趙 輝

(杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 浙江 杭州 310051)

0 引 言

我國(guó)在用工業(yè)鍋爐數(shù)量大、容量小、布點(diǎn)分散，特別是燃煤工業(yè)鍋爐機(jī)械化和自動(dòng)化程度低、隱患高、耗能高、污染嚴(yán)重[1-3]，這更給全面的安全監(jiān)察、能耗和排放監(jiān)測(cè)帶來一定難度?；谝陨犀F(xiàn)狀，鍋爐物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能很好解決以上問題，即通過現(xiàn)場(chǎng)安裝或利用已有傳感器和采集終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐實(shí)時(shí)信號(hào)采集、編碼，并遠(yuǎn)程傳輸至云平臺(tái)，經(jīng)后臺(tái)軟件數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)。鍋爐一旦有異?；蛘邎?bào)警，云平臺(tái)會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過專家遠(yuǎn)程診斷，監(jiān)測(cè)人員以電話、短信等形式，向用戶發(fā)出警示，指導(dǎo)處置；最終，工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)通過管理和技改等綜合服務(wù)方式，實(shí)現(xiàn)鍋爐安全持續(xù)高效綠色運(yùn)行。

云平臺(tái)軟件系統(tǒng)是展現(xiàn)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的窗口，是云平臺(tái)價(jià)值核心的體現(xiàn)，由上位機(jī)軟件、采集終端嵌入式軟件、熱效率計(jì)算模型及通信協(xié)議組成。軟件系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等核心技術(shù)的應(yīng)用，收集、整理、分析鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建鍋爐實(shí)時(shí)在線物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且操作“簡(jiǎn)易化”、“傻瓜化”，降低用戶使用難度，為政府、企業(yè)用戶、服務(wù)機(jī)構(gòu)及公眾在內(nèi)的不同用戶提供鍋爐安全節(jié)能和環(huán)保等相關(guān)的增效服務(wù)。目前，鍋爐物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)研究國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展[4-7]，文獻(xiàn)[8-9]在鍋爐熱效率計(jì)算及軟件模型上進(jìn)行了探討，但系統(tǒng)地提出平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)的研究目前還沒有。本文將從以下四方面進(jìn)行闡述。

1 上位機(jī)軟件

1.1 軟件構(gòu)架

上位機(jī)軟件用Java7語言編寫，采用B/S 結(jié)構(gòu)，用戶可通過Web頁面、微信公眾號(hào)瀏覽操作平臺(tái)界面，采集終端管理支持基于C/S 的桌面應(yīng)用程序。上位機(jī)軟件總體邏輯架構(gòu)如圖1所示，分為采集層、傳輸層、存儲(chǔ)層、支撐層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層六個(gè)層次。

圖1 軟件總體邏輯架構(gòu)

采集層將所有鍋爐納入監(jiān)測(cè)范圍，通過數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐計(jì)量?jī)x表通信的實(shí)時(shí)采集和控制指令的發(fā)送；傳輸層實(shí)現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)通過 Internet 網(wǎng)絡(luò)或 2G/3G 無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過加密傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)平臺(tái)服務(wù)器，同時(shí)要求具備斷點(diǎn)續(xù)傳功能；存儲(chǔ)層包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，分別保存從傳輸層上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)；支撐層主要由軟件模型、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、GIS服務(wù)構(gòu)成。軟件模型涵蓋數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)模型，軟件的各種應(yīng)用功能和后臺(tái)計(jì)算功能均依據(jù)此模型開展。數(shù)據(jù)庫服務(wù)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫組成，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫處理和存儲(chǔ)海量的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)基礎(chǔ)信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，結(jié)合GIS服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)支撐；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)所有鍋爐的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、匯總分析，為相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)上報(bào)、統(tǒng)計(jì)分析、決策支持、預(yù)測(cè)預(yù)警及企業(yè)服務(wù)等。功能基于Web形式展示，提供基于GIS的展示功能，且支持移動(dòng)客戶端；表現(xiàn)層則是將應(yīng)用層的模塊通過Web頁面、移動(dòng)客戶端等形式展示。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

上位機(jī)軟件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建采用模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的功能區(qū)域，主要分為數(shù)據(jù)采集區(qū)WLAN(數(shù)據(jù)采集器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、采集服務(wù)器和運(yùn)行服務(wù)器等)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)WLAN(數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備等)、應(yīng)用服務(wù)區(qū)WLAN(Web服務(wù)器、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等)以及一系列防火墻，使軟件總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備高靈活性、可伸縮性和高可用性。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要求：采集終端采集鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以互聯(lián)網(wǎng)或無線等通信形式上傳至數(shù)據(jù)采集區(qū)的采集服務(wù)器；采集的海量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全及平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行；軟件配備防火墻等安全措施和策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全隔離；外部訪問節(jié)點(diǎn)可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，并通過應(yīng)用服務(wù)區(qū)的Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的正常運(yùn)行及對(duì)外發(fā)布。軟件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2所示。

圖2 軟件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)圖

2 采集終端嵌入式軟件

嵌入式終端軟件用C語言編寫，模塊化結(jié)構(gòu)，用于嵌入式數(shù)據(jù)采集終端。圖3所示為軟件整體構(gòu)架。軟件總體被分解為若干任務(wù)，運(yùn)行在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)之上，協(xié)同完成任務(wù)。其中，系統(tǒng)管理任務(wù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)管理、定時(shí)控制和任務(wù)切換等基礎(chǔ)操作；顯示管理和人機(jī)接口任務(wù)主要完成本地顯示界面的刷新、觸摸屏的監(jiān)測(cè)和處理、本地指示燈和按鈕操作的監(jiān)視及響應(yīng)；串行通信任務(wù)主要完成與外部擴(kuò)展單元的數(shù)據(jù)通信處理、報(bào)文構(gòu)造、發(fā)送、接收、分析等處理，可與一體化顯示器、外部擴(kuò)展單元、其他監(jiān)控系統(tǒng)等交換數(shù)據(jù)；開關(guān)量輸入任務(wù)主要監(jiān)視各回路開關(guān)量動(dòng)作狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)定操作；模擬量輸入任務(wù)主要完成溫度、壓力、含氧量等測(cè)量；GPRS通信任務(wù)主要完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令的發(fā)送、接收。

圖3 軟件整體構(gòu)架

3 熱效率計(jì)算模型

云平臺(tái)軟件系統(tǒng)熱效率計(jì)算模型分為正平衡模型和反平衡模型。正平衡采用GB/T10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》方法，公式如式(1)所示。反平衡熱效率計(jì)算采用TSG G0003-2010 《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》方法，公式如式(2)～式(8)所示。

(1)

η2=100-q2-q3-q4-q5-q6

(2)

(3)

(4)

(5)

αfh+αlm+αlz=100

(6)

(7)

(8)

計(jì)算參數(shù)輸入界面如圖4所示，分為燃煤/生物質(zhì)鍋爐和燃油/氣鍋爐兩種界面。具體計(jì)算模型參數(shù)如表1所示。表中，化驗(yàn)數(shù)據(jù)包括燃料低位發(fā)熱量及固體燃料的灰分、飛灰含碳量、漏煤含碳量、爐渣含碳量等，參數(shù)在線測(cè)量難度比較大，一般是到鍋爐房采樣，由分析儀離線分析，結(jié)果輸入到物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。燃料一旦調(diào)整，需重新進(jìn)行采樣分析。

表1 熱效率計(jì)算模型參數(shù)

續(xù)表1

(a) 燃煤/生物質(zhì)鍋爐

(b) 燃油/氣鍋爐 圖4 熱效率計(jì)算模型界面

4 傳輸通信協(xié)議

專用鍋爐物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議規(guī)定了采集終端與云平臺(tái)間通過傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)定義。適用于采集終端與云平臺(tái)間通過有限帶寬的公共無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的接口。只要采集終端按此協(xié)議編碼，都能接入云平臺(tái)。

4.1 基本要求

通信協(xié)議以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議作為底層通信承載協(xié)議，可以利用有限帶寬的公共無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸。通信協(xié)議棧上，本通信協(xié)議對(duì)應(yīng)于ISO/OSI定義的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層，如圖5所示。

圖5 通信協(xié)議棧

應(yīng)用層通信協(xié)議不依賴于所選用的傳輸網(wǎng)絡(luò)，在基礎(chǔ)傳輸層已經(jīng)建立的基礎(chǔ)上，應(yīng)用層通信協(xié)議與具體傳輸網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，體現(xiàn)通信介質(zhì)無關(guān)性。擴(kuò)展性上，本通信協(xié)議不限制鍋爐物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擴(kuò)展其他信息內(nèi)容，在擴(kuò)展內(nèi)容時(shí)不應(yīng)與本通信協(xié)議中所使用或保留的控制命令相沖突，并應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。數(shù)據(jù)包格式上，本通信協(xié)議的注冊(cè)、數(shù)據(jù)查詢、響應(yīng)、控制和數(shù)據(jù)讀取等過程所發(fā)送接收的報(bào)文應(yīng)符合圖6通信數(shù)據(jù)包格式的規(guī)定。

圖6 通信數(shù)據(jù)包格式

4.2 通信數(shù)據(jù)包規(guī)定

通信協(xié)議規(guī)定了采集終端與云平臺(tái)間注冊(cè)、登錄、心跳、運(yùn)行數(shù)據(jù)上報(bào)及查詢、終端參數(shù)配置及查詢、能效計(jì)算模型參數(shù)配置及查詢等發(fā)送接收的數(shù)據(jù)包格式，具體如圖7所示。此外，還包括采集終端身份識(shí)別碼(終端ID)和鍋爐編碼，終端采集與計(jì)算參數(shù)編碼等。

圖7 通信數(shù)據(jù)包格式

5 軟件功能

5.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件包括四板塊，即：1) 綜合平臺(tái)。云平臺(tái)管理人員負(fù)責(zé)管理維護(hù)，由主監(jiān)控臺(tái)、能效統(tǒng)計(jì)、信息發(fā)布、專家診斷、系統(tǒng)告警、事件提醒、賬號(hào)管理、鍋爐信息、終端管理和基本信息十個(gè)模塊組成，軟件系統(tǒng)所有功能都集中在此平臺(tái)上。2) 政府平臺(tái)。用來獲取區(qū)域內(nèi)鍋爐整體運(yùn)行狀況、能耗等上報(bào)數(shù)據(jù)，為政府安全節(jié)能工作決策提供相關(guān)輔助工具。3) 企業(yè)平臺(tái)。分為使用單位和制造企業(yè)平臺(tái)，可實(shí)時(shí)了解己方鍋爐運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，同時(shí)制造企業(yè)也能為產(chǎn)品改進(jìn)和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)積累原始數(shù)據(jù)，更好地做好售后服務(wù)。4) 公眾平臺(tái)。公眾通過網(wǎng)頁直接登錄界面，查詢定期發(fā)布的鍋爐信息、運(yùn)行狀況等，指導(dǎo)公眾挑選優(yōu)質(zhì)高效鍋爐，倒逼鍋爐制造企業(yè)提高設(shè)計(jì)、制造水平，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保鍋爐，以市場(chǎng)行為優(yōu)勝劣汰。

具備七功能即：1) 在線監(jiān)測(cè)。包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、GIS監(jiān)測(cè)和Flash監(jiān)測(cè)界面。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示鍋爐啟停、水位、溫度、壓力、流量、煙溫等運(yùn)行參數(shù)，并以數(shù)據(jù)列表形式展示；GIS監(jiān)測(cè)配備GIS引擎，將實(shí)時(shí)信息直觀地呈現(xiàn)在Web頁面上，還可將鍋爐房可定位至地圖上相應(yīng)位置；Flash監(jiān)測(cè)對(duì)每臺(tái)鍋爐配備流程圖監(jiān)測(cè)，所有運(yùn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)可通過Flash界面展示。2) 報(bào)警。分為安全類報(bào)警和能效超限報(bào)警兩大類。安全類報(bào)警包括高低水位、蒸汽壓力、溫度等，能效超限報(bào)警主要是熱效率、排煙溫度的超限等。軟件還支持按報(bào)警類型、時(shí)間搜索記錄，并提供報(bào)警處理記錄功能，并可主動(dòng)將報(bào)警信息推送到相關(guān)人員手機(jī)端。3) 數(shù)據(jù)查詢。軟件提供不同鍋爐后臺(tái)的能效計(jì)算并形成相應(yīng)的周、月、季度、年度運(yùn)行報(bào)表，提供對(duì)同類型鍋爐數(shù)據(jù)對(duì)比和參數(shù)關(guān)聯(lián)性對(duì)比分析，提供歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。4) 多級(jí)權(quán)限管理。根據(jù)系統(tǒng)管理員、政府、使用單位、鍋爐制造廠及服務(wù)機(jī)構(gòu)等，建立多級(jí)權(quán)限區(qū)域。在每個(gè)權(quán)限區(qū)域下，添加各種受限對(duì)象，包括數(shù)據(jù)信息、報(bào)表等。5) 配置管理。分為信息管理、終端在線管理和系統(tǒng)日志管理。信息管理可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐基本信息設(shè)置和修改；終端在線管理實(shí)現(xiàn)對(duì)終端運(yùn)行狀態(tài)查詢、故障查詢及通信費(fèi)用管理；系統(tǒng)日志管理記錄系統(tǒng)所產(chǎn)生所有行為，包括系統(tǒng)維護(hù)日志和操作日志。6) 數(shù)據(jù)發(fā)布。根據(jù)監(jiān)管要求，根據(jù)鍋爐，對(duì)轄區(qū)內(nèi)所有鍋爐的運(yùn)行效率、能耗指標(biāo)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定期公布。7) 手機(jī)微信。采用微信公眾號(hào)，可在手機(jī)、PAD上監(jiān)測(cè)鍋爐實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀況，并管理相應(yīng)權(quán)限內(nèi)的鍋爐。云平臺(tái)上位機(jī)軟件界面如圖8所示。

(a) 主監(jiān)控臺(tái)

(b) Flash界面 圖8 云平臺(tái)上位機(jī)軟件界面

5.2 嵌入式終端軟件

人機(jī)界面如圖9所示。嵌入式終端軟件主要功能包括：1) 參數(shù)檢測(cè)。連續(xù)采集模擬量和開關(guān)量，采樣周期大于100 Hz，完成AD轉(zhuǎn)換和狀態(tài)檢測(cè)。

2) 標(biāo)度變換。將模擬量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)物理參數(shù)，標(biāo)度變換計(jì)算可通過遠(yuǎn)程設(shè)置。

3) 能效參數(shù)計(jì)算。集成各爐型能效計(jì)算數(shù)學(xué)模型，可實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)行效率，并可遠(yuǎn)程配置參數(shù)。

4) 自診斷。自動(dòng)監(jiān)測(cè)外部傳感器連接狀態(tài)，斷線時(shí)能發(fā)出報(bào)警信息；本身受干擾后能自動(dòng)恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間小于0.5 s。

5) 報(bào)警提示。故障時(shí)，可通過指示燈和顯示界面發(fā)出報(bào)警信息。

6) 數(shù)據(jù)通信。可自動(dòng)通過GPRS或3G網(wǎng)絡(luò)連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器，根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，接收并處理遠(yuǎn)程控制指令。

7) 遠(yuǎn)程配置及管理。通過平臺(tái)服務(wù)器上通信服務(wù)程序遠(yuǎn)程配置采樣通道、標(biāo)度變換參數(shù)、上報(bào)模式及周期、報(bào)警閾值、能效模型參數(shù)等，具備遠(yuǎn)程時(shí)間校準(zhǔn)、故障復(fù)位及終端重啟等控制功能。

8) 人機(jī)交互。具有人機(jī)接口，可通過觸摸屏和鍵盤選擇顯示內(nèi)容，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。

圖9 采集終端人機(jī)界面

6 結(jié) 語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等核心技術(shù)，設(shè)計(jì)了云平臺(tái)軟件系統(tǒng)，由上位機(jī)軟件、采集終端嵌入式軟件、熱效率計(jì)算模型及通信協(xié)議四部分組成。其中，上位機(jī)軟件用Java7語言編寫，模塊化設(shè)計(jì)，采用B/S 結(jié)構(gòu)，總體邏輯架構(gòu)分為采集層、傳輸層、存儲(chǔ)層、支撐層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層六個(gè)層次。包括綜合平臺(tái)、政府平臺(tái)、企業(yè)平臺(tái)和公眾平臺(tái)四大板塊，具備在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢、多級(jí)權(quán)限管理、配置管理、數(shù)據(jù)發(fā)布、手機(jī)微信等七大功能；嵌入式終端軟件用C語言編寫，模塊化結(jié)構(gòu)，用于嵌入式數(shù)據(jù)采集終端人機(jī)界面；熱效率計(jì)算模型分為正平衡模型和反平衡模型，有燃煤/生物質(zhì)鍋爐和燃油/氣鍋爐兩種參數(shù)輸入界面；專用通信協(xié)議規(guī)定了采集終端與云平臺(tái)間通過傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)定義。

目前，基于此軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)架的鍋爐物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在杭州市14個(gè)區(qū)縣進(jìn)行示范，90家單位133臺(tái)鍋爐安裝了這套系統(tǒng)，包括60臺(tái)燃油/氣鍋爐，69臺(tái)燃煤/生物質(zhì)鍋爐和4臺(tái)熱電鍋爐，已試運(yùn)行18個(gè)月，取得良好的社會(huì)效益和節(jié)能效果。