趙 輝，馬 舜

（杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，杭州 310051）

目前，我國(guó)定型的工業(yè)鍋爐產(chǎn)品很少配置較為齊全的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表，尤其是一些涉及能效的關(guān)鍵參數(shù)如排煙含氧量、排煙溫度等，大量燃煤鍋爐甚至連蒸汽溫度等常規(guī)參數(shù)都無法顯示?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的缺乏導(dǎo)致司爐工無法真正掌握鍋爐的運(yùn)行情況，不能及時(shí)調(diào)節(jié)鍋爐燃燒，從而使得熱效率長(zhǎng)期低于設(shè)計(jì)值[1-3]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是解決上述問題的一項(xiàng)重要技術(shù)方案。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、分析計(jì)算，一方面進(jìn)行編碼并傳送至遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，進(jìn)一步針對(duì)安全及能效指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，并以互聯(lián)網(wǎng)為載體向政府機(jī)構(gòu)、使用單位、制造單位等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)布被監(jiān)測(cè)鍋爐的運(yùn)行情況。另一方面通過交互式人機(jī)界面向現(xiàn)場(chǎng)司爐工顯示鍋爐實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，并提供鍋爐安全與節(jié)能操作的有效建議，指導(dǎo)司爐工針對(duì)性的找出問題所在，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行，使鍋爐長(zhǎng)期保持最優(yōu)狀態(tài)[4-9]。

1 采集終端及其功能要求

數(shù)據(jù)采集終端是鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集與傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換樞紐，具有采集、遠(yuǎn)傳和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置等功能。傳統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)采集終端無顯示設(shè)備，不具備交互功能，主要面向政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)和企業(yè)管理人員。而鍋爐真正操作者是一線司爐工，司爐工看不到鍋爐實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，不能有效掌握鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況。基于此所研發(fā)的集現(xiàn)場(chǎng)采集、遠(yuǎn)程傳輸、動(dòng)漫教學(xué)及知識(shí)查詢等功能為一體的鍋爐交互型數(shù)據(jù)采集終端，通過人機(jī)對(duì)話，可以使司爐工現(xiàn)場(chǎng)掌握鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并根據(jù)該終端所提供的有效建議，有針對(duì)性地查找出問題所在，優(yōu)化運(yùn)行，從而使鍋爐運(yùn)行始終處于最優(yōu)狀態(tài)。

交互型數(shù)據(jù)采集終端，不僅具有傳統(tǒng)采集終端具有的現(xiàn)場(chǎng)采集與遠(yuǎn)程傳輸功能，即能夠?qū)?shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，使管理人員在監(jiān)測(cè)中心能夠有效監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行，而且具有人機(jī)互動(dòng)功能，即能夠現(xiàn)場(chǎng)顯示監(jiān)測(cè)動(dòng)畫、實(shí)時(shí)曲線、報(bào)警提醒、操作知識(shí)和教學(xué)視頻等。具體的人機(jī)互動(dòng)功能包括：

現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警提醒及查詢系統(tǒng)報(bào)警，觸控屏上將顯示與監(jiān)測(cè)中心相同的報(bào)警信息，同時(shí)具有現(xiàn)場(chǎng)彈出式報(bào)警框和實(shí)時(shí)報(bào)警列表2種顯示方式。

指導(dǎo)處置司爐工可根據(jù)界面報(bào)警提醒框，點(diǎn)擊可觸控屏幕報(bào)警信息，查詢鍋爐安全與節(jié)能報(bào)警及處置流程，指導(dǎo)其根據(jù)界面提醒信息進(jìn)行合理操作，優(yōu)化運(yùn)行。

知識(shí)查詢?cè)摻K端在系統(tǒng)軟件里集成了鍋爐安全與節(jié)能運(yùn)行知識(shí)題庫(kù)軟件，該題庫(kù)具有良好地指導(dǎo)司爐工合理操作和現(xiàn)場(chǎng)處置功能。

動(dòng)漫教學(xué)該終端集成了自行開發(fā)的《鍋爐操作理論培訓(xùn)教學(xué)片》[10]。

2 采集終端研制

2.1 傳統(tǒng)交互型采集終端

傳統(tǒng)交互型采集終端由觸控屏、工控機(jī)、供電組塊、PLC組塊、通訊裝置、端子排和功率表等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)交互型采集終端結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of traditional interactive acquisition terminal

（1）觸控屏為482.6 mm液晶TFT模塊-電阻壓力式觸摸屏，觸摸分辨率為4096×4096，單點(diǎn)觸摸為3500萬次。

（2）工控機(jī)為1 G DDR2內(nèi)存/160 G硬盤，能抗沖擊、震蕩，并且能在高溫下穩(wěn)定工作，操作系統(tǒng)為WIN XP/WIN 2000/WIN 7。

（3）供電組塊用于轉(zhuǎn)換電源及對(duì)終端各元器件進(jìn)行供電，包括總開關(guān)、熔斷器、24 V和12 V轉(zhuǎn)換電源。其中，熔斷器用于切斷故障電路，保護(hù)終端安全；轉(zhuǎn)換電源用于將220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V或24 V電源，并為終端各元器件供電。

（4）PLC組塊用于對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行匯總、編碼及運(yùn)算，包括有溫度模塊、模擬量模塊、PLC主機(jī)、開關(guān)量模塊和通訊模塊。其中，溫度模塊預(yù)留2組共8路通道；模擬量模塊預(yù)留6路通道；開關(guān)量模塊預(yù)留16路通道；PLC主機(jī)型號(hào)為DVP-28SV11R，內(nèi)置RS-232/485通信接口，Modbus通信協(xié)議，負(fù)責(zé)對(duì)采集來的信號(hào)進(jìn)行匯總、編碼及運(yùn)算；通訊模塊內(nèi)置1個(gè)RS-232通信接口，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信接口，Modbus通訊協(xié)議，用于與外置的通訊裝置對(duì)接。

（5）通訊裝置用于信號(hào)傳輸，包括 DTU，路由器，VPN和Modem。其中，DTU通過RS485通信接口，并由RS-232轉(zhuǎn)RS-485通信接口連接線與PLC通信擴(kuò)展模塊的RS-232通信接口相連，采用Modbus-RTU透明通信方式，用于鍋爐房無線傳輸；路由器、VPN和Modem由網(wǎng)線與PLC通信擴(kuò)展模塊的以太網(wǎng)通信接口連接，采用Modbus-TCP通信方式，用于鍋爐房有ADSL寬帶的有線傳輸。

圖2 傳統(tǒng)交互型終端的外形及運(yùn)行界面Fig.2 Shape and operation interface diagram of traditional interactive terminal

圖3 便攜交互型采集終端結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of portable interactive acquisition terminal

傳統(tǒng)交互型采集終端的工作原理是該終端接通電源，供該終端各元器件通電工作。

具體的電路流向：由總開關(guān)通電，通過熔斷器后接入到交直流轉(zhuǎn)換電源，交直流轉(zhuǎn)換電源將交流電源轉(zhuǎn)換為12～24 V直流電源，為控制柜內(nèi)各元器件供電，同時(shí)功率表計(jì)量鍋爐實(shí)時(shí)耗電量；各元器件通電后，開始信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)互動(dòng)。

數(shù)據(jù)信號(hào)的流向：由現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集的溫度、壓力、流量及含氧量信號(hào)，通過線纜連接到現(xiàn)場(chǎng)控制柜的端子排，再通過現(xiàn)場(chǎng)控制柜里的PLC組塊進(jìn)行數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)通過外置的通訊裝置傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)用計(jì)算機(jī)上。同時(shí)，從PLC輸出的信號(hào)傳輸?shù)娇刂乒駜?nèi)的工控機(jī)，工控機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)鍋爐運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過相關(guān)軟件處理把最終在線信息顯示到觸控屏上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并通過觸控屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。傳統(tǒng)交互型采集終端的實(shí)物外形及運(yùn)行界面如圖2所示。

2.2 便攜交互型采集終端

便攜交互型采集終端由多功能電量表、巡檢按鍵、ARM微處理器、模擬信號(hào)采集模塊、開關(guān)信號(hào)采集模塊、串行通信接口電路、GPRS通信模塊、LCD觸控顯示屏、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、UPS電源組成。該終端結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）ARM微處理器是本裝置的核心控制元件，采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VBT6芯片。

（2）模擬信號(hào)采集模塊采用ARM微處理器片內(nèi)集成的12位ADC，實(shí)現(xiàn)16路模擬量的高精度采樣，作用是對(duì)4～20 mA的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離并放大，避免采集信號(hào)傳輸?shù)墓收稀⑹д婕案蓴_。

（3）開關(guān)信號(hào)采集模塊采用光耦隔離芯片TLP181，隔離后的信號(hào)直接接入ARM微處理器的通用I/O口，實(shí)現(xiàn)16通道的開關(guān)信號(hào)采樣，作用是對(duì)提取的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行安全隔離。

（4）串行通信接口電路采用MAX485芯片，通過與ARM微處理器的USART接口連接構(gòu)成2路RS485通信接口，一路用于與多功能電量表通信，另一路用于與鍋爐主控制器通信，直接從鍋爐主控制器提取運(yùn)行參數(shù)。

（5）多功能電量表用于測(cè)量鍋爐運(yùn)行消耗的總電量，可通過RS485接口向外發(fā)送實(shí)時(shí)電壓、電流、功率、功率因素等電參數(shù)信號(hào)。

（6）巡檢按鍵接入開關(guān)信號(hào)采集模塊的輸入端，用于現(xiàn)場(chǎng)司爐工的監(jiān)管。

（7）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無線模塊來實(shí)現(xiàn)，SIM卡通過SIM卡接口電路和GPRS通信模塊連接。

（8）LCD觸控顯示屏采用177.8 mm電容式液晶觸摸顯示屏集成模塊。該模塊通過通用I/O接口與ARM微處理器連接，作用是實(shí)時(shí)顯示并與司爐工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互。

（9）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用大容量SD卡，便于指導(dǎo)材料的更新，SD卡通過SD卡接口電路與ARM微處理器的SPI接口連接。

（10）電源模塊采用LM2596S和LM1117-3.3芯片產(chǎn)生5，4.2，3.3 V的直流電壓，分別為采集模塊、GPRS通訊模塊、ARM系統(tǒng)等提供電能。

（11）UPS電源用于產(chǎn)生24 V的穩(wěn)定電壓，一方面作為電源模塊的輸入，另一方面向傳感器供電。

便攜交互型采集終端工作原理如下：

用于測(cè)量溫度、壓力、流量及含氧量信號(hào)的傳感器安裝在被監(jiān)測(cè)鍋爐上，傳感器通過信號(hào)線將4～20 mA的輸出信號(hào)接入具有16個(gè)采樣通道的模擬信號(hào)采集模塊，模擬信號(hào)采集模塊將傳感器信號(hào)隔離放大后，接入ARM微處理器的ADC接口。

開關(guān)信號(hào)由鍋爐控制柜內(nèi)的繼電器若干接點(diǎn)，經(jīng)開關(guān)信號(hào)采集模塊接入ARM微處理器的I/O口。用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管司爐工的巡檢按鍵，經(jīng)開關(guān)信號(hào)采集模塊接入ARM微處理器的I/O口。用于測(cè)量鍋爐耗電量的多功能電量表，通過RS485接口經(jīng)串口通信接口電路，接入ARM微處理器的USART接口。用于向鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)無線發(fā)送監(jiān)測(cè)參數(shù)的GPRS通信模塊，通過USART接口與ARM微處理器連接。用于實(shí)時(shí)顯示鍋爐安全與能效狀態(tài)參數(shù)，并與司爐工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互的LCD觸控顯示屏，由通用I/O接口與ARM微處理器連接。集成了大容量SD卡的、用于存儲(chǔ)鍋爐監(jiān)測(cè)參數(shù)和鍋爐操作運(yùn)行指導(dǎo)材料的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，通過SPI接口與ARM微處理器連接。用于產(chǎn)生5，4.2，3.3 V直流電壓的電源模塊，分別與所述裝置的各模塊連接。產(chǎn)生24 V穩(wěn)定電能的UPS電源，通過繼電器連接傳感器的電源線。該終端的運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 便攜交互型終端的外形及運(yùn)行界面Fig.4 Shape and operation interface diagram of portable interactive terminal

表1 采集終端技術(shù)性能比較Tab.1 Technical performance comparison of acquisition terminals

3 兩種交互型采集終端的技術(shù)性能比較

傳統(tǒng)交互型采集終端主要采用外接傳感器結(jié)合PLC和工控機(jī)并集成于控制柜內(nèi)的方案，雖然模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)周期短，市場(chǎng)兼容性強(qiáng)，維修方便，但是成本高，裝置笨重，PLC控制部分閑置，市場(chǎng)推廣難度大。

便攜交互型采集終端采用以ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器為核心，構(gòu)成集成電路板的方案，其接口豐富，具有結(jié)構(gòu)緊湊，防護(hù)等級(jí)高，重量輕，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，既方便攜帶也能壁掛，易于市場(chǎng)化推廣。表1為2種數(shù)據(jù)采集終端技術(shù)性能的比較。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)不同功能需求，研發(fā)集現(xiàn)場(chǎng)采集、遠(yuǎn)程傳輸、動(dòng)漫教學(xué)及知識(shí)查詢等功能為一體的鍋爐傳統(tǒng)交互型、便攜交互型2種采集終端。采集終端不僅能向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送被測(cè)鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，還能與現(xiàn)場(chǎng)操作的司爐工進(jìn)行互動(dòng)，觸摸屏能向司爐工顯示所測(cè)參數(shù)、故障排除與節(jié)能操作指南，通過人機(jī)交互第一時(shí)間指導(dǎo)司爐工有效地掌握鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)排除運(yùn)行故障，經(jīng)濟(jì)安全地操作鍋爐運(yùn)行。目前采集終端已在杭州地區(qū)30臺(tái)工業(yè)鍋爐上安裝并可靠運(yùn)行。它的研發(fā)可為鍋爐安全與節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、鍋爐故障和事故調(diào)查提供可靠的技術(shù)支撐。

[1]余潔.中國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀[J].潔凈煤技術(shù)，2012，18（3）：89-91.

[2]王春晶.中小燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能減排途徑及情景分析[J].潔凈煤技術(shù)，2016，22（1）：109-113.

[3]萬玉婷，江楠，簡(jiǎn)志良，等.中小型工業(yè)鍋爐系統(tǒng)節(jié)能改造難度分析及對(duì)策[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2015，41（2）：56-58.

[4]李飛翔，楊笑峰，王泓，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的鍋爐能效測(cè)試集成系統(tǒng)的研發(fā)[J].工業(yè)鍋爐，2013，30（4）：34-38.

[5]汪建宇，郭洪濤.基于互聯(lián)網(wǎng)的鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013，43（3）：82-83.

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

[7]馬舜，汪宏，邢璐，等.基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能物聯(lián)網(wǎng)終端[J].自動(dòng)化與儀表，2016，31（10）：62-66.

[8]邢璐，馬舜，汪宏，等.基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓I(yè)鍋爐遠(yuǎn)程節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2016，46（10）：4-5.

[9]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，2014，37（1）：50-54.

[10]趙輝，韓樹新，孫志敏.鍋爐操作工理論培訓(xùn)形象化教學(xué)研究[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2011，27（2）：17-19.