基于云计算与工业物联网的工业炉监测系统设计

王辰威

(沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

0 前言

顺应科技发展，新型的基于云计算与工业物联网的工业炉监测系统能够实现多类工业炉性能指标的数据采集，结合云计算平台可同时实现对工业炉数据的分析计算，来达到对工业炉运行过程的同步监控，对所采集数据进行适当的数学模型分析能够对工业炉的运行状况有更深层次的认识。其次，此系统可实现工业炉性能指标大数据资源的长期积累，为迎接大数据时代的到来做好准备。

在目前的科技背景下大数据将成为工业发展的首要驱动力，数据的占有量将对企业的发展起到决定性作用，此次设计的基于云计算与工业物联网的工业炉监测系统严格遵守以采集监测为主，控制调节为辅的原则，在实现监测工业炉运行状态的同时，对所收集数据进行分类保存，为日后进一步的数据挖掘提供可靠的第一手数据基础[1]。

工业炉的在线监测系统能够同时协助人工监测工作的实施，通过对所监测到的参数信息分析，进一步对工业炉运行状况进行判断，采取有效应对措施，优化指导工业炉的具体运行，全面提高运行效率与水平，保证工业炉的安全性与经济性。在安全监管方面可有效减少工业炉的安全隐患，基于物联网与云计算的在线监测系统可以实时监测工业炉的水位、压力、蒸汽温度、水质等相关参数信息，一旦出现指标异常，即水位低、蒸汽超压等，云平台便会立刻发出警报，自动实现简单的应急操作，同时相关工作人员也会及时接收到报警信号。而在线人工检测人员也会以多元化方式警示相关工作人员采取措施加以处置，从而最大程度防止出现安全事故。与此同时，还能够详细记录报警信息，以便于为后续开展事故调查奠定坚实的基础条件。

1 研究内容

本次项目设计了一种基于云计算与工业物联网的工业炉监测系统，能够实现如下的基本功能：

数据采集：工业炉在线监测系统能够通过搭配不同的传感器实现对工业炉运行过程中的相关参数进行实时采集。其中为了提升工业炉运行过程中的安全性，该系统可以对工业炉腔内蒸汽、压力与水位等重要参数实时采集并加以监测。随着工厂的升级改造，该系统也能够自由兼容各类传感器不断丰富自身对数据的捕捉能力。

数据处理：该系统对数据处理方面可以实现两方面功能：1) 工业炉在线监测系统云平台能够同步收集各终端上传的数据，能够实时生成数据的变化曲线并显示在人机界面上，便于人工监测人员实时了解工业炉运行状况。2) 开发人员可以根据工业炉不同的应用场景对该系统长期积累的数据进行分析，将数据与工业炉运行状态紧密结合，对数据进行深层次的挖掘，通过对云平台的应用开发来实现更进一步的工业智能化。

2 实施方案

该系统在功能层面上的设计可分为：感知层、应用层、数据传输层。

感知层主要由不同类型的传感器组成，如不同种类的气体浓度传感器，用来感知SO2 与 CO2 等反映工业炉内运行状态的气体浓度，再如常见的温度传感器、气体压力传感器、液体流量传感器等，传感器有效解决精确感知与实时捕捉数据的问题[2]。

应用层应实现三方面功能：第一方面，该系统在应用层面首先要实现数据采集以及数据集成，对数据进行分类储存，并实时反映在人机界面。第二方面，该监测平台严格遵守以监测为主，控制为辅的原则，在云计算平台对运行信息进行实时分析，尽量确保在问题发生前做出合理的调整。第三方面，应用层面要尽最大程度贴近不同的应用场景，实现同一套系统的多元化设计发展。工业物联网智能化与智慧化的实现程度与数据的挖掘深度呈现着直接联系。

网络层主要为感知层信息传输、控制奠定基础，支持物联网中人、物之间实现有机通信，就工业物联网系统结构来看，本系统采用多节点的形式对工业炉内不同位置的各项数据进行采集并通过工业WIFI上传至云端，云端可对数据进行处理存储，并可根据不同要求开发云应用，实现对收集数据的不同处理方式，得到更高效率的数据处理。

3 应用测试

感应层的硬件设计以搭载WIFI模块与相应传感器的STM32单片机为基础，可分别搭配如下不同类型的传感器来实现对不同数据指标的检测：

二氧化硫浓度传感器：工作电极在接受受控电压的同时实现氧化反应，在受控电压满足条件且电极的催化性足够强的时候，会快速进行氧化反应，这样的反应速度取决于所检测到的二氧化硫的扩散过程，从而得知电极所产生的电流信号幅度能够与所检测二氧化硫的气体浓度成正相关。将探测到的电流变化信号传至单片机，单片机做信号处理并上传。这样的二氧化硫气体浓度传感器拥有较高的电流灵敏度、响应敏捷、在不同工作环境中工作状况较稳定、性价比高且底噪小的诸多优点。

一氧化碳传感器：被检测的一氧化碳气体通过特定的气孔由透气膜经扩散达到传感器氧化电极上，经电极的催化作用，一氧化碳气体能够实现在电极上的氧化反应。在氧化反应发生的同时释放氢离子和电子，在经过电解液的转移后与另一电极在电解液中发生氧化还原反应。

温湿度传感器：温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。通常温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。

流量传感器：流量传感器是一种用于检测液体、气体等介质的流量参数并将其转换为其他形式的信号进行输出的一种检测用仪器仪表。流量传感器具有体积小、重量轻、读数直观清晰、可靠性高、无压力损失等诸多优点，在工业炉监测中可用于检测给水泵、引风机、送风机等工作部分的工作情况。

选择合适的传感器将工业炉运行过程中能够体现运行状态的各种信号转化为电信号交给STM32单片机，再通过无线局域网上传至云平台，如此感知层的终端就实现了信息采集与上传的功能。

在网络层的应用测试中：在硬件方面可以通过现场的工业级无线路由器建立短距离无线局域网来实现硬件感知层终端之间的信息交互。在工业中使用的无线路由器通常情况下是搭载了较高性能的工业级别的无线通信模块，同时拥有较高性能的32位通信处理器，外部的物理结构上，会使用特殊的金属材质作为产品外壳，在提升产品结构刚性的同时又能尽量排除工业现场的电磁波噪声，来适应在较为恶劣的工业环境下正常运行，能够在丰富的应用场景中保证工作的稳定性。在无人的工作环境中也能自动监测和保持在线链路通信，为工业物联提供稳定的网络连接保障。工业级无线路由器可以实现通过运营网络,例如4G、5G网络进行远程数据传输。工业路由可作为一种工业物联网中的无线通信路由器，利用公用网络提供无线长距离数据传输功能。可以为我们的工业炉监测系统的多个节点提供高效稳定的入网平台。网络层除核心网络外还包括物联网应用支撑管理平台来实现云计算及其业务支持，实现对感知层采集到的数据进行处理与存储[3]。

在应用层的实际测试中主要以云计算平台为载体开发出来的应用程序，来实现不同要求的信息处理，这样可以直面最终企业，可以利用其有效解决信息化问题，使云计算的应用层开发富有多样性。其次，平台基于云计算应用程序的运行环境，对程序进行布置与管理，在日后功能拓展的研发上通过平台层软件工具与语言，只需要提供代码与数据，面对不同的客户要求时提供基础设施配置信息、运行程序代码、用户数据即可。

4 总结

本系统旨在通过对工业炉运行过程中的气体压力、温度湿度、液体流量等数据的采集与分析，实现对工业炉运行状态的准确监测以及有预见性地分析运行状况。并能通过云平台的应用开发实现在分析工业炉状态的同时做出合适的调整，相应减少危险事故发生的可能性。另一方面，这样的工业设备升级正是迈向新型工业时代的第一步，将为日后工业设备的全面升级改造做好准备。