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基于物联网和云计算的工业锅炉在线监测

更新时间：2019-12-09 09:09:03 大小：448K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网云计算 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了解决工业锅炉由于量多面广而不便监管、自控水平低、能耗及污染较高等问题,在分析总结工业锅炉使用现状的基础上,研究利用物联网和云计算等新技术对工业锅炉的运行状态进行远程自动监测,提出工业锅炉物联网的架构模型和云计算模型,给出了锅炉能耗、热效率等关键参数的监测和软测量方法.针对锅炉监管、测试、使用、制造和节能服务等环节,给出了对应的解决方案,为降低能耗、减少污染物排放提供了一种新思路.

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V01．22 No．1

计算机集成制造系统

Integrated Manufacturing Systems

Computer

第22卷第1期

1 6

2 0

Jan．2

6年1月

DOI：10．13196／j．cirns．2016．01．020

基于物联网和云计算的工业锅炉在线监测

仝营，顾新建，纪杨建，岳芳

(浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点研究实验室，浙江杭州

310027)

摘要：为了解决工业锅炉由于量多面广而不便监管、自控水平低、能耗及污染较高等问题，在分析总结工业

锅炉使用现状的基础上，研究利用物联网和云计算等新技术对工业锅炉的运行状态进行远程自动监测，提出工业

锅炉物联网的架构模型和云计算模型，给出了锅炉能耗、热效率等关键参数的监测和软测量方法。针对锅炉监管、

测试、使用、制造和节能服务等环节，给出了对应的解决方案，为降低能耗、减少污染物排放提供了一种新思路。

关键词：物联网；云计算；工业锅炉；节能减排；软测量

中围分类号：TK227；TP393

文献标识码：A

Online

of industrial boiler based仰loT and cloud

monitoring

computing

TONG_Ying，GU

Fang

Xinjian，JI Yangjian，YUE

of Advanced

of Province，

Zhejiang

(Key Laboratory

College ^{of Mechanical}Engineering，Zhejiang

of industrial boiler such as utilization

Manufacturing Technology

310027，China)

University，Hangzhou

at the

scattering，inconvenient supervision，low

state and emission of

emissions，the

Abstract：Aiming

control level for

problems

and

waste

technology，serious energy

high pollutant

Internet of

operation

cloud

industrial boiler were automatic monitored

remotely by using

method of boiler

energy consumption，thermal efficiency

Things(IoT)and

computing．The

were ana—

and other data

and soft

monitoring

lyzed．The

measuring

was

the ar—

forward，and

put

overall solution for

and emission reduction of industrial boiler

energy saving

chitecture model of loT and cloud

model were

different

institution，

supervision

computing

given．The

applications

to boiler were

and

service institution oriented

testing organization，user unit，manufacturing enterprise

energy saving

achieved the

and

emissions．

analyzed，which

Keywords：Internet

uring

purpose

reducing energy consumption

reducing pollutant

and emission

meas—

reduction；soft

things；cloud computing；industrial boiler；energy saving

锅炉居多，约占工业锅炉总量的65％。工业锅炉总

引言

体技术水平落后，主要表现在：①除尘与脱硫技术水

平低，燃煤锅炉污染物排放高；②自动控制水平低；

工业锅炉作为工业领域的能源转换特种设备，

在生产和生活中占有很重要的地位，是除发电锅炉

之外的第二大煤炭消耗大户，数量上约占锅炉总量

的85％。工业锅炉主要用于工业生产与采暖，大多

为低参数、小容量锅炉，因此热效率较低，其中燃煤

③锅炉用煤质量不稳定，不能满足锅炉设计要求；④

锅炉节能工作监督和管理体系不完善，仍处于碎片

化管理阶段[1-3]。

赵钦新等口以]认为工业锅炉节能减排工作缺乏

收稿日期：2015—08—23；修订日期：2015—10—19。Received

19 Oct．2015．

Aug．2015；accepted

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175463，71132007)；国家科技支撑计划资助项目(2013BAF02810)；浙江省自然科学基金资助项目

(LZl5E050003)。Foundationitems：Project

supported bytheNationalNatural ScienceFoundation，China(No．51175463，71132007)，

the

^NationalKey

Program，China(No．2013BAF02810)，and the Natural Science Foundation of

Province，

Zhejiang

_TechnologyR&D

China(No．LZl5E050003)．

万方数据

计算机集成制造系统

第22卷

具体方案和目标，现状不容乐观，尤其在运行状况监

测诊断、自动调节和控制以及工业锅炉运行科学管

理等方面存在如下诸多问题：

软件系统进行信息处理和知识挖掘，实现人与物、物

与物的信息交互，进而达到对物理世界的感知识别、

实时控制、精确管理和科学决策[6。]。物联网已成为

当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之

一，被称为是继计算机和互联网之后的第三次信息

技术革命，越来越多的政府部门、研究机构和企业关

注物联网、研究物联网、投资物联网[8。11I。物联网会

产生大量数据，需要大规模的计算平台作为支撑，而

云计算可以处理海量数据，能够满足这种要求。云

计算是一种计算模式，服务器、存储、数据、应用等计

(1)人工业锅炉运行管理人员和操作人员水

平参差不齐，节能减排意识淡薄。

(2)料煤炭工业一直未能实现工业锅炉燃煤

的分类与分质供应，造成锅炉燃烧非设计煤种，使锅

炉性能偏离设计值。

(3)炉

工业锅炉燃料和配风不均匀，对于变化

剧烈的煤种缺乏有效的燃烧调节技术，炉渣含碳量

过高，锅炉排烟温度过高。

算资源以服务的方式提供给用户，并可以被迅速使

用与释放。它将数据与服务共享计算模式有机结

合，是未来计算模式的发展方向。这些特点有助于

实现工业锅炉物联网的低成本和智能化应用[12|。

(4)机辅机与锅炉本体不匹配，普遍处于高消

耗、低输出的状态，能源浪费严重。

(5)控指监测、诊断和控制。

工业锅炉自控水平低，不能根据需求及时调节

现阶段已有一些关于锅炉物联网的研究：张士

海[1朝将物联网引入电厂，实现了传感数据的汇聚和

转发，并与现有的互联网进行整合，对物联网络内的

人员、设备和基础设施实行实时管控，以更加精细和

动态的方式管理电厂生产和经营，从而提高资源利

用率和生产力水平；揭骏仁u叫以电厂的环境监测任

务为中心，设计了智慧电厂的物联网环境监测平台，

主要监测对象为SO：、NO。、烟雾粉尘等污染性气

体，在无线传感网络数据库思想的基础上，利用节点

自身的存储和处理能力，以查询的方式实现感知信

息的获取；李飞翔等口3研发了一种以物联网为架构、

以Zigbee为通讯的锅炉能效测试集成系统，实现了

现场测试数据自动采集、无线传输、数据处理等功

能，降低了测试人员的劳动强度，提高了工业锅炉能

效测试的科学性和可信度；彭彬等[15]提出一种基于

无源超高频电子标签，可以实现人员的连续定位，并

提供基于位置的服务，从而构建变电站内可移动式

定位系统。另有报道：某市特种设备检测研究院“锅

炉节能远程监测”项目运用物联网技术，对工业锅炉

开展能效测试、节能诊断、管理节能和技术改造，使

该市在用锅炉整体能效提高3％，每年节约标煤约

其燃烧和运行状态来适应实际工况。因此，监测诊

断和自动控制涉及工业锅炉的软件和硬件，是目前

节能减排的关键。

杨婷婷等[51提出锅炉节能优化主要集中在锅炉

监测与诊断、数据驱动的运行优化、锅炉燃烧优化等

方面。其中锅炉燃烧优化技术可以分为三类：第一

类优化技术通过在线检测影响锅炉燃烧的重要参

数，如烟气含氧量、飞灰含碳量等，指导运行人员调

节锅炉燃烧，实现锅炉的燃烧优化，这类优化技术现

已占据了主导地位；第二类优化技术在集散型控制

Control

系统(Distributed

System，DCS)层面，通过

采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术，实

现锅炉的燃烧优化；第三类燃烧优化技术在设备层

面，通过燃烧器、受热面等设备的改造实现锅炉的燃

烧优化调整，这种技术比较成熟。

多数工业锅炉配有仪表控制系统或DCS控制

系统，但一般都不完全具备热工参数和排放参数的

在线监测、在线诊断、系统自动调节和系统控制功

能，因此在此方面还有很大的改进空间。另外，工业

锅炉存在数量多且分散的情况，其节能减排需要多

方面新技术和生产模式的支持。

24× 104

600

t，年减少S02排放3

t，从而有效降低

了该地区空气中PM2．5的浓度，达到改善空气质

量、减少污染排放、促进节能减排的目的[1引。

物联网(Internet

Things，IoT)于1999年由

麻省理工学院提出，目前业界普遍认可的物联网是

Identification，

本文针对工业锅炉使用分散、不便监管、控制

技术水平低、污染物排放较高的情况，研究利用物

联网和云计算技术对工业锅炉的运行状态和排放

物进行远程自动监测，提出锅炉节能减排的物联

网架构模型和云计算模型，并分析锅炉的能耗、热

指利用射频识别(Radio Frequency

RFID)、全球定位系统(Global Positioning System，

GPS)，以及传感器、执行器等智能装置对物理世界

的声音、图像、光、热、化学和位置等信息进行感知识

别，依托通讯网络进行传输和互联，利用计算设施和

万方数据

第1期

仝营等：基于物联网和云计算的工业锅炉在线监测

胜

用

巨

’一

效率等数据的监测和软测量方法，面向锅炉监管、

测试、使用、制造和节能服务等不同环节，给出了

对应的解决方案，为降低能耗、减少污染物排放提

供了一种新思路。

性能分析lI控制优化I

1广

应用服务l状态监测l

‘

物联网应用支撑管理平台

网

中间件

lI业务支撑l

l云计算||

络

工业锅炉物联网架构分析

层

，

Ⅱ

互联网

核心网络I通信网

II行业专网l

1．1

工业锅炉物联网应用框架

工业锅炉物联网应用框架如图1所示，借助该

工业锅炉物联网平台，可以实现制造企业、使用单

位、测试机构、监管机构、节能服务机构等多种机构

的多元共治。初级阶段的应用支持锅炉运行状态、

当前能耗、排放物的在线监测等内容，高级阶段的应

用可以支持工业锅炉运行数据分析、在线控制和性

能优化等。

物联网接入网关

成

感知／互动

感知传递

，

磊

～

层

互动终端

感知节点

PLC、短距离无线通信、红外通信、

局部总线、射频等

孔

给水泵、引风机、

送风机等辅机

锅炉本体

感

知

对

象

竹

监测变量

；萋；|雾|l萎||蓑薹；；垂；萎

i位{i构l l构i i仉俐{i构i构

I模拟量I|开关量II脉冲量I

图2工业锅炉物联网架构

工业锅炉云计算平台

———————、

执行器，实现完整的管控一体化[1引。

工业锅炉物联网

1．2．2

网络层

—

工五业锅炉

於

)

网络层支撑感知层信息的传递、路由和控制，为

物联网人与物、物与物通信提供支撑，相当于人的神

经中枢由有线和无线通信网、网络管理系统等组成。

有线通信可分为短距离的现场总线和中、长距离的

广域网络。现场总线种类繁多且已大量部署，难以

通过一个统一的通用网络协议标准化，一般需要物

联网软件、中间件通过软件总线加适配器的方式实

现高效率的互联互通。无线通信可分为长距离的无

工业锅炉物联网应用高级阶段

[垂臻至Ej[：垂氍甄]

在线控静j

其他应用

■· · ●●●●●●●●●●●●· · · · -· · ●-· ·

--- ●●●●●●●●●●●●

工业锅炉物联网应用初级阶段

‘

重垂 j ￡垂垂蛹二

!：蔓晒塑域] [爱嘲夏]

圈1工业锅炉物联网应用框架

for Mobile Communica—

线广域网(Global

System

tion，GSM；Code Division

Access，CD—

Code Division

Multiple

1．2工业锅炉物联网架构模型

MA；Time

Division‘——Synchronous

关于物联网的体系架构，学术界在层次数目及

划分上有诸多不同观点，本文采用感知层、网络层和

应用层3层架构模型[17-18]，如图2所示。

Access，TD-SCDMA)、中距离的无线城域

Local Area Net—

Multiple

网、短距离的无线局域网(Wireless

work，WLAN)和无线个域网(Wireless

Area

Personal

1．2．1

感知层

Network，WPAN)。几种常用的短距离无线

感知层相当于人的眼、耳、鼻、舌等器官，由各种

传感器和传感器网关构成，包括：Nq，S02，C02，CO

等浓度传感器；温度、压力和流量传感器；RFID标签

和读写器、图像采集等感知终端。其主要功能是识别

物体和采集信息，包括锅炉的燃料、送风、给水、蒸汽

以及排烟温度、烟气含氧量等参数。传感器解决的是

上行的感知和监测问题，要实现控制，还需要下行的

通信标准有RFID，w1FI，Zigbee，Bluetooth等。

1．2．3

应用层

应用层是物联网与工业锅炉用户的接口，它与

行业需求相结合，可实现工业锅炉物联网的智能应

用，其作用相当于人的大脑，需要实现三大功能：①

基于数据大集成的上行数据采集，实现物的监测；②

下行的指令下发，实现控制，但以监测为主、控制为

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