于融正1，官洪運(yùn)1，寧偉2
?。?.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620； 2.東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620）
摘要：為改進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)窯爐生產(chǎn)的監(jiān)控手段，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”，融合無線傳感技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云平臺和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了一套智慧窯爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使窯爐在運(yùn)行時具有在線自診斷功能，讓管理人員及時掌握爐體的溫度場分布變化、廢棄排放是否達(dá)標(biāo)以及窯爐故障前兆，云端的大數(shù)據(jù)挖掘為窯爐壽命的預(yù)測等提供決策依據(jù)，對安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源以及環(huán)保監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。因此，該設(shè)計對實際生產(chǎn)具有重大的實際意義。
關(guān)鍵詞：智慧窯爐；B/S架構(gòu)；互聯(lián)網(wǎng)+；云平臺；遠(yuǎn)程監(jiān)控；大數(shù)據(jù)
0引言
窯爐在現(xiàn)代工業(yè)中廣泛使用，尤其是在建材行業(yè)中，是建材生產(chǎn)最為基礎(chǔ)、最為重要的一環(huán)，其運(yùn)行的好壞會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗、環(huán)境污染等各個方面，甚至?xí)绊懙礁G爐的使用壽命?，F(xiàn)有的窯爐監(jiān)控保護(hù)方法和技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的肉眼觀察，更加安全有效，但是仍舊難以做到智能化以及對窯爐進(jìn)行全面的監(jiān)控和保護(hù)，難以有效避免運(yùn)行中出現(xiàn)的嚴(yán)重影響窯爐壽命和窯爐生產(chǎn)的事故，特別是大中型電熔爐、具有深澄清池的池爐，在池深超過2 m的結(jié)構(gòu)中，僅靜壓強(qiáng)就超過5 t/m2［1］，并且在此處高溫高壓下耐火材料的堅固程度會隨著窯爐的使用不斷降低，事故隱患大大增加。隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家建設(shè)和國民生活對于窯爐制品的需求量越來越大，對于窯爐生產(chǎn)的要求越來越高，對窯爐的后期管理和安全性要求提高到一個新的高度。對于窯爐監(jiān)控手段、方法的改進(jìn)應(yīng)提上日程。
在各領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，可以采用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行窯爐生產(chǎn)的監(jiān)控和分析，對窯爐生產(chǎn)過程進(jìn)行全面、智能監(jiān)控。為此提出了一種基于B/S架構(gòu)的智慧窯爐遠(yuǎn)程監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計方案。
1智慧窯爐的提出
在窯爐生產(chǎn)過程中，溫度作為表征物體冷熱程度的物理量，是影響窯爐傳熱過程和工作效率的主要因素，也是保證鍋爐設(shè)備安全的重要參數(shù)，對于安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。
在窯爐生產(chǎn)過程中，由于窯爐內(nèi)部進(jìn)行的一系列化學(xué)反應(yīng)，會產(chǎn)生一些廢氣，廢氣的化學(xué)成分如硫、硝（氮氧化合物）等有毒有害，會對環(huán)境造成極大的污染。
以玻璃窯爐為例，如圖1所示，在玻璃窯爐的生產(chǎn)過程中，窯爐的表面散熱比例是除熱玻璃液外窯爐的其他位置中散熱比例最高的，這說明窯爐爐壁在窯爐的生產(chǎn)過程中會吸收大量的熱量。在散熱過程中爐壁溫度會發(fā)生變化，作為窯爐最外層的爐壁的狀態(tài)會在熱傳導(dǎo)過程中時刻受到影響，因此溫度可以作為窯爐監(jiān)控保護(hù)的一個重要切入點。玻璃窯爐在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的SO2、NOx、HCI和HF等廢氣，獲知廢氣的濃度可以掌握窯爐生產(chǎn)對環(huán)境的污染程度。
根據(jù)溫度和廢氣濃度來改進(jìn)窯爐的監(jiān)控保護(hù)手段具有一定的可靠性。窯爐監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)對窯爐生產(chǎn)過程中的溫度和廢氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，利用溫度數(shù)據(jù)和廢氣濃度數(shù)據(jù)，對原本單調(diào)、簡單的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘，得到更有價值的信息。窯爐監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)具有一定的“思維”能力，進(jìn)而可構(gòu)成一個智慧窯爐，使窯爐的健康狀況和生產(chǎn)狀況受到更全面的監(jiān)控。
1.1爐壁溫度的監(jiān)控
圖2系統(tǒng)總體架構(gòu)圖窯爐一般是在高溫下進(jìn)行生產(chǎn)，為了提高窯制品的質(zhì)量，要求的窯溫也越來越高。目前燒制特種耐火材料的窯爐,其溫度高達(dá)1 600~1 850 ℃，如此高溫給爐體爐壁帶來巨大的壓力，溫度過高時窯爐爐壁可能會被燒穿。
在窯爐工作過程中，可以采集爐壁上不同部位的溫度數(shù)據(jù)，若爐壁上某一點溫度過高，可以判斷窯爐爐壁有燒穿的危險，應(yīng)及時對窯爐進(jìn)行保護(hù)，避免事故的發(fā)生。
1.2溫度場建模
通過窯爐爐壁不同部位的溫度值可以得到窯爐爐壁的溫度分布，從而了解窯爐爐壁對整個窯爐的保溫狀況。保溫狀況與窯爐生產(chǎn)耗能之間的關(guān)系密切，良好的保溫效果可以降低窯爐的能耗。
利用爐壁上不同部位的溫度，可以通過建模的方法得到窯爐的溫度分布場情況，從而進(jìn)一步得到整個窯爐的能耗情況以方便進(jìn)行能耗控制。
1.3窯爐壽命預(yù)測建模
在窯爐工作過程中，窯爐內(nèi)壁因侵蝕而使?fàn)t壁變薄，在長期高溫下將使?fàn)t壁受損程度加重，極大影響窯爐的使用壽命。
在窯爐工作過程中，可以采集爐壁上不同部位的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)窯爐溫度的歷史變化情況，利用數(shù)學(xué)建模分析、判斷窯爐爐壁的健康情況，從而預(yù)測窯爐爐體的壽命，在確保安全的情況下，極大地提高了窯爐的效率。
1.4廢氣濃度
窯爐的排風(fēng)口會排放出含有有害物質(zhì)的廢氣，這些廢氣會直接進(jìn)入大氣環(huán)境。在窯爐的排風(fēng)口可以對廢氣成分進(jìn)行檢測，分析廢氣中的污染成分是否超標(biāo)。
通過對廢氣的監(jiān)測，可以及時地控制窯爐生產(chǎn)對環(huán)境的污染，從而實現(xiàn)窯爐的綠色生產(chǎn)。
2系統(tǒng)總體設(shè)計
2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計
系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。本文針對爐壁溫度和廢氣排放構(gòu)建了智慧窯爐遠(yuǎn)程監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，實時監(jiān)測溫度是否過高以防止造成爐壁燒穿，應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘來預(yù)測窯爐爐體的壽命，監(jiān)控窯爐溫度場的分布以控制能耗，監(jiān)測廢氣排放以防止污染環(huán)境。
系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為B/S架構(gòu)。B/S架構(gòu)主要采用Web瀏覽器技術(shù)，同時結(jié)合多種腳本語言與ActiveX技術(shù)， 簡化原有專用軟件訪問流程， 極大減少開發(fā)成本與資源的耗用［2］。系統(tǒng)服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，工作人員通過Web瀏覽器查看數(shù)據(jù)、圖像等信息進(jìn)行監(jiān)控。
由于系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，并且系統(tǒng)內(nèi)對溫度和廢氣濃度的分析、挖掘是一個復(fù)雜的過程，故系統(tǒng)需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，本文直接利用云平臺上的云服務(wù)器來完成B/S架構(gòu)中服務(wù)器的搭建，并作為系統(tǒng)的后臺來完成數(shù)據(jù)處理。借助云計算技術(shù)強(qiáng)大的計算能力和先進(jìn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，合理進(jìn)行軟件設(shè)計，順利可靠地完成對參數(shù)的分析、挖掘等過程來促進(jìn)系統(tǒng)智能化的完成，同時減少系統(tǒng)建設(shè)、升級及運(yùn)維管理的成本，提高資源利用率及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性［3］。
工作人員可在CRT監(jiān)控中心的PC上使用Web瀏覽器通過因特網(wǎng)進(jìn)入云平臺來查看系統(tǒng)后臺處理結(jié)果和采集數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，一旦窯爐外壁溫度過高、廢氣濃度過高，報警主機(jī)和CRT監(jiān)控中心即進(jìn)行報警，提醒工作人員及時查看現(xiàn)場以消除隱患。
2.2系統(tǒng)工作原理
在窯爐生產(chǎn)時，信息采集模塊與監(jiān)控報警主機(jī)之間進(jìn)行通信：在信息采集模塊的MCU數(shù)據(jù)采集模塊控制下，窯爐外壁各點的K型熱電偶溫度傳感器和氣體傳感器定時采集窯爐外壁溫度、排風(fēng)口的廢氣污染成分濃度以及攝像頭拍攝的圖像，無線發(fā)射模塊向監(jiān)控報警主機(jī)發(fā)送溫度、廢氣污染成分濃度和圖像。如果出現(xiàn)采集設(shè)備故障、電池欠壓等情況，數(shù)據(jù)采集模塊會通過無線發(fā)射模塊發(fā)送相關(guān)信息至監(jiān)控報警主機(jī)。
如果信息采集模塊與監(jiān)控主機(jī)距離太遠(yuǎn)，無線信號收發(fā)困難時，增設(shè)無線中繼器，信息采集模塊將信號發(fā)送給中繼器后，由中繼器發(fā)送給監(jiān)控報警主機(jī)。
監(jiān)控報警主機(jī)由無線網(wǎng)關(guān)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)：無線接收模塊接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)CPU數(shù)據(jù)解碼模塊處理后由GPRS通信模塊發(fā)送至云平臺。監(jiān)控報警主機(jī)對接收到的窯爐外壁溫度和廢氣污染成分濃度進(jìn)行判斷，如果高于預(yù)設(shè)值，CPU控制揚(yáng)聲器進(jìn)行報警，并由GPRS通信模塊發(fā)送短信。
云平臺接收監(jiān)控報警主機(jī)發(fā)送過來的窯爐外壁溫度、廢氣污染成分濃度、窯爐圖像等數(shù)據(jù)，在作為系統(tǒng)B/S架構(gòu)服務(wù)器的云服務(wù)器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在云服務(wù)器上進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，通過建模分析來預(yù)測爐體壽命；進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷窯爐外壁溫度和廢氣污染成分濃度是否過高；利用數(shù)據(jù)庫，存儲圖像、廢氣濃度、窯爐外壁溫度，采集設(shè)備電池欠壓以及故障等信息，得到一個窯爐溫度場的分布以方便控制能耗。
云平臺如果判斷發(fā)現(xiàn)窯爐外壁溫度過高或者廢氣濃度過高，則向CRT監(jiān)控中心發(fā)送信號進(jìn)行報警。
工作人員在CRT監(jiān)控中心的PC上通過Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入云平臺，在Web瀏覽器上查看相關(guān)信息，實現(xiàn)對窯爐生產(chǎn)以及系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控。
3組成部分設(shè)計
3.1信息采集模塊
信息采集模塊置于工作現(xiàn)場，包括K型熱電偶溫度傳感器、氣體傳感器、攝像頭、MCU數(shù)據(jù)采集模塊、LED燈、無線發(fā)射模塊。K型熱電偶溫度傳感器用來采集爐壁溫度，氣體傳感器用來采集廢氣污染成分濃度。K型熱電偶溫度傳感器通過熱電效應(yīng)，產(chǎn)生熱電勢來進(jìn)行溫度的測量。
多個K型熱電偶溫度傳感器與LED燈一起安裝于窯爐外壁不同的關(guān)鍵部位，每組K型熱電偶溫度傳感器與LED燈受同一MCU控制；氣體傳感器安裝在窯爐排風(fēng)口。K型熱電偶溫度傳感器和氣體傳感器由MCU數(shù)據(jù)采集模塊控制即時采集數(shù)據(jù)，MCU數(shù)據(jù)采集模塊通過A/D轉(zhuǎn)換，將來自溫度傳感器和氣體傳感器的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過無線發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。
攝像頭安裝在合適的位置以采集爐壁不同位置LED燈。攝像頭拍攝的圖像如圖3所示，LED燈在MCU控制下根據(jù)K型熱電偶溫度傳感器采集爐壁溫度的高低顯示不同的顏色，工作人員通過圖像上LED燈不同的顏色來觀察窯爐整體的溫度分布，實現(xiàn)視覺監(jiān)視窯爐爐壁溫度，可直接獲知窯爐爐壁溫度是否過高。另外，為確保信號傳輸鏈路的可靠，設(shè)備的故障以及電池欠壓信息也經(jīng)過MCU數(shù)據(jù)采集模塊控制由無線發(fā)射模塊發(fā)送。
通過K型熱電偶溫度傳感器采集溫度可以實現(xiàn)對溫度過高的報警，防止生產(chǎn)事故的發(fā)生。攝像頭采集LED燈的顏色供工作人員查看，視覺上直接獲知窯爐爐壁溫度的高低，可以使工作人員反應(yīng)更加迅速。工作人員視覺判斷溫度高低輔助通過傳感器實現(xiàn)的高溫報警，用兩種監(jiān)測溫度的方式可以提高工作人員獲知窯爐爐壁溫度的效率，對于窯爐燒穿事故有更加及時的預(yù)防，使對窯爐的保護(hù)更加有效，有利于提高窯爐壽命。
3.2監(jiān)控報警主機(jī)
監(jiān)控報警主機(jī)置于窯爐工作現(xiàn)場（值班室），主要包含無線網(wǎng)關(guān)單元和揚(yáng)聲器，無線網(wǎng)關(guān)單元由無線接收模塊、CPU數(shù)據(jù)解碼模塊、GPRS通信模塊組成。監(jiān)控報警主機(jī)通過無線網(wǎng)關(guān)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)：無線接收模塊接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)CPU數(shù)據(jù)解碼模塊處理后由GPRS通信模塊發(fā)送。揚(yáng)聲器在CPU的控制下進(jìn)行報警；GPRS通信模塊可向預(yù)置好的手機(jī)發(fā)送短信進(jìn)行報警。監(jiān)控報警主機(jī)內(nèi)置LCD液晶顯示屏可顯示系統(tǒng)采集設(shè)備的ID號、設(shè)備名稱（具體位置）以及設(shè)備狀態(tài)（正常、欠壓、報警、故障）。
3.3無線中繼器
無線中繼器用來實現(xiàn)信號的中繼和放大，擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離。無線中繼器確保信息采集模塊發(fā)出的信號可以被監(jiān)控報警主機(jī)順利接收，保障報警主機(jī)的正常報警；保證窯爐工作現(xiàn)場設(shè)備之間通信的可靠暢通。
3.4云平臺
云平臺是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的后臺，云平臺上搭建有作為系統(tǒng)B/S架構(gòu)服務(wù)器部分的云服務(wù)器，系統(tǒng)B/S架構(gòu)的服務(wù)器選用云平臺上的云服務(wù)器，無需在本地架設(shè)本地服務(wù)器。云平臺是系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵所在，在云服務(wù)器內(nèi)進(jìn)行窯爐外壁溫度、廢氣污染成分濃度和拍攝圖像的一系列處理，主要包括存儲、數(shù)據(jù)分析以及建模分析等，預(yù)測窯爐的壽命、得到窯爐溫度場的分布情況、判斷窯爐外壁溫度以及廢氣污染成分濃度是否過高，生成一定的結(jié)果，以圖表、圖形等形式供工作人員查看。云平臺可以通過架設(shè)云服務(wù)器建立數(shù)據(jù)中心或者購買、租賃云服務(wù)供應(yīng)商提供的服務(wù)來進(jìn)行搭建，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)在云平臺上進(jìn)行軟件設(shè)計。
3.5CRT監(jiān)控中心
CRT監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)置一套圖形管理系統(tǒng)，具有報警功能。在CRT監(jiān)控中心的PC上連入Internet網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，通過Web瀏覽器可以實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控。在Web瀏覽器上以圖形、符號和文字的方式顯示溫度、故障等各類事件，顯示窯爐溫度場的分布,監(jiān)視各個采集設(shè)備的故障。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)報警、電池欠壓等故障狀態(tài)時，管理人員可在Web瀏覽器上實時得到相應(yīng)信息顯示，便于管理人員及時響應(yīng)，大幅度提高事故處理的能力。
4實驗與結(jié)論
本文研究了基于B/S架構(gòu)的智慧窯爐遠(yuǎn)程監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，結(jié)合無線傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、計算技術(shù)以及云計算技術(shù)，提供了一套完整、完善的系統(tǒng)構(gòu)建方案來對窯爐進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，系統(tǒng)是集溫度傳感、無線通信、微電腦控制于一體的智能化、數(shù)字化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的新一代智慧窯爐監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)。
在某公司，對該系統(tǒng)進(jìn)行了窯爐生產(chǎn)現(xiàn)場的安裝和運(yùn)行，Web瀏覽器上的監(jiān)控界面如圖4所示。進(jìn)行了一系列的實驗，結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，在爐壁溫度過高和廢氣濃度過高時系統(tǒng)及時報警，工作人員對窯爐溫度分布場可以進(jìn)行實時查看，系統(tǒng)對窯爐壽命的預(yù)測準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有實際的推廣應(yīng)用意義。
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