基于物聯網的鍋爐能效測試集成系統的研發

李飛翔 楊笑峰 王 泓 湖北省特種設備安全檢驗檢測研究院

1 目前工業鍋爐能效測試存在的問題

為推進工業鍋爐的節能工作，國家質檢總局先后頒布《鍋爐節能技術監督管理規程》、《工業鍋爐能效測試與評價規則》等技術規范，明確了工業鍋爐能效測試的技術標準，在全國范圍內推行工業鍋爐能效測試工作。

但目前工業鍋爐能效測試仍存在一些亟待解決的技術問題。

1）現有能效測試設備大多僅具有單項檢測功能，體積龐大，機動性差，集成化程度低，導致單臺儀器的精度會嚴重影響整個測試系統精度，也影響最終結果的科學性和可信度。

2）現階段特種設備檢驗檢測機構作為工業鍋爐能效測試的主體，在節能技術領域經驗尚淺，分散式的能效測試裝備難以支撐測試機構對鍋爐整體燃燒效率的有效、準確地評價。

3）工業鍋爐設備點多而面廣的分布特點也使得整個測試周期很長。測試人員的工作強度極大，同時測試現場的惡劣環境對測試人員造成較大的安全問題。

針對以上問題，研發了一種基于物聯網無線傳輸技術的高度集成化測試系統，在完全滿足國家技術規范和標準的基礎上，為工業鍋爐能效測試提供系統化、高精度、高效率的整套技術解決方案。

2 物聯網技術框架

2.1 物聯網概述

物聯網(The Internet of Things, IOT)[1,2,3]最早在1999年被提出來，其宗旨是實現所有物與物之間的互聯互通，同時能夠實現物與物、物與人之間的智能交互。利用各種現代通信網絡技術，包括無線傳感技術、紅外檢測技術、GPS（全球定位系統）等，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類網絡接入方式，實現物與物、物與人的泛在鏈接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。

2.2 無線傳感器網絡

在鍋爐能效測試集成系統中，主要采用無線傳感器網絡技術作為本系統的物聯網關鍵技術。無線傳感器網絡[4](Wireless Sensor Network)是一種特殊的Ad Hoe網絡，它與傳統的無線Ad Hoe網絡(WANET)相比呈現出以下明顯特點：

1）網絡節點數量多、密度高；

2）網絡拓撲變化頻度高；

3）節點采用廣播方式；

4）單個節點出現問題不會對整個網絡產生影響；

5）網絡具備一定的容錯能力。

無線傳感網絡是由部署的大量傳感器通過無線傳感信號相連，形成的一個分布式網絡。傳感器可以進行各種外界信號、物理條件以及環境信息的采集，采集到的數據通過無線傳感網絡進行傳輸，最后上層應用系統對收到的數據進行處理然后向用戶提供各種服務功能。

2.3 物聯網體系結構設計

本系統的物聯網體系采用自主設計的以Zigbee技術為通訊方式的異構系統。在物聯網體系結構中，傳輸協議不是傳統的TCP/IP協議，而是采用STP/SP協議棧，同時增加智能層用來協商物聯網結點間的協議選擇，從而組成物聯網體系協議棧體系。圖1所示為物聯網體系協議棧結構圖。

STP(Smart Transport Protocol)指智能傳送協議，而SP(Smart Protocol)指智能協議。

圖1 物聯網體系協議棧結構圖

3 鍋爐能效測試集成系統的技術方案

3.1 能效測試集成系統儀器物聯網絡方案

● 3.1.1 短距離無線通訊方法對比

傳統的有線通信方式因為其成本高、布線復雜，不能滿足鍋爐能效測試的需求，因此本系統采用無線通訊方式。無線網絡技術按照傳輸范圍來劃分，可分為無線廣域網、無線城域網、無線局域網和無線個人域網。無線個人域網即短距離無線網絡，典型的短距離無線傳輸技術有：藍牙（Bluetooth)、ZigBee、WiFi等。

在工業控制、家庭自動化和遙測遙感領域，藍牙（Bluetooth）雖然成本較低，成熟度高，但是傳輸距離有限，僅為10m，可以參與組網的節點少。Wi-Fi雖然傳輸速度較快，傳輸距離達到100m，但是其價格偏高，功耗較大，組網能力較差。

相比之下ZigBee技術則主要針對低成本、低功耗和低速率的無線通信市場。具有如下特點：

成本低：ZigBee模塊的初始成本低，并且ZigBee協議是免專利費的，采用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868 MHz(歐洲)，免執照頻段。

低功耗：由于ZigBee的傳輸速率較低，傳輸數據量較小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee設備功耗很低，僅靠兩節5號電池就可以維持長時間使用。

低速率：ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps (915MHz)和20kbps(868MHz) 的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

時延短：ZigBee的響應速度較快，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，一般從休眠轉入工作狀態只需要15ms，典型的搜索設備時延為30ms，活動設備信道接入的時延為15ms。

網絡容量大：ZigBee 可采用星型、樹型和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網。

可靠度高：為了避免發送數據的競爭和沖突，采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙。MAC層采用完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

安全：ZigBee 提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128) 的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

傳輸距離遠：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF 發射功率后,亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節點間的距離，如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

由于ZigBee技術具有上述特點，因而非常適合用來搭建工業鍋爐能效測試的網絡。

● 3.1.2 現場測試數據傳輸系統

現場測試組網情況大概如圖，通過ZigBee串口適配器進行組網。設備A、B、C、D是測試儀器，通訊接口是串口根據ZigBee串口適配器特性和實際需求，設計出如下網絡拓撲圖，如圖2所示。

圖2 ZigBee網絡拓撲

整個網絡中由一個中心節點、若干個測試節點和若干個中繼節點組成。

中心節點：放置在數據處理中心處使用，是數據處理中心計算機用來讀取各測試節點測量結果的入口。該節點工作在點對點模式下，通過各個測試節點的MAC地址對各測試節點進行數據操作。

測試節點：放置在燃燒效率分析儀處使用，燃燒效率分析可以通過它接受計算機發送出的指令和返回測試結果。工作在路由節點，主從模式下，測試節點只能接受中心節點發送數據和把結果返回到中心節點。

中繼節點：根據網絡實際情況放置，是當中心節點和測試節點比較遠，或是現場環境比較復雜，中心節點和測試節點無法直接連入網絡，需要在他們中間加入一個中繼節點，用來擴大通訊范圍。該節點在整個網絡是根據需要加入的，不是必須的，而且對于整個網絡來說是透明的。中繼節點和測試節點可實現相互替換。

3.2 鍋爐能效測試軟件平臺解決方案

能效測試系統軟件主要依據GB/T 10180-2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》和TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試和評價規則》的要求，建立了定型測試、簡單測試、詳細測試三大模塊。通過對現場數據的實時記錄、車載燃料分析設備對燃料的化驗分析，完成數據分析和整合，得到能效評價結果，如圖3所示。能效測試系統軟件根據其實現的功能可分為測試項目管理、測試數據管理以及能效評價管理三大模塊。

圖3 總體功能圖

● 3.2.1 測試項目管理

測試項目模塊可按照測試所需求的測試項目和評價方法，指導用戶建立測試項目，根據標準的流程設置現場測試設備，完成數據采集工作。

用戶登錄后可根據測試要求，在登錄界面上，如圖4所示，選取合適的測試模塊。

圖4 測試模塊選擇界面

選擇完成后軟件會自動引導用戶輸入項目信息，建立完整的項目記錄，如圖5所示。

圖5 項目信息錄入

● 3.2.2 測試數據管理

測試數據管理模塊主要實現對現場數據記錄的處理和設置，主要包括測試儀器管理和測試參數設置、數據通訊設置、實時數據查詢、歷史數據查詢等功能，如圖6所示。

用戶可通過儀器管理和參數設置功能對現有的測試儀器進行登記管理，用戶可根據現場測試要求靈活選擇測試參數或項目，然后使用登記的儀器信息選取符合要求的測試儀器，并關聯到數據通訊記錄，實現軟件對儀器的自動識別和數據記錄。

圖6 測試儀表列表

數據采集通訊配置將根據用戶的設置，列出測試項目和對應的測試儀器，用戶可手動設置或修改儀器的通訊地址，建立起測試儀器網絡，實現測試數據的無線傳輸和記錄。

數據采集通訊配置完成后，用戶可啟動測試程序，系統開始數據采集和記錄，測試程序具有數據采集和記錄的頻次和偏差控制的功能，并運行測試人員根據現場情況進行控制修改。用戶可按照測試流程選擇正平衡測試、反平衡測試或工況評價測試的參數或項目，實時觀察采集數據，如圖7界面所示，掌握鍋爐實時工況和效率狀況，以保證測試的有效性和安全性。

圖7 測試信息的實時數據界面

測試完成后，用戶手動終止測試程序，系統停止數據采集和記錄。用戶可使用歷史數據查詢功能，對測試數據進行查詢或分析。歷史數據可采用列表或曲線圖供用戶選擇，以方便進行數據分析和處理。

● 3.2.3 報告生成

測試完成后，系統會對偏移較大的數據進行剔除處理，并對有效數據取平均值或使用統計分析后取值。按照GB/T 10180－2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》和TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試和評價規則》的要求，分別對定型測試、詳細測試和簡單測試三種類型自動生成評價報告，數據輸入界面如圖8所示。

圖8 數據計算及評價報告數據輸入界面

3.3 感知層的設計

感知層是本鍋爐能效測試集成系統的最底層，是整個系統服務應用的末端，主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、煙氣分析儀、濕度傳感器等設備系統通過這些設備探測環境信息、鍋爐運行狀態以及系統能耗信息數據，然后通過系統的分析決策模塊來提供對應的控制決策。表1所示是本系統所采用的主要感知層設備儀器。

表1 感知層主要設備儀器

4 現場試驗比對

為了驗證集成系統的工程適用性，在湖北省內找了三個鍋爐使用現場作為工程示范測試點，以傳統的手工測試方式（10min記錄一次數據）和采用集成系統測試的方式（20s記錄一次數據）同時進行測試，將測試結果進行了比對，結果表明：在符合測試要求的條件下，集成系統的測試結果十分穩定，與傳統的手工測試方式沒有明顯的偏差，見表2。這是由于集成系統感知層的測試儀器與傳統方法無異，所以測試數據是可信的、符合標準的；而集成系統采用了物聯網技術，其組網模塊經過工信部門的法定檢驗（Zigbee通訊模塊需經過法定檢驗才可生產），相比人工測試方式，集成系統的測試效率得到極大的提高，數據采集、處理的過程極為穩定，最大程度上避免了外部誤差的產生。

表2 采用傳統測試方式與采用集成系統測試方式的比對

5 結論

基于物聯網的鍋爐能效測試集成系統采用了物聯網技術實現了高度集成的數字化能效測試方案，替代了人工，實現了數據自動采集、連續記錄、傳輸和處理；測試節點安裝拆卸方便；整體系統車載移動，機動性強，大大減少了測試人員現場測試的勞動強度。其主要特點和優勢如下：

1）實現了現場快速能效測試，滿足TSG G0003－2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》中鍋爐運行熱效率簡單測試的要求。

2）采用Zigbee物聯網技術，將能效測試儀器形成集成系統，實現無線傳輸、實時記錄測試數據等功能。

3）本測試集成系統實現了現場測試設備的高度集成化，可對整個集成系統測試結果精度的可控。

4）自主研發的專用軟件系統，實時完成數據的收集和處理，指導鍋爐經濟運行。

5）本系統代替傳統的人工方式，測試人員的工作強度得到極大減輕，且與惡劣測試現場有效隔離，在保證數據準確性的同時保護了測試人員的安全。

1 UIT.ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things.20052 International Telecommunication Union，Internet Reports 2005:The Internet of Things.Geneva:ITU,2005

3 周洪波.物聯網:技術、應用、標準和商業模式.北京:電子工業出版社,2010

4 Panta, Rajesh Krishna;Hall, Robert J;Auzins,Josh; Fernandez,Maria.Geocast for wireless sensornetworks.Network Protocols(ICNP),201119th IEEE International Conference on.Vancouver, AB, Canada. 2011