鍋爐遠程監測交互型采集終端技術研究

趙 輝，馬 舜

（杭州市特種設備檢測研究院，杭州 310051）

目前，我國定型的工業鍋爐產品很少配置較為齊全的現場監測儀表，尤其是一些涉及能效的關鍵參數如排煙含氧量、排煙溫度等，大量燃煤鍋爐甚至連蒸汽溫度等常規參數都無法顯示。現場儀表的缺乏導致司爐工無法真正掌握鍋爐的運行情況，不能及時調節鍋爐燃燒，從而使得熱效率長期低于設計值[1-3]。

基于物聯網技術的鍋爐遠程監測系統是解決上述問題的一項重要技術方案。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、分析計算，一方面進行編碼并傳送至遠程管理平臺，進一步針對安全及能效指標統計分析，并以互聯網為載體向政府機構、使用單位、制造單位等實時動態發布被監測鍋爐的運行情況。另一方面通過交互式人機界面向現場司爐工顯示鍋爐實時狀態參數，并提供鍋爐安全與節能操作的有效建議，指導司爐工針對性的找出問題所在，優化鍋爐運行，使鍋爐長期保持最優狀態[4-9]。

1 采集終端及其功能要求

數據采集終端是鍋爐遠程監測系統信號采集與傳輸的轉換樞紐，具有采集、遠傳和現場設置等功能。傳統的通用數據采集終端無顯示設備，不具備交互功能，主要面向政府監管機構和企業管理人員。而鍋爐真正操作者是一線司爐工，司爐工看不到鍋爐實時運行數據，不能有效掌握鍋爐實際運行狀況。基于此所研發的集現場采集、遠程傳輸、動漫教學及知識查詢等功能為一體的鍋爐交互型數據采集終端，通過人機對話，可以使司爐工現場掌握鍋爐實際運行狀況，及時發現異常，并根據該終端所提供的有效建議，有針對性地查找出問題所在，優化運行，從而使鍋爐運行始終處于最優狀態。

交互型數據采集終端，不僅具有傳統采集終端具有的現場采集與遠程傳輸功能，即能夠將實時運行數據傳輸到遠程監測中心，使管理人員在監測中心能夠有效監測鍋爐運行，而且具有人機互動功能，即能夠現場顯示監測動畫、實時曲線、報警提醒、操作知識和教學視頻等。具體的人機互動功能包括：

現場報警提醒及查詢系統報警，觸控屏上將顯示與監測中心相同的報警信息，同時具有現場彈出式報警框和實時報警列表2種顯示方式。

指導處置司爐工可根據界面報警提醒框，點擊可觸控屏幕報警信息，查詢鍋爐安全與節能報警及處置流程，指導其根據界面提醒信息進行合理操作，優化運行。

知識查詢該終端在系統軟件里集成了鍋爐安全與節能運行知識題庫軟件，該題庫具有良好地指導司爐工合理操作和現場處置功能。

動漫教學該終端集成了自行開發的《鍋爐操作理論培訓教學片》[10]。

2 采集終端研制

2.1 傳統交互型采集終端

傳統交互型采集終端由觸控屏、工控機、供電組塊、PLC組塊、通訊裝置、端子排和功率表等組成。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 傳統交互型采集終端結構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，單點觸摸為3500萬次。

（2）工控機為1 G DDR2內存/160 G硬盤，能抗沖擊、震蕩，并且能在高溫下穩定工作，操作系統為WIN XP/WIN 2000/WIN 7。

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

（4）PLC組塊用于對各類信號進行匯總、編碼及運算，包括有溫度模塊、模擬量模塊、PLC主機、開關量模塊和通訊模塊。其中，溫度模塊預留2組共8路通道；模擬量模塊預留6路通道；開關量模塊預留16路通道；PLC主機型號為DVP-28SV11R，內置RS-232/485通信接口，Modbus通信協議，負責對采集來的信號進行匯總、編碼及運算；通訊模塊內置1個RS-232通信接口，1個標準以太網通信接口，Modbus通訊協議，用于與外置的通訊裝置對接。

（5）通訊裝置用于信號傳輸，包括 DTU，路由器，VPN和Modem。其中，DTU通過RS485通信接口，并由RS-232轉RS-485通信接口連接線與PLC通信擴展模塊的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由網線與PLC通信擴展模塊的以太網通信接口連接，采用Modbus-TCP通信方式，用于鍋爐房有ADSL寬帶的有線傳輸。

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

圖3 便攜交互型采集終端結構Fig.3 Structure of portable interactive acquisition terminal

傳統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：由總開關通電，通過熔斷器后接入到交直流轉換電源，交直流轉換電源將交流電源轉換為12～24 V直流電源，為控制柜內各元器件供電，同時功率表計量鍋爐實時耗電量；各元器件通電后，開始信號采集、數據傳輸和人機互動。

數據信號的流向：由現場傳感器所采集的溫度、壓力、流量及含氧量信號，通過線纜連接到現場控制柜的端子排，再通過現場控制柜里的PLC組塊進行數模信號轉換，將數據通過外置的通訊裝置傳輸到互聯網，實現數據遠程傳輸，并將數據通過網絡遠程傳輸到監測用計算機上。同時，從PLC輸出的信號傳輸到控制柜內的工控機，工控機將現場鍋爐運行在線監測數據，通過相關軟件處理把最終在線信息顯示到觸控屏上，實現現場監測，并通過觸控屏實現人機互動。傳統交互型采集終端的實物外形及運行界面如圖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、LCD觸控顯示屏、數據存儲模塊、電源模塊、UPS電源組成。該終端結構如圖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內核的STM32F103VBT6芯片。

（2）模擬信號采集模塊采用ARM微處理器片內集成的12位ADC，實現16路模擬量的高精度采樣，作用是對4～20 mA的輸入信號進行濾波、隔離并放大，避免采集信號傳輸的故障、失真及干擾。

（3）開關信號采集模塊采用光耦隔離芯片TLP181，隔離后的信號直接接入ARM微處理器的通用I/O口，實現16通道的開關信號采樣，作用是對提取的開關信號進行安全隔離。

（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行參數。

（5）多功能電量表用于測量鍋爐運行消耗的總電量，可通過RS485接口向外發送實時電壓、電流、功率、功率因素等電參數信號。

（6）巡檢按鍵接入開關信號采集模塊的輸入端，用于現場司爐工的監管。

（7）GPRS通信模塊采用具有工業標準接口及SMT封裝形式的SIM900A無線模塊來實現，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，作用是實時顯示并與司爐工進行現場人機交互。

（9）數據存儲模塊采用大容量SD卡，便于指導材料的更新，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系統等提供電能。

（11）UPS電源用于產生24 V的穩定電壓，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：

用于測量溫度、壓力、流量及含氧量信號的傳感器安裝在被監測鍋爐上，傳感器通過信號線將4～20 mA的輸出信號接入具有16個采樣通道的模擬信號采集模塊，模擬信號采集模塊將傳感器信號隔離放大后，接入ARM微處理器的ADC接口。

開關信號由鍋爐控制柜內的繼電器若干接點，經開關信號采集模塊接入ARM微處理器的I/O口。用于現場監管司爐工的巡檢按鍵，經開關信號采集模塊接入ARM微處理器的I/O口。用于測量鍋爐耗電量的多功能電量表，通過RS485接口經串口通信接口電路，接入ARM微處理器的USART接口。用于向鍋爐遠程監測管理平臺無線發送監測參數的GPRS通信模塊，通過USART接口與ARM微處理器連接。用于實時顯示鍋爐安全與能效狀態參數，并與司爐工進行現場人機交互的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、用于存儲鍋爐監測參數和鍋爐操作運行指導材料的數據存儲模塊，通過SPI接口與ARM微處理器連接。用于產生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。產生24 V穩定電能的UPS電源，通過繼電器連接傳感器的電源線。該終端的運行界面如圖4所示。

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

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

3 兩種交互型采集終端的技術性能比較

傳統交互型采集終端主要采用外接傳感器結合PLC和工控機并集成于控制柜內的方案，雖然模塊化設計開發周期短，市場兼容性強，維修方便，但是成本高，裝置笨重，PLC控制部分閑置，市場推廣難度大。

便攜交互型采集終端采用以ARM Cortex-M3內核的微處理器為核心，構成集成電路板的方案，其接口豐富，具有結構緊湊，防護等級高，重量輕，安裝方便等優點，既方便攜帶也能壁掛，易于市場化推廣。表1為2種數據采集終端技術性能的比較。

4 結語

根據不同功能需求，研發集現場采集、遠程傳輸、動漫教學及知識查詢等功能為一體的鍋爐傳統交互型、便攜交互型2種采集終端。采集終端不僅能向遠程監測平臺發送被測鍋爐的運行參數，還能與現場操作的司爐工進行互動，觸摸屏能向司爐工顯示所測參數、故障排除與節能操作指南，通過人機交互第一時間指導司爐工有效地掌握鍋爐的運行狀態，及時排除運行故障，經濟安全地操作鍋爐運行。目前采集終端已在杭州地區30臺工業鍋爐上安裝并可靠運行。它的研發可為鍋爐安全與節能遠程監測、鍋爐故障和事故調查提供可靠的技術支撐。

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