物联网与云计算的工业炉在线监测系统研究

张拥军

(北京经济管理职业学院，北京 100102)

随着我国科技水平的进步，促进了工业领域的发展速度，使工业领域的生产规模处于不断扩大状态。工业领域的关键热能动力设备为工业炉，工业炉可有效提高工业领域的整体效率。但工业炉在运行过程中存在污染大、容量小等问题，如何提高工业炉的节能减排效果成为亟待解决的问题。为此，本研究将物联网与云计算作为主要研究对象，对物联网与云计算技术进行深入探究，建立了完善的工业炉在线监测系统，物联网与云计算技术可在工业炉在线监测系统中充分发挥自身作用，具有十分重要的现实意义。

1 基于物联网与云计算的工业炉在线监测系统总体设计

1.1 工业炉在线监测系统整体架构

本研究为实现工业炉性能指标的实时在线监测，采用物联网与云计算作为核心，设计出工业炉在线监测系统。将工业炉在线监测系统的整体结构划分为感知层、应用层以及网络层，工业炉在线监测系统整体结构如图1所示。

1.1.1 在线监测系统感知层

为实现工业炉各项指标的精准监测，本研究对工业炉在线监测系统整体结构的感知层进行设计时，在感知层内部添加了传感器、读写器等感知终端。传感器主要包括浓度、温度、压力等类型，通过感知层内部各种类型的传感器，可完成SO2和CO2浓度、流量、压力等指标的测量。为进一步采集工业炉运行过程中产生的送风量、给水量等参数，可充分利用读写器以及图像采集等设备。工业炉在实际运行过程中易产生上行感知、监测等问题，在工业炉在线监测系统感知层内部添加传感器，可有效解决该问题的发生，同时可充分利用下行执行器有效控制工业炉运行过程中出现的问题。通过上行传感器与下行执行器之间的相互作用，可实现工业炉各项指标的一体化管控[1]。

图1 工业炉在线监测系统整体结构图

1.1.2 在线监测系统应用层

应用层在工业炉在线监测系统中主要负责建立工业炉企业与物联网之间的有机联系，为使工业炉企业与物联网可充分发挥自身作用，对工业炉在线监测系统提出三个要求：其一，采用工业炉在线监测系统对工业炉内部指标进行监测时，应将数据大集成作为主要依据，通过上行感知设备实现数据的采集，并完成工业炉运行状态的实时监测；其二，等待下行执行器成功完成指令的发送，可立即对工业炉进行合理控制。监测工业炉的各项指标过程中，应严格遵循监测为主、控制为辅的原则；其三，工业炉在线监测系统内部数据大集成操作完毕后，应将数据存储在工业炉在线监测系统内部，更加科学合理地利用大集成数据，应对数据进行相应的管理。物联网智能化应用实际上指的是数据挖掘。

1.1.3 在线监测系统网络层

网络层建立的基础为感知层，通过建立完善的网络层级结构，可为感知层提供更多有利信息，为工业炉的精准控制奠定基础。网络层在工业炉在线监测系统中可实现物联网人、物之间的有机通信，即有线通信网、无线通信网等。有线通信网由中长距离广域网以及短距离现场总线共同组成。由于现场总线包括较多类型，为通用网络协议的规范化发展增加了难度。通常情况下，为实现现场总线与工业炉在线监测系统之间的联通关系，可将总线与适配器作为核心，利用物联网软件建立系统与中间件的联系。无线通信网主要由无线局域网、短/中/长距离无线广域网共同组成，短距离无线通信实现的标准为WIFI以及ZigBee[2]。

1.2 工业炉在线监测系统模型构建

工业炉在线监测系统在实际运行过程中可生成多种数据信息，为实现数据信息的管理与处理，构建了工业炉在线监测系统计算模型，该模型可满足系统的多元化需求。本研究对工业炉在线监测系统计算模型进行构建时，将云计算作为核心计算方法，以此实现工业炉在线监测系统内部数据的精准处理。工业炉在线监测系统模型如图2所示。

图2 工业炉在线监测系统模型

工业炉在线监测系统模型中软件即服务实际上是一种应用程序，该应用程序的构建方式是将云计算平台作为载体。软件即服务面向的对象为最终企业，通过软件即服务可有效解决最终企业面临的信息化问题。工业炉在线监测系统模型中平台即服务指的是运行环境，对该部分进行设计时，可将云计算应用程序作为核心，实现应用程序的布置与管理。系统开发人员使用平台层软件工具时，可忽略其余影响因素，仅需向平台层软件工具提供代码与数据即可。基础设施即服务具有计算和存储的功能，工业炉企业使用基础设施层进行计算时，将基本信息发送至基础设施层即可[3]。

2 基于物联网与云计算的工业炉在线监测系统功能设计

2.1 工业炉在线监测系统数据采集功能

工业炉在线监测系统的核心设备为各种类型的传感器，通过传感器可实现数据的精准采集。对于工业炉的安全性数据进行采集时，可利用蒸汽压力和水位传感器。而工业炉的经济性数据主要由排烟温度、给水流量等数据共同组成。为精准掌握工业炉的运行状态，可将网络监控作为基础，对工业炉的运行状态进行实时监测。通过对工业炉的运行数据进行实时采集，可提高工业炉在线监测系统的安全节能效果，同时可提高工业炉在线监测系统的工作效率[4]。

2.2 工业炉在线监测系统数据处理功能

在线监测系统可全方位展示工业炉运行过程中产生的数据，并将生成的数据制作成曲线、报表等形式。为直观地展示工业炉运行过程中各项指标的变化情况，本研究选定工业炉某一时间段内全部运行数据，将该数据整合成曲线的形式，有利于工作人员更加清晰地了解工业炉运行状况。同时可将工业炉某一时间段内全部运行数据整合成报表的形式，并实时记录工业炉的报警记录，有利于企业充分了解工业炉各项指标的变化情况。

3 基于物联网与云计算的工业炉在线监测系统硬软件设计

3.1 工业炉在线监测系统硬件设计

本研究对工业炉在线监测系统的硬件部分进行设计时，采用CPU系统作为硬件部分的核心，通过CPU系统实现数据的采集。CPU系统内部包含嵌入式芯片，该芯片具有高性能、低成本、功耗低等优势，并且该芯片内部融合了复位电路、调压器等设备，在多种设备的支持下，可提高工业炉的使用寿命，即使处于较为恶劣的环境下，工业炉也能维持自身功能。电源电路可为系统内部设备提供电源，同时可将系统外部输入的电源转换为电子电路运转电源，有利于提高工业炉电源的抗干扰能力。串行通信回路可与串行设备之间建立通信连接，以此实现工业炉参数的控制[5]。开关量输入回路可实时测量工业炉在线监测系统的信号，模拟量输入回路可对工业炉在线监测系统的模拟量进行全方位测量。GPRS通信回路可远程控制工业炉在线监测系统，同时可将工业炉在线监测系统内部设备与参数上传至远程管理平台中，结构如图3所示。

图3 工业炉在线监测系统硬件总结构

3.2 工业炉在线监测系统软件设计

工业炉在线监测系统软件部分的核心设备为μC/OS-Ⅱ操作系统，通过μC/OS-Ⅱ操作系统可实现数据的处理，同时可控制工业炉在线监测系统的任务处理进程[6]。

显示管理与人机接口任务指的是刷新工业炉在线监测系统的本地显示界面，并对工业炉在线监测系统的触摸屏进行监测与处理，通过该方式实现系统内部指示灯与按钮的实时监控。工业炉在线监测系统管理任务指的是对数据进行存储管理，可控制工业炉的运行状况，同时可实现任务的切换。串行通信任务包括数据通信、发送、处理等，该部分主要负责建立工业炉在线监测系统与外部扩展单元之间的通信联系，可实现显示器与监控系统之间的数据交换。开关量输入任务主要对系统内各个开关的工作状态进行实时监控，若某个回路的开关量超过系统可承受的最大范围，可采取预制操作。模拟量输入任务指的是测量工业炉的温度、压力等指标。GPRS通信任务可建立数据之间的通信，通过该方式实现指令的发送与接收。

4 基于物联网与云计算的工业炉在线监测系统技术开发

4.1 物联网与云计算技术的特点

将物联网与云计算作为工业炉在线监测系统的核心技术，有利于工作人员实时掌握工业锅炉的运行状态，可提高工业炉的安全性与稳定性。物联网与云计算的技术特点可体现在五个方面：一，工业炉在线监测系统在物联网与云计算技术的支持下，可实时监测工业炉的运行状态，但不控制工业炉的运行情况；二，上位机监测软件未明确限制系统内部用户的访问数量，为实现用户访问数量的增加，可利用物联网与云计算技术对用户进行简单化设置；三，系统物联网与云计算内部装置的目的性与针对性较强，采用物联网与云计算技术对工业炉在线监测系统进行开发时，可提高系统的性价比；四，物联网与云计算技术可有效解决工业炉存在的问题，有利于提高工业炉的管理水平，实现在线监测系统对工业炉的动态化监督；五，物联网与云计算技术具有降低工业炉安全事故发生几率的作用，将物联网与云计算技术应用于工业炉在线监测系统中，可提高工业炉的运行效率。

4.2 工业炉信号采集

工业炉在运行过程中可产生变量信号和状态信号，可利用系统内部传感器对不同信号进行采集。其中变量信号主要包括给水温度、排烟氧量等，状态信号主要包括运行信号、整体预警等。工业炉在线监测系统可对不同信号参数进行在线运算，如将工业炉的排烟氧量作为主要依据，对工业炉的空气过量系数、热效率等参数进行计算。

4.3 工业炉热效率计算

热效率计算指的是排烟温度、一氧化碳含量等参数的计算，为获取工业炉的热效率，可利用反平衡公式进行计算，其公式为

(1)

在线监测系统可对工业炉的排烟温度、一氧化碳含量、入炉冷空气温度等参数进行计算，但其余参数计算的难度系数较大。为获取工业炉在线监测系统的热效率，需要在现场环境中实现样品的采集，并对采集后的样品进行离线测量。为保证测量结果的准确性，可采用两种方式：其一，对工业炉用煤的质量进行工业分析，实现灰渣含碳量的在线监测，监测结果可与现场能效进行对比，并对在线监测系统进行合理的调整；其二，采取定期监测的方式，对工业炉内部煤样和灰渣进行收集，对收集的样本进行离线研究与分析，最终结果可传输至在线监测系统中[7]。

4.4 工业炉在线监测系统监管中心

为满足工业炉在线监测系统的多元化监测需求，本研究将工业炉在线监测系统作为主要研究对象，设计了工业炉在线监测系统监管中心。该监测中心内部配置了监测平台，可构建出集监测、节能、管理于一体的信息化管理平台，有利于优化工业炉在线监测系统的功能，同时可实现工业炉的远程在线管理，从根源上提高工业炉的运行效率。

5 基于物联网与云计算的工业炉在线监测系统实施效果

本研究为验证工业炉在线监测系统的实施效果，对工业炉在线监测系统的监测数据进行统计与分析。工业炉在线监测系统实施效果的验证过程为：首先，利用在线监测系统实时监测工业炉的运行情况；其次，详细记录工业炉内部设备在运行过程中产生的全部数据，同时应存储工业炉运行过程中产生的故障报警信息，最后，为保证工业炉运行的安全性与经济性，采取适当的措施对工业炉进行处理。通过对工业炉在线监测系统的监测结果进行计算可知，经过在线监测系统的实时监测后，工业炉的工作效率提高了8%左右。工业炉在线监测系统实施效果如表1所示[8]。

表1 工业炉在线监测系统实施效果

6 结 语

本研究将物联网与云计算作为核心技术，设计了工业炉在线监测系统。在线监测系统可对工业炉运行过程中产生数据进行采集与分析，有利于工作人员实时掌握工业炉的运行状况，同时可对工业炉的各项指标进行精准监测。为实现工业炉运行状态的调整，利用云平台对工业炉在线监测系统进行开发，可有效降低工业炉安全事故发生的概率。将工业炉在线监测系统应用于工业生产领域中，可提高工业生产的整体效率，为工业生产领域的后续发展提供依据，具有一定参考价值。