物聯(lián)網與云計算的工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

張擁軍

(北京經濟管理職業(yè)學院，北京 100102)

隨著我國科技水平的進步，促進了工業(yè)領域的發(fā)展速度，使工業(yè)領域的生產規(guī)模處于不斷擴大狀態(tài)。工業(yè)領域的關鍵熱能動力設備為工業(yè)爐，工業(yè)爐可有效提高工業(yè)領域的整體效率。但工業(yè)爐在運行過程中存在污染大、容量小等問題，如何提高工業(yè)爐的節(jié)能減排效果成為亟待解決的問題。為此，本研究將物聯(lián)網與云計算作為主要研究對象，對物聯(lián)網與云計算技術進行深入探究，建立了完善的工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)，物聯(lián)網與云計算技術可在工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)中充分發(fā)揮自身作用，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 基于物聯(lián)網與云計算的工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

1.1 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)整體架構

本研究為實現(xiàn)工業(yè)爐性能指標的實時在線監(jiān)測，采用物聯(lián)網與云計算作為核心，設計出工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)。將工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構劃分為感知層、應用層以及網絡層，工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

1.1.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)感知層

為實現(xiàn)工業(yè)爐各項指標的精準監(jiān)測，本研究對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)整體結構的感知層進行設計時，在感知層內部添加了傳感器、讀寫器等感知終端。傳感器主要包括濃度、溫度、壓力等類型，通過感知層內部各種類型的傳感器，可完成SO2和CO2濃度、流量、壓力等指標的測量。為進一步采集工業(yè)爐運行過程中產生的送風量、給水量等參數(shù)，可充分利用讀寫器以及圖像采集等設備。工業(yè)爐在實際運行過程中易產生上行感知、監(jiān)測等問題，在工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)感知層內部添加傳感器，可有效解決該問題的發(fā)生，同時可充分利用下行執(zhí)行器有效控制工業(yè)爐運行過程中出現(xiàn)的問題。通過上行傳感器與下行執(zhí)行器之間的相互作用，可實現(xiàn)工業(yè)爐各項指標的一體化管控[1]。

圖1 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)整體結構圖

1.1.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)應用層

應用層在工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)中主要負責建立工業(yè)爐企業(yè)與物聯(lián)網之間的有機聯(lián)系，為使工業(yè)爐企業(yè)與物聯(lián)網可充分發(fā)揮自身作用，對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)提出三個要求：其一，采用工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)對工業(yè)爐內部指標進行監(jiān)測時，應將數(shù)據(jù)大集成作為主要依據(jù)，通過上行感知設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并完成工業(yè)爐運行狀態(tài)的實時監(jiān)測；其二，等待下行執(zhí)行器成功完成指令的發(fā)送，可立即對工業(yè)爐進行合理控制。監(jiān)測工業(yè)爐的各項指標過程中，應嚴格遵循監(jiān)測為主、控制為輔的原則；其三，工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)大集成操作完畢后，應將數(shù)據(jù)存儲在工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)內部，更加科學合理地利用大集成數(shù)據(jù)，應對數(shù)據(jù)進行相應的管理。物聯(lián)網智能化應用實際上指的是數(shù)據(jù)挖掘。

1.1.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)網絡層

網絡層建立的基礎為感知層，通過建立完善的網絡層級結構，可為感知層提供更多有利信息，為工業(yè)爐的精準控制奠定基礎。網絡層在工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)中可實現(xiàn)物聯(lián)網人、物之間的有機通信，即有線通信網、無線通信網等。有線通信網由中長距離廣域網以及短距離現(xiàn)場總線共同組成。由于現(xiàn)場總線包括較多類型，為通用網絡協(xié)議的規(guī)范化發(fā)展增加了難度。通常情況下，為實現(xiàn)現(xiàn)場總線與工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)之間的聯(lián)通關系，可將總線與適配器作為核心，利用物聯(lián)網軟件建立系統(tǒng)與中間件的聯(lián)系。無線通信網主要由無線局域網、短/中/長距離無線廣域網共同組成，短距離無線通信實現(xiàn)的標準為WIFI以及ZigBee[2]。

1.2 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)模型構建

工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行過程中可生成多種數(shù)據(jù)信息，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的管理與處理，構建了工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)計算模型，該模型可滿足系統(tǒng)的多元化需求。本研究對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)計算模型進行構建時，將云計算作為核心計算方法，以此實現(xiàn)工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)的精準處理。工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)模型中軟件即服務實際上是一種應用程序，該應用程序的構建方式是將云計算平臺作為載體。軟件即服務面向的對象為最終企業(yè)，通過軟件即服務可有效解決最終企業(yè)面臨的信息化問題。工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)模型中平臺即服務指的是運行環(huán)境，對該部分進行設計時，可將云計算應用程序作為核心，實現(xiàn)應用程序的布置與管理。系統(tǒng)開發(fā)人員使用平臺層軟件工具時，可忽略其余影響因素，僅需向平臺層軟件工具提供代碼與數(shù)據(jù)即可?；A設施即服務具有計算和存儲的功能，工業(yè)爐企業(yè)使用基礎設施層進行計算時，將基本信息發(fā)送至基礎設施層即可[3]。

2 基于物聯(lián)網與云計算的工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)功能設計

2.1 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能

工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心設備為各種類型的傳感器，通過傳感器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準采集。對于工業(yè)爐的安全性數(shù)據(jù)進行采集時，可利用蒸汽壓力和水位傳感器。而工業(yè)爐的經濟性數(shù)據(jù)主要由排煙溫度、給水流量等數(shù)據(jù)共同組成。為精準掌握工業(yè)爐的運行狀態(tài)，可將網絡監(jiān)控作為基礎，對工業(yè)爐的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。通過對工業(yè)爐的運行數(shù)據(jù)進行實時采集，可提高工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的安全節(jié)能效果，同時可提高工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率[4]。

2.2 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能

在線監(jiān)測系統(tǒng)可全方位展示工業(yè)爐運行過程中產生的數(shù)據(jù)，并將生成的數(shù)據(jù)制作成曲線、報表等形式。為直觀地展示工業(yè)爐運行過程中各項指標的變化情況，本研究選定工業(yè)爐某一時間段內全部運行數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)整合成曲線的形式，有利于工作人員更加清晰地了解工業(yè)爐運行狀況。同時可將工業(yè)爐某一時間段內全部運行數(shù)據(jù)整合成報表的形式，并實時記錄工業(yè)爐的報警記錄，有利于企業(yè)充分了解工業(yè)爐各項指標的變化情況。

3 基于物聯(lián)網與云計算的工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)硬軟件設計

3.1 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

本研究對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分進行設計時，采用CPU系統(tǒng)作為硬件部分的核心，通過CPU系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。CPU系統(tǒng)內部包含嵌入式芯片，該芯片具有高性能、低成本、功耗低等優(yōu)勢，并且該芯片內部融合了復位電路、調壓器等設備，在多種設備的支持下，可提高工業(yè)爐的使用壽命，即使處于較為惡劣的環(huán)境下，工業(yè)爐也能維持自身功能。電源電路可為系統(tǒng)內部設備提供電源，同時可將系統(tǒng)外部輸入的電源轉換為電子電路運轉電源，有利于提高工業(yè)爐電源的抗干擾能力。串行通信回路可與串行設備之間建立通信連接，以此實現(xiàn)工業(yè)爐參數(shù)的控制[5]。開關量輸入回路可實時測量工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的信號，模擬量輸入回路可對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的模擬量進行全方位測量。GPRS通信回路可遠程控制工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)，同時可將工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)內部設備與參數(shù)上傳至遠程管理平臺中，結構如圖3所示。

圖3 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件總結構

3.2 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分的核心設備為μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，通過μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，同時可控制工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的任務處理進程[6]。

顯示管理與人機接口任務指的是刷新工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的本地顯示界面，并對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的觸摸屏進行監(jiān)測與處理，通過該方式實現(xiàn)系統(tǒng)內部指示燈與按鈕的實時監(jiān)控。工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)管理任務指的是對數(shù)據(jù)進行存儲管理，可控制工業(yè)爐的運行狀況，同時可實現(xiàn)任務的切換。串行通信任務包括數(shù)據(jù)通信、發(fā)送、處理等，該部分主要負責建立工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)與外部擴展單元之間的通信聯(lián)系，可實現(xiàn)顯示器與監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。開關量輸入任務主要對系統(tǒng)內各個開關的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，若某個回路的開關量超過系統(tǒng)可承受的最大范圍，可采取預制操作。模擬量輸入任務指的是測量工業(yè)爐的溫度、壓力等指標。GPRS通信任務可建立數(shù)據(jù)之間的通信，通過該方式實現(xiàn)指令的發(fā)送與接收。

4 基于物聯(lián)網與云計算的工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)技術開發(fā)

4.1 物聯(lián)網與云計算技術的特點

將物聯(lián)網與云計算作為工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心技術，有利于工作人員實時掌握工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)，可提高工業(yè)爐的安全性與穩(wěn)定性。物聯(lián)網與云計算的技術特點可體現(xiàn)在五個方面：一，工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)在物聯(lián)網與云計算技術的支持下，可實時監(jiān)測工業(yè)爐的運行狀態(tài)，但不控制工業(yè)爐的運行情況；二，上位機監(jiān)測軟件未明確限制系統(tǒng)內部用戶的訪問數(shù)量，為實現(xiàn)用戶訪問數(shù)量的增加，可利用物聯(lián)網與云計算技術對用戶進行簡單化設置；三，系統(tǒng)物聯(lián)網與云計算內部裝置的目的性與針對性較強，采用物聯(lián)網與云計算技術對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)進行開發(fā)時，可提高系統(tǒng)的性價比；四，物聯(lián)網與云計算技術可有效解決工業(yè)爐存在的問題，有利于提高工業(yè)爐的管理水平，實現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)對工業(yè)爐的動態(tài)化監(jiān)督；五，物聯(lián)網與云計算技術具有降低工業(yè)爐安全事故發(fā)生幾率的作用，將物聯(lián)網與云計算技術應用于工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)中，可提高工業(yè)爐的運行效率。

4.2 工業(yè)爐信號采集

工業(yè)爐在運行過程中可產生變量信號和狀態(tài)信號，可利用系統(tǒng)內部傳感器對不同信號進行采集。其中變量信號主要包括給水溫度、排煙氧量等，狀態(tài)信號主要包括運行信號、整體預警等。工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)可對不同信號參數(shù)進行在線運算，如將工業(yè)爐的排煙氧量作為主要依據(jù)，對工業(yè)爐的空氣過量系數(shù)、熱效率等參數(shù)進行計算。

4.3 工業(yè)爐熱效率計算

熱效率計算指的是排煙溫度、一氧化碳含量等參數(shù)的計算，為獲取工業(yè)爐的熱效率，可利用反平衡公式進行計算，其公式為

(1)

在線監(jiān)測系統(tǒng)可對工業(yè)爐的排煙溫度、一氧化碳含量、入爐冷空氣溫度等參數(shù)進行計算，但其余參數(shù)計算的難度系數(shù)較大。為獲取工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的熱效率，需要在現(xiàn)場環(huán)境中實現(xiàn)樣品的采集，并對采集后的樣品進行離線測量。為保證測量結果的準確性，可采用兩種方式：其一，對工業(yè)爐用煤的質量進行工業(yè)分析，實現(xiàn)灰渣含碳量的在線監(jiān)測，監(jiān)測結果可與現(xiàn)場能效進行對比，并對在線監(jiān)測系統(tǒng)進行合理的調整；其二，采取定期監(jiān)測的方式，對工業(yè)爐內部煤樣和灰渣進行收集，對收集的樣本進行離線研究與分析，最終結果可傳輸至在線監(jiān)測系統(tǒng)中[7]。

4.4 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)管中心

為滿足工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的多元化監(jiān)測需求，本研究將工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)作為主要研究對象，設計了工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)管中心。該監(jiān)測中心內部配置了監(jiān)測平臺，可構建出集監(jiān)測、節(jié)能、管理于一體的信息化管理平臺，有利于優(yōu)化工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能，同時可實現(xiàn)工業(yè)爐的遠程在線管理，從根源上提高工業(yè)爐的運行效率。

5 基于物聯(lián)網與云計算的工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)實施效果

本研究為驗證工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施效果，對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)實施效果的驗證過程為：首先，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測工業(yè)爐的運行情況；其次，詳細記錄工業(yè)爐內部設備在運行過程中產生的全部數(shù)據(jù)，同時應存儲工業(yè)爐運行過程中產生的故障報警信息，最后，為保證工業(yè)爐運行的安全性與經濟性，采取適當?shù)拇胧I(yè)爐進行處理。通過對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果進行計算可知，經過在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測后，工業(yè)爐的工作效率提高了8%左右。工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)實施效果如表1所示[8]。

表1 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)實施效果

6 結 語

本研究將物聯(lián)網與云計算作為核心技術，設計了工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)。在線監(jiān)測系統(tǒng)可對工業(yè)爐運行過程中產生數(shù)據(jù)進行采集與分析，有利于工作人員實時掌握工業(yè)爐的運行狀況，同時可對工業(yè)爐的各項指標進行精準監(jiān)測。為實現(xiàn)工業(yè)爐運行狀態(tài)的調整，利用云平臺對工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)進行開發(fā)，可有效降低工業(yè)爐安全事故發(fā)生的概率。將工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)應用于工業(yè)生產領域中，可提高工業(yè)生產的整體效率，為工業(yè)生產領域的后續(xù)發(fā)展提供依據(jù)，具有一定參考價值。