李飛翔 楊笑峰 王 泓 湖北省特種設(shè)備安全檢驗檢測研究院
為推進(jìn)工業(yè)鍋爐的節(jié)能工作,國家質(zhì)檢總局先后頒布《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》、《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》等技術(shù)規(guī)范,明確了工業(yè)鍋爐能效測試的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在全國范圍內(nèi)推行工業(yè)鍋爐能效測試工作。
但目前工業(yè)鍋爐能效測試仍存在一些亟待解決的技術(shù)問題。
1)現(xiàn)有能效測試設(shè)備大多僅具有單項檢測功能,體積龐大,機(jī)動性差,集成化程度低,導(dǎo)致單臺儀器的精度會嚴(yán)重影響整個測試系統(tǒng)精度,也影響最終結(jié)果的科學(xué)性和可信度。
2)現(xiàn)階段特種設(shè)備檢驗檢測機(jī)構(gòu)作為工業(yè)鍋爐能效測試的主體,在節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)驗尚淺,分散式的能效測試裝備難以支撐測試機(jī)構(gòu)對鍋爐整體燃燒效率的有效、準(zhǔn)確地評價。
3)工業(yè)鍋爐設(shè)備點多而面廣的分布特點也使得整個測試周期很長。測試人員的工作強(qiáng)度極大,同時測試現(xiàn)場的惡劣環(huán)境對測試人員造成較大的安全問題。
針對以上問題,研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)的高度集成化測試系統(tǒng),在完全滿足國家技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,為工業(yè)鍋爐能效測試提供系統(tǒng)化、高精度、高效率的整套技術(shù)解決方案。
物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things, IOT)[1,2,3]最早在1999年被提出來,其宗旨是實現(xiàn)所有物與物之間的互聯(lián)互通,同時能夠?qū)崿F(xiàn)物與物、物與人之間的智能交互。利用各種現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),包括無線傳感技術(shù)、紅外檢測技術(shù)、GPS(全球定位系統(tǒng))等,實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程,采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息,通過各類網(wǎng)絡(luò)接入方式,實現(xiàn)物與物、物與人的泛在鏈接,實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。
在鍋爐能效測試集成系統(tǒng)中,主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4](Wireless Sensor Network)是一種特殊的Ad Hoe網(wǎng)絡(luò),它與傳統(tǒng)的無線Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)(WANET)相比呈現(xiàn)出以下明顯特點:
1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多、密度高;
2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l度高;
3)節(jié)點采用廣播方式;
4)單個節(jié)點出現(xiàn)問題不會對整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響;
5)網(wǎng)絡(luò)具備一定的容錯能力。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由部署的大量傳感器通過無線傳感信號相連,形成的一個分布式網(wǎng)絡(luò)。傳感器可以進(jìn)行各種外界信號、物理條件以及環(huán)境信息的采集,采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,最后上層應(yīng)用系統(tǒng)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后向用戶提供各種服務(wù)功能。
本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系采用自主設(shè)計的以Zigbee技術(shù)為通訊方式的異構(gòu)系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中,傳輸協(xié)議不是傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議,而是采用STP/SP協(xié)議棧,同時增加智能層用來協(xié)商物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點間的協(xié)議選擇,從而組成物聯(lián)網(wǎng)體系協(xié)議棧體系。圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)體系協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖。
STP(Smart Transport Protocol)指智能傳送協(xié)議,而SP(Smart Protocol)指智能協(xié)議。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖
● 3.1.1 短距離無線通訊方法對比
傳統(tǒng)的有線通信方式因為其成本高、布線復(fù)雜,不能滿足鍋爐能效測試的需求,因此本系統(tǒng)采用無線通訊方式。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸范圍來劃分,可分為無線廣域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線個人域網(wǎng)。無線個人域網(wǎng)即短距離無線網(wǎng)絡(luò),典型的短距離無線傳輸技術(shù)有:藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、WiFi等。
在工業(yè)控制、家庭自動化和遙測遙感領(lǐng)域,藍(lán)牙(Bluetooth)雖然成本較低,成熟度高,但是傳輸距離有限,僅為10m,可以參與組網(wǎng)的節(jié)點少。Wi-Fi雖然傳輸速度較快,傳輸距離達(dá)到100m,但是其價格偏高,功耗較大,組網(wǎng)能力較差。
相比之下ZigBee技術(shù)則主要針對低成本、低功耗和低速率的無線通信市場。具有如下特點:
成本低:ZigBee模塊的初始成本低,并且ZigBee協(xié)議是免專利費的,采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868 MHz(歐洲),免執(zhí)照頻段。
低功耗:由于ZigBee的傳輸速率較低,傳輸數(shù)據(jù)量較小,并且采用了休眠模式,因此ZigBee設(shè)備功耗很低,僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長時間使用。
低速率:ZigBee工作在20~250kbps的較低速率,分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps (915MHz)和20kbps(868MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
時延短:ZigBee的響應(yīng)速度較快,通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,一般從休眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要15ms,典型的搜索設(shè)備時延為30ms,活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。
網(wǎng)絡(luò)容量大:ZigBee 可采用星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理,最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。
可靠度高:為了避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突,采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息,如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。
安全:ZigBee 提供了三級安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128) 的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。
傳輸距離遠(yuǎn):傳輸范圍一般介于10~100m之間,在增加RF 發(fā)射功率后,亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離,如果通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。
由于ZigBee技術(shù)具有上述特點,因而非常適合用來搭建工業(yè)鍋爐能效測試的網(wǎng)絡(luò)。
● 3.1.2 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
現(xiàn)場測試組網(wǎng)情況大概如圖,通過ZigBee串口適配器進(jìn)行組網(wǎng)。設(shè)備A、B、C、D是測試儀器,通訊接口是串口根據(jù)ZigBee串口適配器特性和實際需求,設(shè)計出如下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,如圖2所示。
圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
整個網(wǎng)絡(luò)中由一個中心節(jié)點、若干個測試節(jié)點和若干個中繼節(jié)點組成。
中心節(jié)點:放置在數(shù)據(jù)處理中心處使用,是數(shù)據(jù)處理中心計算機(jī)用來讀取各測試節(jié)點測量結(jié)果的入口。該節(jié)點工作在點對點模式下,通過各個測試節(jié)點的MAC地址對各測試節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。
測試節(jié)點:放置在燃燒效率分析儀處使用,燃燒效率分析可以通過它接受計算機(jī)發(fā)送出的指令和返回測試結(jié)果。工作在路由節(jié)點,主從模式下,測試節(jié)點只能接受中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)和把結(jié)果返回到中心節(jié)點。
中繼節(jié)點:根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況放置,是當(dāng)中心節(jié)點和測試節(jié)點比較遠(yuǎn),或是現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜,中心節(jié)點和測試節(jié)點無法直接連入網(wǎng)絡(luò),需要在他們中間加入一個中繼節(jié)點,用來擴(kuò)大通訊范圍。該節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)需要加入的,不是必須的,而且對于整個網(wǎng)絡(luò)來說是透明的。中繼節(jié)點和測試節(jié)點可實現(xiàn)相互替換。
能效測試系統(tǒng)軟件主要依據(jù)GB/T 10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》和TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試和評價規(guī)則》的要求,建立了定型測試、簡單測試、詳細(xì)測試三大模塊。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時記錄、車載燃料分析設(shè)備對燃料的化驗分析,完成數(shù)據(jù)分析和整合,得到能效評價結(jié)果,如圖3所示。能效測試系統(tǒng)軟件根據(jù)其實現(xiàn)的功能可分為測試項目管理、測試數(shù)據(jù)管理以及能效評價管理三大模塊。
圖3 總體功能圖
● 3.2.1 測試項目管理
測試項目模塊可按照測試所需求的測試項目和評價方法,指導(dǎo)用戶建立測試項目,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的流程設(shè)置現(xiàn)場測試設(shè)備,完成數(shù)據(jù)采集工作。
用戶登錄后可根據(jù)測試要求,在登錄界面上,如圖4所示,選取合適的測試模塊。
圖4 測試模塊選擇界面
選擇完成后軟件會自動引導(dǎo)用戶輸入項目信息,建立完整的項目記錄,如圖5所示。
圖5 項目信息錄入
● 3.2.2 測試數(shù)據(jù)管理
測試數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄的處理和設(shè)置,主要包括測試儀器管理和測試參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)通訊設(shè)置、實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能,如圖6所示。
用戶可通過儀器管理和參數(shù)設(shè)置功能對現(xiàn)有的測試儀器進(jìn)行登記管理,用戶可根據(jù)現(xiàn)場測試要求靈活選擇測試參數(shù)或項目,然后使用登記的儀器信息選取符合要求的測試儀器,并關(guān)聯(lián)到數(shù)據(jù)通訊記錄,實現(xiàn)軟件對儀器的自動識別和數(shù)據(jù)記錄。
圖6 測試儀表列表
數(shù)據(jù)采集通訊配置將根據(jù)用戶的設(shè)置,列出測試項目和對應(yīng)的測試儀器,用戶可手動設(shè)置或修改儀器的通訊地址,建立起測試儀器網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的無線傳輸和記錄。
數(shù)據(jù)采集通訊配置完成后,用戶可啟動測試程序,系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)采集和記錄,測試程序具有數(shù)據(jù)采集和記錄的頻次和偏差控制的功能,并運行測試人員根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行控制修改。用戶可按照測試流程選擇正平衡測試、反平衡測試或工況評價測試的參數(shù)或項目,實時觀察采集數(shù)據(jù),如圖7界面所示,掌握鍋爐實時工況和效率狀況,以保證測試的有效性和安全性。
圖7 測試信息的實時數(shù)據(jù)界面
測試完成后,用戶手動終止測試程序,系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)采集和記錄。用戶可使用歷史數(shù)據(jù)查詢功能,對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢或分析。歷史數(shù)據(jù)可采用列表或曲線圖供用戶選擇,以方便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。
● 3.2.3 報告生成
測試完成后,系統(tǒng)會對偏移較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理,并對有效數(shù)據(jù)取平均值或使用統(tǒng)計分析后取值。按照GB/T 10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》和TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試和評價規(guī)則》的要求,分別對定型測試、詳細(xì)測試和簡單測試三種類型自動生成評價報告,數(shù)據(jù)輸入界面如圖8所示。
圖8 數(shù)據(jù)計算及評價報告數(shù)據(jù)輸入界面
感知層是本鍋爐能效測試集成系統(tǒng)的最底層,是整個系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用的末端,主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、煙氣分析儀、濕度傳感器等設(shè)備系統(tǒng)通過這些設(shè)備探測環(huán)境信息、鍋爐運行狀態(tài)以及系統(tǒng)能耗信息數(shù)據(jù),然后通過系統(tǒng)的分析決策模塊來提供對應(yīng)的控制決策。表1所示是本系統(tǒng)所采用的主要感知層設(shè)備儀器。
表1 感知層主要設(shè)備儀器
為了驗證集成系統(tǒng)的工程適用性,在湖北省內(nèi)找了三個鍋爐使用現(xiàn)場作為工程示范測試點,以傳統(tǒng)的手工測試方式(10min記錄一次數(shù)據(jù))和采用集成系統(tǒng)測試的方式(20s記錄一次數(shù)據(jù))同時進(jìn)行測試,將測試結(jié)果進(jìn)行了比對,結(jié)果表明:在符合測試要求的條件下,集成系統(tǒng)的測試結(jié)果十分穩(wěn)定,與傳統(tǒng)的手工測試方式?jīng)]有明顯的偏差,見表2。這是由于集成系統(tǒng)感知層的測試儀器與傳統(tǒng)方法無異,所以測試數(shù)據(jù)是可信的、符合標(biāo)準(zhǔn)的;而集成系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),其組網(wǎng)模塊經(jīng)過工信部門的法定檢驗(Zigbee通訊模塊需經(jīng)過法定檢驗才可生產(chǎn)),相比人工測試方式,集成系統(tǒng)的測試效率得到極大的提高,數(shù)據(jù)采集、處理的過程極為穩(wěn)定,最大程度上避免了外部誤差的產(chǎn)生。
表2 采用傳統(tǒng)測試方式與采用集成系統(tǒng)測試方式的比對
基于物聯(lián)網(wǎng)的鍋爐能效測試集成系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了高度集成的數(shù)字化能效測試方案,替代了人工,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集、連續(xù)記錄、傳輸和處理;測試節(jié)點安裝拆卸方便;整體系統(tǒng)車載移動,機(jī)動性強(qiáng),大大減少了測試人員現(xiàn)場測試的勞動強(qiáng)度。其主要特點和優(yōu)勢如下:
1)實現(xiàn)了現(xiàn)場快速能效測試,滿足TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》中鍋爐運行熱效率簡單測試的要求。
2)采用Zigbee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將能效測試儀器形成集成系統(tǒng),實現(xiàn)無線傳輸、實時記錄測試數(shù)據(jù)等功能。
3)本測試集成系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場測試設(shè)備的高度集成化,可對整個集成系統(tǒng)測試結(jié)果精度的可控。
4)自主研發(fā)的專用軟件系統(tǒng),實時完成數(shù)據(jù)的收集和處理,指導(dǎo)鍋爐經(jīng)濟(jì)運行。
5)本系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工方式,測試人員的工作強(qiáng)度得到極大減輕,且與惡劣測試現(xiàn)場有效隔離,在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時保護(hù)了測試人員的安全。
1 UIT.ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things.20052 International Telecommunication Union,Internet Reports 2005:The Internet of Things.Geneva:ITU,2005
3 周洪波.物聯(lián)網(wǎng):技術(shù)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)和商業(yè)模式.北京:電子工業(yè)出版社,2010
4 Panta, Rajesh Krishna;Hall, Robert J;Auzins,Josh; Fernandez,Maria.Geocast for wireless sensornetworks.Network Protocols(ICNP),201119th IEEE International Conference on.Vancouver, AB, Canada. 2011