工業物聯網技術在煤化工企業戶外大型設備監測中的應用研究

劉偉民 黃冠 曹宏偉

摘要：本研究提出了基于工業物聯網的信息采集分析監測系統，設計了針對唐山中潤煤化工有限公司煤焦化工藝中裝煤車、推焦車、攔焦車、熄焦車等四大車的監測監控整體框架，實現了開發環境搭建、數據采集、數據傳輸、云端存儲、終端顯示功能。重點研發了信息采集設備、云平臺應用程序等技術，并且以戶外大型設備中的推焦車數據采集為例進行了測試。本研究成功構建了工業物聯網系統監測平臺，并在中潤公司得到了順利實施，達到了預期效果，為應用物聯網技術實現煤焦化企業四大車的全面監測監控打下了堅實的基礎。

Abstract： This research puts forward an information acquisition， analysis and monitoring system based on industrial Internet of Things， and designs a monitoring and monitoring framework for four major vehicles in the coal coking process of Tangshan Zhongrun Coal Chemical Co.， Ltd.， namely， coal loader， coke pusher， coke blocker and coke quenching vehicle， which realizes the construction of development environment， data acquisition， data transmission， cloud storage and terminal display functions. It focuses on the development of information acquisition equipment， cloud platform applications and other technologies， and takes the data acquisition of large outdoor equipment as an example to test. This research has successfully constructed the monitoring platform of the industrial Internet of Things system， and has been successfully implemented in Zhongrun Company. It has achieved the expected results， and laid a solid foundation for the application of Internet of Things technology to realize the comprehensive monitoring and control of the four major vehicles in coal coking enterprises.

關鍵詞：煤化工;工業物聯網技術;四大車監測監控;推焦車

Key words： coal chemical industry;Industrial Internet of Things Technology;monitoring and control of four vehicles;coke pushing vehicle

中圖分類號：TN929.5;TP391.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0176-02

0? 引言

物聯網的發展離不開無線通信，智能移動設備，大數據，處理器，傳感器等領域的快速發展。其中，特別是傳感器技術的快速發展，在整合靈敏度和成本方面做得更好。在網絡架構方面，基于藍牙、Wi-Fi和LTE等協議的無線網絡形式日益成熟，無線基站信號逐漸覆蓋大部分城市地區。工業物聯網可以幫助傳統產業升級到智能化的新階段。

1? 技術方案

1.1 研究目標

在本研究中，對嵌入式主板的整體開發。通過擴展外接設備，可監測戶外大型設備的實際工作狀態。采集的數據可以被分析并進行匯總，傳輸到云服務器并在終端同步顯示。通過這種方式，相關人員可以通過遠程設備實時監控大型設備的生產和運行狀態，從而提高生產管理效率。

1.2 外接設備選型

根據實際需求和成本考慮，主控芯片選型選擇ARM內核處理器，其型號為三星S5P4418微處理器，該主控芯片是控制的核心部分，它負責主要信息的采集和操作、邏輯分析、機制執行等處理的關鍵環節， 具有體積小，功耗低，性能高，成本低等特點。

嵌入式處理器及主板參數本研究使用訊為公司生產的基于S5P4418微處理器的itop-4418嵌入式主板，其集成了豐富的硬件外設接口，例如USB接口，SPI接口，I2C總線接口，UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），電源管理器，PWM定時器和許多通用輸入/輸出GPIO（General Purpose Input Output）引腳。

1.3 操作系統的選擇

在操作系統中，各種操作系統的選擇應充分考慮操作系統的穩定性和兼容性，如果只為一個項目開發一個新的操作系統是非常困難的，特別是具有穩定，高效和可靠等性能，作為嵌入式操作系統，通常是配置現有的操作系統。根據分析比較，Linux系統最適合這個項目的開發。Linux被選為本設計中用于開發的嵌入式操作系統。

1.4 接口與協議制定

目前嵌入式系統中常用的通用設備接口有I/O接口，有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網接口）、USB（Universal Serial BUS，通用串行總線接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit，I2C總線）、SPI、LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號）、JTAG（Joint Test Action Group，聯合測試行動小組）、PCI（Peripheral Component Interconnect，局部總線系統）、HPI（Host Port Interface，主機通信接口）等。

在推焦車上做實際測試采集三路數據，即推焦車啟停信息、位置距離信息、推桿工作信息。所以對于接口的數量選擇就是三個。因推焦車的啟停信息在繼電器下取信號，對于繼電器信號的采集，因繼電器上接口為TTL，所以，這一路信號的采集主要通過TTL-串口轉換器與主板的串口連接。采用編碼器進行位置距離信息的采集，也可采用串口與主板連接。采用工業相機抓拍推桿工作照片，關于工業相機與主板的連接問題，首先考慮到傳輸的是圖片，其圖片的數據較大，如果通過串口傳輸會造成很大的延遲并且會收不到圖片（串口傳輸速率較慢），因此本研究中工業相機與主板的連接采用網口連接。

1.5 數據傳輸

無線通信模塊設計系統采用了Quectel EC20 4G無線通信芯片，采用高通MDM9215平臺。 EC20支持LTE和GSM / GPRS網絡。 EC20模塊封裝在標準PCIe接口中，嵌入式主板主要通過usb進行通信。

1.6 云端應用

實時數據是整個煤焦化四大車監控系統的核心，數據庫服務器是數據監控中心重要的組成部分，應用服務器和數據庫服務器共用同一個數據庫。結合現場實際情況，本研究具體實施中租用了阿里云ECS服務器，具體的配置為（2 vCPU 8 GB （I/O優化）、ecs.t5-lc1m4.large、2Mbps）。在云端搭建了數據庫以及配置Web服務器。關于數據庫控制器的具體實現過程分為兩個步驟。首先，數據接收的具體實現是基于TCP/IP協議中HTTP協議的Socket通信。在本系統中4G發送端為客戶端，數據庫服務器為服務器端?？蛻舳烁鶕蘒P和端口找到服務器，服務器端接受請求并建立連接，至此完成一個數據通信通道建立。其次，在Web應用層解析數據流，并分發至Service接口，在業務邏輯層操作Service對象進行存儲業務邏輯處理，然后在數據持久層操作DAO對象完成最基本的增添數據邏輯操作，建立數據庫表的映射關系，最后由數據庫層操作數據庫完成最后的數據寫入工作。

本研究中推焦車的數據采集是不定時的，采用定時發送請求的方法。當有采集的數據出現跳變或超出正常值等安全隱患時，能夠對Web遠程客戶端的用戶（包括管技人員的手機界面）發出警示信息提醒，可以遠程操作，進行人為干預，避免戶外大型設備運行中出現的隱患由于排查不及時影響焦化分廠正常生產。

1.7 顯示終端界面

利用web前端技術，采用HTML、CSS3、JavaScript等對頁面的整體布局以及邏輯關系進行相應的編寫，使其可以直觀的反應機房智能監控系統設計與實現設備的運轉狀態。對進行數據更新的部分構造出div或者相關的函數，采用JSON技術對界面的數據進行相應的更新。

2? 通信協議的制定

關于協議的制定，因為傳輸的方式采用4G傳輸，所以，協議為TCP/IP協議，也就是利用socket編程，直接在串口進行網絡編程。這樣我們可以把串口當做一個客戶端，把服務端安裝在服務器上。通過直接編譯Linux下的非阻塞socket編程，把串口采集的數據通過tcp協議進行傳輸。其次在服務器與顯示端軟件的協議的制定，主要是前端界面顯示數據，在服務器上調用數據其用到的協議為HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本傳輸協議）協議。

3? 關鍵技術

本研究屬于工業物聯網技術在戶外大型設備上的應用研究，通過對嵌入式主板及外接設備進行開發，實現了對戶外大型設備運行狀態以及工作狀態等信息采集。同時，本研究搭建了工業物聯網技術在大型設備上的監控平臺，對日后功能的擴展提供了便利條件。本研究重點對于采集前端、云端服務器以及終端軟件進行了設計和實現，主要關鍵技術如下：

①采用4G網絡的移植技術，將4G模塊嵌入至主板上，采用socket技術進行通信，將數據傳輸至云端，減少現場線路敷設。②用外接設備來對戶外大型設備運行狀態以及工作狀態等信息進行采集，并且對外接設備進行開發，以及通訊接口的開發。③操作系統操作移植技術，主要對嵌入式Linux系統進行操作，交叉編譯并且制作根文件系統。④遠程監測網站開發技術，編寫適合企業人員的類似于組態軟件的界面，主要對PC端以及移動端進行編寫，主要用到的技術有C語言、Java、JAVAWEB、HTML、CSS3、JavaScript、AJAX、JDBC等。

4? 總結

本研究是基于工業物聯網的探索性實際應用，旨在逐步建立對裝煤車、推焦車、攔焦車、熄焦車四大車的全面監測監控的基于工業物聯網的開發平臺。所做的研究內容屬于工業物聯網在實際應用的起始部分，為日后實現煤化工企業戶外大型設備的智能化與自動化監測監控搭建了有效的技術平臺。

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