，是唯一的可行性方案。而嵌入式數(shù)據(jù)庫應(yīng)該體積較小，效率較高，并且適當(dāng)控制在CPU資源中的占用比例[9]。

受成本與效率等相關(guān)因素的影響，采用基于開源SQ Lite3.0的嵌入式數(shù)據(jù)庫有效管理檢測數(shù)據(jù)，并移植引進AES混合加密方案，從而保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性、真實性、安全性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、存儲、查詢的高效性。SQ Lite 數(shù)據(jù)庫在運行過程中，會和應(yīng)用程序之間共享進程空間，不需要單獨占用一個獨立進程，內(nèi)存開銷比較小，可移植性非常強，運行效率比較高，可靠性與安全性良好。而且SQ Lite 也不需以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為載體，也不需要設(shè)置太過復(fù)雜的環(huán)境，數(shù)據(jù)庫文件數(shù)據(jù)格式基于X86 與ARM 平臺，可以兼容二進制，數(shù)據(jù)文件不需在各種操作系統(tǒng)下轉(zhuǎn)換。就焦?fàn)t煤氣檢測特性，與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準有機結(jié)合，根據(jù)面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計數(shù)據(jù)庫E-R 模型。通過測試，存儲容量為8G 的能夠存儲10 年以上的檢測數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上，隨意查詢數(shù)據(jù)信息的響應(yīng)時間都不會超出3 s[10]。

4 結(jié) 論

總之，焦?fàn)t煤氣檢測中的不確定性因素太繁雜，也無可避免，因此，為了保證檢測的準確性，必須充分考慮溫度、壓力、密度等相關(guān)參數(shù)變化的影響，并及時進行補償，確保其可以真實反映焦?fàn)t煤氣用量。通過設(shè)計并實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)視角下的焦?fàn)t煤氣檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)煉焦行業(yè)焦?fàn)t煤氣組分信息檢測與網(wǎng)絡(luò)傳輸，其既能夠?qū)崟r隨意查看并利用焦?fàn)t煤氣檢測數(shù)據(jù)，還能夠基于物聯(lián)網(wǎng)遠程控制并分析數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)煉焦中焦?fàn)t煤氣制備的遠程控制與處理。而且以物聯(lián)網(wǎng)為載體進行焦?fàn)t煤氣檢測數(shù)據(jù)采集，能夠在一定程度降低原料消耗，減少污染排放，進而實現(xiàn)煉焦行業(yè)的節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展。