鍋爐遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

趙 輝

(杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江 杭州 310051)

0 引言

鍋爐遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)安裝(或利用已有)傳感器和采集終端，將鍋爐實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、編碼，并遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)；經(jīng)數(shù)據(jù)處理、模型運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。鍋爐一旦有異常或者報(bào)警，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。該技術(shù)能解決鍋爐運(yùn)行中異常難發(fā)現(xiàn)、難診斷及難改進(jìn)的問題；能形成人機(jī)互補(bǔ)，在減少鍋爐安全事故的同時(shí)，提高鍋爐燃燒效率，促進(jìn)節(jié)能減排[1-4]。

數(shù)據(jù)采集終端安裝于鍋爐房現(xiàn)場(chǎng)，是鍋爐遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)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。目前，采集終端的相關(guān)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究已經(jīng)展開[5-11]。我國(guó)在用工業(yè)鍋爐爐型眾多、品牌繁雜，這給數(shù)據(jù)采集終端的安裝施工帶來了很大困難。因此，設(shè)計(jì)適用于各類爐型、各類品牌鍋爐的數(shù)據(jù)采集終端勢(shì)在必行。

1 采集終端功能要求

根據(jù)鍋爐遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置要求，數(shù)據(jù)采集終端要集成以下功能。

①鍋爐多物理參數(shù)采集、匯總、編碼并傳輸?shù)墓δ堋?/p>

②根據(jù)測(cè)量參數(shù)自動(dòng)計(jì)算鍋爐效率的功能。

③在設(shè)備異常情況下發(fā)出報(bào)警信息的功能。

④與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的功能。

⑤可通過系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)對(duì)終端進(jìn)行配置的功能。

采集終端功能要求如表1所示。

表1 采集終端功能要求

2 采集終端設(shè)計(jì)

2.1 可編程邏輯控制器型采集終端

可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)型采集終端采用外接傳感器結(jié)合PLC采集并集成于控制柜內(nèi)的方案，由采集模塊、供電模塊、PLC、視頻模塊和通信模塊五部分組成。PLC型采集終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采集組塊用于采集開關(guān)、模擬和溫度信號(hào)，由各種型號(hào)的傳感器、電控柜采集器、計(jì)量裝置和端子排組成。電控柜采集器用于從鍋爐主控制柜內(nèi)的繼電器、接觸器及指示燈提取報(bào)警、運(yùn)行等信號(hào)；電量表用于獲取鍋爐及附屬設(shè)備耗電量信號(hào)；水質(zhì)報(bào)警儀用于在線監(jiān)測(cè)鍋爐給水硬度并發(fā)出超標(biāo)報(bào)警信號(hào)。以上信號(hào)均為開關(guān)信號(hào)。壓力傳感器用于采集鍋爐蒸氣壓力信號(hào)，信號(hào)為0～5 V電壓模擬信號(hào)。給水流量計(jì)用于采集鍋爐給水量信號(hào)；燃料計(jì)量計(jì)用于獲取燃料量信號(hào)，分為燃煤計(jì)量裝置和燃油氣計(jì)量計(jì)；氧量傳感器用于采集鍋爐尾部煙道排煙氧含量信號(hào)，由氧化鋯探頭和PCB板兩部分組成；溫度傳感器為K型熱電偶或Pt100熱電阻，用于采集鍋爐各部位溫度信號(hào)。以上信號(hào)均為4～20 mA電流模擬信號(hào)。端子排用來給信號(hào)線路和電源線路按要求排序，便于接線。

供電組塊用于轉(zhuǎn)換電源及對(duì)終端各元器件供電。包括斷路器、熔斷器、24 V轉(zhuǎn)換電源和12 V轉(zhuǎn)換電源。斷路器用作終端總開關(guān)；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，并向終端各元器件供電。

PLC組塊用于對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行匯總、編碼及運(yùn)算。包括溫度測(cè)量模塊、模擬量輸入模塊、PLC主機(jī)、開關(guān)量輸入模塊和通信擴(kuò)展模塊。溫度測(cè)量模塊預(yù)留2組共8路信號(hào)采集通道，用于接入溫度傳感器采集到的模擬信號(hào)；模擬量輸入模塊預(yù)留6路信號(hào)采集通道，用于接入給水流量計(jì)、燃料計(jì)量?jī)x、氧量傳感器采集的電流模擬信號(hào)和壓力傳感器采集的電壓模擬信號(hào)；開關(guān)量輸入模塊內(nèi)置于PLC主機(jī)，用于接入鍋爐主控柜、電量表和水質(zhì)報(bào)警儀采集的開關(guān)信號(hào)；PLC主機(jī)型號(hào)為DVP-28SV11R，內(nèi)置RS-232/485通信接口和Modbus通信協(xié)議，負(fù)責(zé)對(duì)采集的開關(guān)量號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行匯總、編碼及運(yùn)算；通信擴(kuò)展模塊內(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通信協(xié)議，用于與外置的通信組塊通信。

圖1 PLC型采集終端結(jié)構(gòu)圖

視頻組塊用于采集鍋爐房視頻信號(hào)，由網(wǎng)絡(luò)攝像頭、通信線路和供電組成。網(wǎng)絡(luò)攝像頭用來采集鍋爐房視頻信號(hào)，內(nèi)置3G卡槽和以太網(wǎng)通信接口，可將視頻信號(hào)通過有線或無線方式傳輸?shù)较到y(tǒng)管理平臺(tái)。

通信組塊用于信號(hào)傳輸，包括數(shù)據(jù)傳輸單元(data transfer unit,DTU)、路由器、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(virtual private networ,VPN)和調(diào)制解調(diào)器。DTU通過RS-485通信接口，并由RS-232轉(zhuǎn)RS-485通信接口連接線與可編輯邏輯控制器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和調(diào)制解調(diào)器由網(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ADSL寬帶的有線傳輸。

2.2 嵌入型采集終端

嵌入型采集終端采用微控制器構(gòu)成印制電路板(printed circuit board,PCB)方案，由微控制器、傳感器模塊、模擬信號(hào)采集模塊、開關(guān)信號(hào)采集模塊、不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power system,UPS)模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、基本系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、顯示報(bào)警模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置組成。嵌入型采集終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微控制器采用高性能、低功耗、具有先進(jìn)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(reduced instruction set compter,RISC)構(gòu)架的8位AVR嵌入式單片機(jī)ATmega128L-16AU。其內(nèi)部具備128 KB Flash、4 KB EEPROM、4 KB SRAM、8路10位ADC、53個(gè)可編程I/O口、2個(gè)可編程串行USART、1路串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)、最高工作頻率可達(dá)16 MHz。

圖2 嵌入型采集終端結(jié)構(gòu)圖

傳感器模塊包括安裝在鍋爐各管道上的溫度、壓力、流量及氧量等各型傳感器。上述傳感器將鍋爐運(yùn)行過程中的物理量轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)輸出。

模擬信號(hào)采集模塊的輸入端與傳感器模塊相連，包括：基于采樣電阻用于轉(zhuǎn)換傳感器輸出電信號(hào)的I/V變換電路，用于除去干擾信號(hào)的濾波電路，基于op07和HCNR201芯片、用于隔離并放大采集信號(hào)的線性光耦隔離電路。該模塊的輸出端直接接入微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digitol converter,ADC)接口。

開關(guān)信號(hào)采集模塊的輸入/輸出端分別與鍋爐電控柜及微控制器相連，從鍋爐電控柜內(nèi)的繼電器、接觸器提取開關(guān)信號(hào)，開關(guān)信號(hào)經(jīng)開關(guān)信號(hào)采集模塊內(nèi)部的光耦隔離電路后接入微控制器的I/O口。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包含SD卡接口電路以及用于存儲(chǔ)鍋爐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的SD卡。微控制器通過SPI和SD卡座與SD卡通信，以文件的方式將運(yùn)算處理后的鍋爐狀態(tài)參數(shù)存儲(chǔ)于SD卡中。大容量的SD卡確保能存儲(chǔ)最近12 h內(nèi)的鍋爐實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，為緊急情況或事故提供真實(shí)的數(shù)據(jù)證明。

數(shù)據(jù)通信模塊包含兩路RS-485通信接口電路。一路用于連接網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置，將采集到的鍋爐運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)接入Internet，送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理中心，網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置的選擇根據(jù)鍋爐房?jī)?nèi)的網(wǎng)絡(luò)情況確定，可采用RS-485轉(zhuǎn)Ethernet或者RS-485轉(zhuǎn)GPRS雙向數(shù)據(jù)透明傳輸裝置；另一路RS-485通信接口用于和鍋爐主控制器通信，在開放主控制器通信協(xié)議的情況下，直接從鍋爐主控制器提取運(yùn)行參數(shù)。

顯示報(bào)警模塊包含LED顯示電路以及聲光報(bào)警電路。LED顯示電路用于顯示各傳感器的工作狀態(tài)、開關(guān)信號(hào)的采集狀態(tài)、SD卡的插入狀態(tài)和讀取狀態(tài)、RS-485接口的通信狀態(tài)，以及系統(tǒng)電源的工作狀態(tài)。聲光報(bào)警電路用于在監(jiān)測(cè)參數(shù)超標(biāo)時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)司爐人員提供報(bào)警信號(hào)(采用報(bào)警燈結(jié)合蜂鳴器的方式)。

基本系統(tǒng)模塊包含晶振電路、復(fù)位電路，以及用于提供時(shí)間標(biāo)識(shí)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。采用16 MHz的外接晶振使微控制器工作于最高性能的16 MIPS下。采用DS1302芯片和備用電池構(gòu)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，為就地存儲(chǔ)的鍋爐監(jiān)測(cè)參數(shù)提供時(shí)間標(biāo)志。

電源轉(zhuǎn)換模塊包含用于產(chǎn)生5 V和3.3 V穩(wěn)定電壓的降壓穩(wěn)壓電路、濾除供電電壓中干擾毛刺和尖峰的去耦電路，以及檢測(cè)輸入電壓大小的電壓檢測(cè)電路。電壓檢測(cè)電路采用精密分壓電阻將12 V直流輸入電壓分壓后，接入微控制器的ADC。

UPS模塊包括帶UPS功能的開關(guān)電源及鉛酸蓄電池。該模塊為微控制器系統(tǒng)及傳感器模塊提供電能，并具備蓄電能力。

2.3 技術(shù)性能比較

以上兩種終端都具有很強(qiáng)的通用性，適用于各類型、各品牌的工業(yè)鍋爐。無論鍋爐主控制器是否開放通信協(xié)議，均能夠可靠采集。PLC型數(shù)據(jù)采集終端雖然模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、市場(chǎng)兼容性強(qiáng)、維修方便，但成本高、裝置重、PLC控制部分閑置，市場(chǎng)推廣難度大。而嵌入型數(shù)據(jù)采集終端模塊化設(shè)計(jì)，體積小、輕便、便于安裝、成本低、性價(jià)比高，便于復(fù)制推廣。兩種數(shù)據(jù)采集終端技術(shù)性能比較如表2所示。

表2 兩種采集終端技術(shù)性能比較

3 DCS數(shù)據(jù)接入型終端

工業(yè)鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采用安裝傳感器、儀表及數(shù)據(jù)采集終端的方式來實(shí)現(xiàn)。其傳感器可獨(dú)立安裝于鍋爐上，也可在獲得鍋爐使用單位和制造單位的授權(quán)許可情況下(開放通信協(xié)議)，部分采用鍋爐自身的傳感器。但熱電鍋爐控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，傳感器、儀表配置齊全，且設(shè)備占地面積大，重新安裝傳感器和儀表施工工作量大，實(shí)現(xiàn)較為困難。因此，本文設(shè)計(jì)專用DCS數(shù)據(jù)接入型終端，進(jìn)行熱電鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸。

分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)數(shù)據(jù)接入型終端由專用系統(tǒng)控制器接口卡和GPRS數(shù)據(jù)通信模塊構(gòu)成。DCS數(shù)據(jù)接入型采集終端結(jié)構(gòu)如圖3所示。接口卡根據(jù)電廠DCS不同，由開發(fā)商提供。在電廠授權(quán)許可情況下，開放通信協(xié)議，直接從鍋爐主控制器提取運(yùn)行數(shù)據(jù)和Modbus地址。由于受商業(yè)保護(hù)，只提供一些常用信號(hào)參數(shù)，包括蒸氣壓力、流量、溫度，排煙溫度、氧量、給水溫度、流量，汽包液位、環(huán)境溫度等模擬量信號(hào)，以及運(yùn)行信號(hào)、送風(fēng)機(jī)運(yùn)行、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行和異常報(bào)警等開關(guān)量信號(hào)。

圖3 DCS數(shù)據(jù)接入型采集終端結(jié)構(gòu)圖

GPRS通信模塊采用Modbus-RTU透明通信方式，向鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)無線發(fā)送被監(jiān)測(cè)鍋爐的實(shí)時(shí)參數(shù)，采用具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口及表面組裝技術(shù)(surface mount technology,SMT)封裝形式的SIM900A無線模塊來實(shí)現(xiàn)。該模塊采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，符合低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。SIM卡通過SIM卡接口電路和GPRS通信模塊連接。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集終端是鍋爐遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)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)置的功能。本文根據(jù)不同功能需求，研發(fā)了基于PLC采集并集成于控制柜內(nèi)方案的PLC型采集終端，以及基于微控制器構(gòu)成PCB電路板方案的嵌入型采集終端。這2種終端都具有很強(qiáng)的通用性，適用于各類型、各品牌的工業(yè)鍋爐。目前，這2種終端已在53臺(tái)工業(yè)鍋爐上安裝，并可靠運(yùn)行。另外，本文還研發(fā)了適用于熱電鍋爐的DCS數(shù)據(jù)接入型終端。目前，已有4臺(tái)熱電鍋爐DCS數(shù)據(jù)接入遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以上終端的研發(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)查提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。