基于物聯網技術的材料實驗加熱爐測控系統的設計

楊 帆，趙彤軒，王鈺涌，張慧翔

（1.西北工業大學 倫敦瑪麗女王大學工程學院，西安710072；2.西北工業大學 自動化學院，西安710072；3.西北工業大學 網絡空間安全學院，西安710072）

材料實驗加熱爐是高校材料科學實驗中實現材料加熱工藝過程的非常重要的熱工生產設備[1]。新型材料的制備、分解化合、性能改良、淬火去應力等都需要加熱工藝處理，如無機非金屬材料陶瓷產品的燒成、金屬材料特種鋼材的成型、高分子材料的合成等，都需要加熱爐精確按照材料產品實驗設定溫度曲線進行，某型號的陶瓷輥棒材料通過加熱爐燒成制備的工藝曲線如圖1所示。大部分的材料實驗都需要升溫到一定的溫度，其化學反應需要一定的時間周期，有的材料制備實驗需要幾天甚至幾個星期，而大部分的材料加熱爐燒成期間，都會產生有毒有害氣體，盡管加熱爐與實驗室本身采取了通風排放措施，但難免會有部分氣體泄漏到實驗室環境中，這對參與實驗的科研人員身體健康是非常有害的[2]。傳統的加熱爐廠家都給加熱爐配備了自動化儀表控制，但這些設備僅僅是單機運行，其參數的設定與實驗過程中需要科研人員人工值守在實驗室中動態設定[3]，由于加熱爐是高溫高壓實驗，這對科研人員的生命健康造成了潛在的威脅。

圖1 實驗加熱爐制備某陶瓷輥棒材料的燒成曲線Fig.1 Firing curve of certain ceramic roller material prepared by experimental heating furnace

物聯網（internet of things，IoT）是萬物互聯的網絡，它通過傳感器感知目標設備的各種實時信息，并將數據通過有線的或者無線的傳輸媒介上傳到控制中心加以分析、利用或者決策，可以實現任何時間、任何地點對目標設備精確感知與控制[4]。將物聯網技術部署到材料實驗加熱爐上，可以使得加熱爐在材料生產實驗周期內的大部分時間實現遠程監視、遠程設參、遠程調控等，這樣可以大大降低科研人員的勞動強度，盡可能高的避免吸入材料制備產生的環境有害氣體，提高了實驗過程的安全性。

1 材料實驗加熱爐物聯網控制架構設計

本文研究的對象是假設實驗加熱爐已經具備了測量控制與外界通信的數字Modbus 通信協議接口，這樣才可以對其加以物聯網遠程安全監控。根據高校材料實驗室的室內環境監測必須健康舒適，加熱爐運行中盡量避免有害氣體泄露長時間對科研人員健康損害；加熱爐溫度壓力必須時刻處于安全范圍的基本要求，結合物聯網測量與控制的基本理論，設計出的物聯網總體測控框架如圖2所示，其從下至上分為4 層結構，下面分別來詳細講解各層的設計組成與功能。

圖2 加熱爐物聯網總體測量與控制框架Fig.2 Overall measurement and control framework diagram of internet of things of heating furnace

（1）感知執行層PEL（perceptual executive layer）

它是本物聯網系統的物質基礎與控制目標，若材料實驗加熱爐是傳統的單機數字化儀表控制方式，則需要通過其數字化儀表接口引出傳感器信號，同時引入控制其啟動、停止或者調節電流強弱的信號，這些信號通過RS232 或者RS485 的方式連接到網關節點。如果加熱爐出廠時是模擬控制方式，需要對其加以接口電路改造，使其具備數字化的通信接口。大部分材料實驗加熱爐都有溫度、壓力、氣氛傳感器，加熱爐啟動運行后，可以控制其電流、燃氣、燃油等能源強弱或者大小，使其加熱爐的測量溫度動態跟隨材料產品設定溫度的大小[5]。

（2）網絡傳輸層NTL（network transport layer）

它是為每一臺材料實驗加熱爐配備的匯聚節點，如果加熱爐電路部分本身就有匯聚節點的功能且具有遵循標準的Modbus 通信接口，則可以省略該節點。NTL 主要是具備網關功能，將底層加熱爐的傳感信號采集過來以標準的Modbus 通信給上層傳送。NTL 本身可以實現協議轉換器的功能，如果加熱爐本身電路數字儀表接口的協議是非標準儀表的串口通信幀格式，可以通過NTL 設備將其轉換成工業上標準的Modbus 協議，方便最大程度上的互聯互通。

（3）控制服務層CSL（control service layer）

它是本物聯網控制系統的核心層，為一臺高性能的應用程序服務器與數據庫服務器二合一的工業控制計算機，它可以實現對實驗室中多臺加熱爐實時測量與控制功能。CSL 同時跟下層的多臺NTL設備進行通信，獲取加熱爐各傳感器實時數據，同時根據實驗規則對加熱爐進行邏輯控制或者加熱工藝控制。CSL 中的核心應用服務程序提供了豐富的人機界面以可視化的方式對所有加熱爐進行實時測量與控制，同時它將采集到數據存到后臺數據庫服務器中。

（4）移動應用層MAL（mobile application layer）

它為本物聯網系統的最高層，其基于校園網/4G/5G 的跟CSL 進行實時通信。通過MAL 層的材料實驗移動終端APP（手機終端Client），可以使得科研人員在實驗工藝許可的前提下遠程監視與操控實驗的進行，這樣可以避免科研人員長時間的呆在實驗室的加熱爐旁邊無意義的值守，最大程度減少實驗人員吸入實驗可能產生的有害氣體[6]。

2 材料實驗加熱爐物聯網軟件設計

2.1 控制服務層CSL 中的Server 應用程序設計

控制服務層CSL 中的Server 應用程序為本物聯網系統中間核心層服務程序，它采用C/S 架構設計，后臺連接到數據庫服務器。該應用程序設計的主要模塊框圖如圖3所示。

圖3 控制服務層CSL 中的Server 應用程序模塊框圖Fig.3 Block diagram of Server application module in CSL of control service layer

其設計的模塊功能詳細內容介紹如下：

（1）系統主控調度模塊：實現中心物聯網服務程序中所有其他模塊運行統一調度，根據系統各模塊的優先級與人機交互的實時性要求，動態創建或者銷毀各模塊的線程執行。

（2）系統用戶登陸模塊：因為實驗加熱爐是專用設備，只允許授權用戶使用，本模塊預置好相關本地與遠程科研實驗人員賬戶密碼，基于角色的訪問機制，使得物聯網系統具有較好的安全性。

（3）下位通信采集模塊：本模塊實現與各加熱爐的網關節點通信，它采用RS485 或者RJ45 的方式進行通信連接，通過輪詢的方式實時采集各加熱爐的溫度、壓力、氣氛等傳感信號，同時將調整控制命令通過本模塊實時下發到各加熱爐的控制執行機構。

（4）上行采集通信模塊：本模塊通過校園網/4G/5G 的通信連接提供給上層授權用戶各加熱爐運行工況數據，在工藝許可的前提下，接受移動終端APP遠程用戶的控制指令，通信協議為標準的Modbus TCP。

（5）加熱PID 控制模塊：該模塊為CSL 層中的核心控制模塊，它采用PID 算法實現對各加熱爐目標加熱溫度控制，如果加熱爐本身具備數字化儀表PID 控制功能，本模塊可以只對其發送PID 設定值。

（6）安全邏輯控制模塊：該模塊實現加熱爐的安全預警邏輯控制，一般來說任何加熱爐所能承受的最高溫度與最高壓力是一定的[7]，如果超出限值肯定會發生危險，本模塊通過邏輯算法對發生的超限立刻報警并發出合適的停爐指令。

（7）加熱工藝畫面模塊：該模塊實現本地人機交互畫面，它將所有實驗加熱爐以虛擬現實的模擬畫面方式呈現出來，方便用戶直觀查看實驗現場工況數據。

（8）動態趨勢曲線模塊：本模塊將采集到各加熱爐的溫度、壓力、氣氛以動態曲線的圖形方式顯示，通過曲線可以很直觀的查看出該傳感器的未來走勢以及控制的測量與設定值的偏差大小。

（9）數據記錄存儲模塊：該模塊可以實時記錄各加熱爐運行過程中的采集傳感器數據，使用該數據可以對實驗制品后期分析提供決策支撐，同時也為后期加熱爐的運行健康進行故障診斷提供依據。

（10）數據導出報表模塊：該模塊將所有加熱爐記錄數據通過標準化的接口導出常規軟件數據格式如XLS，PDF 等，可以據用戶需要可以輸出打印報表存檔。

2.2 移動應用層MAL 中的Client 終端APP 設計

本物聯網系統為了極大的節約實驗科研人員現場值守時間，通過設計手機終端APP 來遠程控制多臺實驗加熱爐，它可以隨時觀察實驗加熱爐的運行工控狀態，如果發生超限安全預警能夠快速收到消息，提高了實驗加熱爐運行的可靠性，避免加熱爐發生故障得不到及時處理帶來不必要的實驗損失。移動應用層MAL 中的Client 終端APP 設計的主要模塊框圖如圖4所示，它主要由移動應用層MAL 終端主調度模塊、終端用戶登陸模塊、網絡通信采集模塊、參數查看設置模塊、加熱工藝畫面模塊、動態趨勢曲線模塊等組成，其功能跟控制服務層模塊類似，不再重復論述。

圖4 移動應用層MAL 中的Client 終端APP 模塊框圖Fig.4 Block diagram of Client terminal APP module in mobile application layer MAL

3 系統主要核心算法設計

3.1 數據采集數字濾波算法

隨機誤差（random error）一般由設備場所中竄入測量儀器的隨機噪聲干擾所引起的。加熱爐運行過程中，因為環境因素的隨機噪聲干擾，采集得到的加熱爐傳感器的原始數據不可避免存在部分隨機偏差數據，為了提高控制服務層CSL 邏輯控制的可靠性與穩定性，非常有必要在相關模塊中對原始數據進行數字濾波[8]。

本系統采用工業上比較成熟的遞推平均值濾波算法（recursive average filtering algorithm，RAFA），它采用先進先出原則，對周期性干擾有良好的抑制作用，濾波后平滑度高，非常適合實驗加熱爐數據濾波[9]，其主要思路如下：

在程序中創建一個遵循FIFO 原則的隊列，隊列的長度固定為N，系統周期性的每一次測量得到結果VN放入該隊列隊尾中，同時淘汰掉隊首的V1，這樣就形成了始終有N個“最新”V1，V2，…，VN數據的隊列數組，計算濾波值時，只要把隊列中的N個數據進行算術平均，就可以得到新的濾波值，這樣每進行一次測量，就可以計算得到一個新的平均濾波值，其算法數學表達式為

3.2 加熱爐數字增量型PID 控制算法設計

大部分加熱爐出廠時本身自帶的控制方式為ON-OFF 算法，其基本思想為設定溫度SV 低于測量溫度PV 時，啟動加熱元件工作，反之停止加熱元件工作。這種方式很容易引起超調、失調或者震蕩。采用了物聯網的控制方式后，可以將加熱控制算法放入到本地控制服務層的軟件中實現，采用更為復雜的PID 算法。根據PID 算法相關理論，其原始模擬PID 數學公式為

式中：KP為PID 比例參數；TI為PID 積分參數；TD為PID 微分參數；e（t）為測量PV 與設定SV 偏差；u（t）為t時刻輸出控制量。

將模擬的PID 公式進行數字化轉換，用累積em表示積分，用em-em-1表示微分，得到的位置型數字PID 算法公式為

對于加熱爐控制如果直接采用位置型PID 算法，如果實驗中設定溫度周期性變化較大時，容易引起較大累積誤差，使得系統輸出震蕩，所以需要進一步差值運算，得到如式（4）所示增量型PID 算法公式[10]：

式中：Δu（m）為PID 輸出變化控制量；u（m）和u（m-1）分別為第k次的輸出量和第k-1 次的輸出量；em，em-1，em-2分別為第m次、第m-1 次、第m-2 次的設定值SV 與測量值PV 偏差。

3.3 系統上下層通信算法設計

為了更好地適應絕大部分加熱爐廠家通信標準，采用國際上廣泛使用的經典Modbus RTU 協議，該協議采用主從式應答報文數據幀格式，RS232或者RS485 方式的串口通信無論上行還是下行都包含從站號、功能碼、數據、CRC16 校驗碼等內容[11]，其順序與字節范圍如表1所示。

表1 Modbus 協議數據幀格式Tab.1 Modbus protocol data frame format

例如控制服務層CSL 從從站為1 號加熱爐的網關中讀取10 號保持寄存器中溫度值，其發送的查詢數據幀為

［01］［03］［00］［0A］［00］［01］［CH］［CL］

如果當前溫度值為100 ℃，則從站返回的數據幀為

［01］［03］［00］［0A］［00］［64］［CH］［CL］

其中CH 與CL 為16 進制的CRC16 計算的校驗碼的高字節與低字節。從報文的首字節（從站號）至數據區的最末字節以CRC16 方法計算出的校驗和[12]。

采用C 語言實現CRC16 校驗算法如下：

如果采用Modbus TCP 的方式，因為網絡通信本身就內含糾錯編碼，需要去掉尾部的CRC16，同時頭部需要加上6 個字節的網絡標識。

4 系統應用開發

運用本文提出的理論與算法成功設計出高校材料實驗室某型號材料實驗加熱爐的物聯網測控系統，其本地服務器工藝程序控制軟件的主畫面如圖5所示，該系統實現了本地自動化的控制實驗加熱爐的啟動、停止操作，并可以進行智能PID 控制運行等功能，這大大的簡化并減輕了實驗操作人員的工作量，另外通過開發出配套的物聯網移動客戶端APP 遠距離的監視其運行，極大的減少實驗人員因值守本地受到加熱實驗排放氣體的損害。

圖5 本地服務器工藝程序控制主畫面Fig.5 Main screen of process program control in local server

5 結語

本文提出基于4 層物聯網框架設計材料實驗加熱爐智能測控系統，對每一層的組成、功能、關鍵技術等進行了詳細的論述，該系統的設計與實現對于提高高校材料學科加熱實驗安全性有著非常重要的意義，它在一定程度上改變了傳統材料實驗加熱爐實驗必須長時間近距離現場值守的狀況，有效地降低了材料加熱實驗科研人員的工作勞動強度，具有較好的推廣應用價值。