基于嵌入式技術的工業鍋爐遠程監測智能物聯網終端

（杭州市特種設備檢測研究院，杭州 310003）

鍋爐是利用燃料或工業生產中余熱的熱能將工質加熱到一定溫度和壓力的機械換熱設備。當前我國的工業鍋爐存在自動化程度低、耗能高、效率低、污染嚴重、易發生事故等不足[1]。從現有的監管手段來看，由于工業鍋爐容量小、數量大、布點分散，難以集中監管[2]，區域范圍內的所有工業鍋爐的基本信息及安全節能動態監管數據難以獲取，這給更全面地安全監察和能耗監測帶來一定難度。

基于物聯網技術的鍋爐狀態遠程監測系統是解決上述問題的一項重要技術方案[3-5]。通過安裝傳感器，或者利用鍋爐現有傳感器，將工業鍋爐的實時狀態參數采集、編碼、并傳送至遠程管理平臺，進一步分析計算并評價被測鍋爐的安全及能效指標，并以互聯網為載體實時動態發布被監測鍋爐的運行情況。

在鍋爐狀態遠程監測系統中，處于工業現場的前端數據采集與傳輸裝置要適應各類型、各品牌、各種環境下的工業鍋爐，現有的研究多數是采用PLC或者集成化的數據采集模塊配合GPRS DUT裝置及商業組態軟件來實現數據的采集和通訊[6-7]。此類方案具有系統集成快、開發周期短等優點，但同時也存在生產成本高、兼容擴展性差、網絡傳輸易受限制、現場交互性差等眾多不足，因此該類方案的市場推廣難度較大。

針對現有技術的不足，本文采用嵌入式控制、無線通信等先進技術，研制一種適用于各類爐型、各類品牌的通用型工業鍋爐運行狀態遠程監測智能物聯網終端，實時采集鍋爐的運行參數，以高性價比的方式監測地區范圍內每臺鍋爐的運行和能效狀態，并及時評價鍋爐的狀態和效率，為實現工業鍋爐的集中管理和優化運行提供堅實的技術支撐。

1 工業鍋爐遠程監測系統架構及原理

工業鍋爐運行狀態遠程監測系統是一種監測設備會日益遞增、平臺應用需求復雜、數據傳輸要求穩定可靠的互聯網信息化系統，應采用前置數據服務+B/S網絡服務的互聯網系統基本構架，遠程監測系統的總體架構如圖1所示。系統由信號采集層、數據傳輸層、中心管理層、用戶應用層組成。

圖1 工業鍋爐遠程監測系統架構Fig.1 Architecture of industrial boiler remote monitoring system

監測對象為所有類型的工業鍋爐。信號采集層由感知元件和遠程監測終端構成，其中感知元件包括溫度、壓力、流量、氧含量等各類傳感器以及接觸器、繼電器等電氣元件，用來采集鍋爐運行的各類物理信號，根據監測對象的實際情況，可采用外加傳感器或者鍋爐自身傳感器。鍋爐運行狀態遠程監測終端是整套遠程監測系統的核心。該終端應用于工業鍋爐現場，通過對傳感器的實時采樣實現工業鍋爐多種物理參數和狀態的監測，并能根據直接監測參數自動計算工業鍋爐效率、能耗等間接監測參數，對鍋爐的運行狀態進行實時分析，在監測到鍋爐異常情況時發出報警信息。該終端裝置一方面通過現場人機交互接口將鍋爐的實時狀態傳遞給現場司爐人員，另一方面通過數據傳輸網絡將鍋爐監測參數和信息傳輸到遠程管理平臺。

系統的數據傳輸層為GPRS/3G網絡和Internet網絡。中心管理層為工業鍋爐安全與節能遠程監測管理平臺，平臺通過對所有監測數據的管理、分析與發布實現對區域范圍內所有工業鍋爐的集中監管。平臺的硬件包括數據采集服務器、數據庫服務器、Web服務器、能效分析計算服務器、短信信息機、交換機、防火墻等，平臺的軟件系統采用B/S架構，包括綜合平臺、政府平臺、企業平臺、公眾平臺四大板塊，具有在線監測、故障診斷和報警、歷史數據查詢、多級權限管理、信息管理、能耗數據統計發布上報、支持移動終端七大功能。

用戶應用層包括政府機構、檢驗機構、使用單位、制造單位、維保單位等瀏覽器端用戶以及智能手機、平板電腦等移動端用戶，通過GPRS/3G網絡和Internet網絡訪問遠程監測管理平臺，獲取被監測鍋爐的實時狀態數據。

2 監測終端性能要求

根據工業鍋爐遠程監測系統構架，所研制的監測終端需要集成各類混合輸入信號數據采集、GPRS/3G無線透明傳輸、大屏幕現場觸控交互、工業現場鍋爐能效計算等功能，提出的技術要求如表1所示。根據性能要求，研制的監測終端應由硬件電路系統、控制軟件系統、機械結構系統三部分組成。

表1 工業鍋爐遠程監測終端技術要求Tab.1 Technical requirements of remote monitoring terminal for industrial boilers

3 監測終端硬件系統設計

鍋爐狀態遠程監測終端裝置的硬件系統關系到該裝置的監測性能、可靠性、安全性和擴展性。根據功能和性能要求，確定的硬件系統總體結構如圖2所示。

圖2 監測終端硬件系統結構Fig.2 Structure of the hardware system of the monitoring terminal

硬件系統采用上下位機結構，主要由外接傳感器、CPU模塊、模擬信號采集模塊、開關信號采集模塊、串行通信接口電路、GPRS通信模塊、電源模塊、顯示模塊等構成。

外接傳感器主要包括溫度、壓力、流量、氧量等傳感器，需要安裝在被監測鍋爐上，根據工業鍋爐上各測溫點的溫度范圍，選擇穩定性好、精度高、驅動簡單的PT100熱電阻[8]作為測溫傳感器，而對于壓力、流量、氧量等傳感器則選用帶4～20 mA變送信號輸出的傳感器。

CPU模塊負責數據采集控制、運算和通信處理，選用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103芯片。STM32系列芯片專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，工作溫度范圍為-40℃～85℃，并集成了大量片內外圍設備[9]，其性能和使用條件都滿足工業鍋爐狀態監測的應用要求。

模擬信號采集模塊包含溫度測量電路和4～20 mA信號采樣電路，選用帶數字量輸出的MAX31865芯片配合四線制的PT100實現各溫度監測點的高精度測量，測量精度達0.5℃。對電流模擬信號的采樣采用I/V變換方式，通過1個140 Ω的精密電阻將電流信號轉換為0.56 V～2.8 V的電壓信號，再通過LM358芯片進行阻抗變換和濾波后輸出給CPU的ADC端口，采樣分辨率為0.6835 mV，滿足采樣精度。此外，對于鍋爐系統自身傳感器信號的采集采用串聯差分輸入結構，有效避免信號中繼，防止對鍋爐系統構成干擾。

開關信號采集模塊的作用是對提取的開關信號進行安全隔離。所需采集的開關量主要是鍋爐自身的一些開關信息、報警信息，根據爐型不同會略有區別，采集方式主要為從鍋爐控制柜內的繼電器、接觸器、指示燈提取信號，采用光電隔離器TLP521-4實現干接點開關信號的采集，采用繼電器配合光電隔離器PC817實現帶電接點開關信號采集。

串行通信接口電路采用ADM2483芯片，配合由瞬態抑制管、共模電感、放電管、自恢復保險絲等組成的保護電路實現2路RS485通信通道，具有抗干擾能力強、電磁兼容性高的特點。

GPRS通信模塊采用具有工業標準接口及SMT封裝形式的SIM900A無線模塊[10]來實現，采用SIM900A集成的AT指令實現與ARM微處理器的交互。

電源模塊采用一個集成化的AC轉DC模塊配合 LM2576、LM1117-3.3等穩壓芯片實現 24 V、12 V、5 V、4.2 V、3.3 V等直流電壓，向硬件系統各模塊提供電能。

顯示模塊采用集成化的基于ARM內核的7寸串口TFT液晶觸摸顯示屏，該顯示單元作為硬件系統的上位機，以RS232方式與CPU模塊通訊。

4 監測終端軟件系統設計

監測終端的軟件系統采用μC/OS-II軟件作為任務處理、進程控制的基礎，μC/OS-II具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，易移植到多種微處理器上，設計的軟件系統總體結構如圖3所示。采用模塊化結構，將軟件系統總體分解為若干任務，運行在μC/OS-II操作系統之上，協同工作完成全部任務。其中，系統管理任務負責存儲管理、定時控制和任務切換等基礎操作。模擬量輸入任務主要完成溫度、壓力、含氧量等模擬信號的測量處理。開關量輸入任務主要監視各個回路開關量的動作狀態并進行相應的預定操作。串行通信任務主要完成與外部設備等的數據通信處理、報文構造、發送、接收、分析等處理。GPRS通信任務主要完成遠程數據通信，實現數據和控制命令的發送、接收。顯示管理和人機接口任務主要完成觸摸屏的監測和處理、本地指示燈和按鈕操作的監測及響應。在線能效計算任務集成了各爐型的能效計算數學模型，參照TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》中相關的測試規則編制數學模型，根據部分直接監測參數，計算出熱效率、過量空氣系數、排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失、散熱損失、灰渣物理熱損失等能效參數，并根據鍋爐運行指標評價模型判斷出鍋爐各項報警信息。

圖3 監測終端軟件系統結構Fig.3 Structure of the software system of the monitoring terminal

開發的上位機人機界面如圖4所示，主要包括主界面、模擬量監測、開關量監測、能效監測、告警信息、備用通道、操作說明等界面。

圖4 上位機人機界面Fig.4 Human-computer interface of the upper monitor

5 機械結構設計

監測終端的機械結構采用全鋁金屬結構，由殼體和封蓋組成。電路主板固定在殼體底部，顯示單元、按鍵、指示燈等固定在封蓋上，為實現較好的工藝外觀，在封蓋上整體貼膜，使裝置整體美觀大方。監測終端的裝配結構和實物外觀如圖5所示，該結構具有緊湊、防護等級高、重量輕、安裝方便等優點。

圖5 監測終端機械結構及實物Fig.5 Mechanical structure and physical device of the monitoring terminal

6 試點應用

本文研制的監測終端在杭州某醫院的鍋爐房開展試點應用，監測對象為1臺4 t燃氣鍋爐，型號為WHS4-1.0-YQ。針對該鍋爐，采用外加傳感器監測方式，在主蒸汽管道上布置蒸汽溫度、蒸汽壓力監測點，在排煙管道上布置排煙溫度、排煙氧含量監測點，在給水管道上布置冷水溫度、熱水溫度、水質硬度監測點，在鍋爐房布置環境溫度監測點，在鍋爐控制柜內布置相關開關量監測點，提取運行、點火、高低水位報警、超壓報警、綜合報警、熄火故障等開關信號，監測終端樣機安裝在鍋爐房墻面上，經過調試試運行，該終端樣機成功與杭州市工業鍋爐節能減排遠程監測與服務平臺實現數據對接。截至2016年4月，試點終端樣機已連續穩定運行達18個月，運行效果良好。

7 結語

采用嵌入式技術、無線通信技術研制了工業鍋爐遠程監測智能物聯網終端，該終端采用STM32F103 ARM微處理器及SIM900A無線模塊為硬件核心，采用μC/OS-II嵌入式操作系統為控制軟件內核，集成7寸液晶觸控屏，以高性價比方式實現混合信號數據采集、GPRS無線透明傳輸、現場人機觸控交互、串行通信、在線能效計算、遠程配置管理等功能，試點應用效果表明所研制終端能有效實現工業鍋爐節能與安全狀態的實時監測與診斷，具有結構緊湊、集成度高、穩定可靠、通用性好、成本低等特點，市場推廣前景良好。

[1]趙欽新，王善武.我國工業鍋爐未來發展分析[J].工業鍋爐，2007（1）：1-9.

[2]趙欽新，周屈蘭.工業鍋爐節能減排現狀、存在問題及對策[J].工業鍋爐，2010（1）：1-6.

[3]仝營，顧新建，紀楊建，等.基于物聯網和云計算的工業鍋爐在線監測[J].計算機集成制造系統，2016，22（1）：213-219.

[4]李飛翔，楊笑峰，王泓，等.基于物聯網的鍋爐能效測試集成系統的研發[J].工業鍋爐，2013（4）：34-38.

[5]任強，趙輝.物聯網技術在鍋爐運行管理中的應用實踐[J].工業鍋爐，2014（1）：50-54.

[6]鄧式陽，李耀明.工業鍋爐安全遠程多點監控系統[J].計算機工程，2010，36（17）：255-257.

[7]霍鳳財，任偉建，康朝海，等.基于組態王和PLC的工業鍋爐監控系統設計[J].化工自動化及儀表，2013，40（9）：1103-1105.

[8]松井邦彥.傳感器應用技巧141例[M].北京：科學出版社，2007.

[9]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[10]霍濤，賈振堂.基于STM32和SIM900A的無線通信模塊設計與實現[J].電子設計工程，2014，22（17）：106-110.