于融正1，官洪運1，寧偉2
?。?.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620； 2.東華大學 材料科學與工程學院， 上海 201620）
摘要：為改進傳統工業窯爐生產的監控手段，基于“互聯網+”，融合無線傳感技術、通信技術、網絡技術、云平臺和大數據等技術，設計實現了一套智慧窯爐遠程監控系統。該系統使窯爐在運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、廢棄排放是否達標以及窯爐故障前兆，云端的大數據挖掘為窯爐壽命的預測等提供決策依據，對安全生產、提高生產效率、節約能源以及環保監測等關鍵技術經濟指標起著至關重要的作用。因此，該設計對實際生產具有重大的實際意義。
關鍵詞：智慧窯爐；B/S架構；互聯網+；云平臺；遠程監控；大數據
0引言
窯爐在現代工業中廣泛使用，尤其是在建材行業中，是建材生產最為基礎、最為重要的一環，其運行的好壞會直接影響產品質量、能源消耗、環境污染等各個方面，甚至會影響到窯爐的使用壽命?，F有的窯爐監控保護方法和技術，相對于傳統的肉眼觀察，更加安全有效，但是仍舊難以做到智能化以及對窯爐進行全面的監控和保護，難以有效避免運行中出現的嚴重影響窯爐壽命和窯爐生產的事故，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的結構中，僅靜壓強就超過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。隨著中國經濟的飛速發展，國家建設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。對于窯爐監控手段、方法的改進應提上日程。
在各領域科學技術不斷進步的今天，可以采用現代技術進行窯爐生產的監控和分析，對窯爐生產過程進行全面、智能監控。為此提出了一種基于B/S架構的智慧窯爐遠程監控保護系統設計方案。
1智慧窯爐的提出
在窯爐生產過程中，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，也是保證鍋爐設備安全的重要參數，對于安全生產、提高生產效率、保證產品質量、節約能源等重大技術經濟指標起著至關重要的作用。
在窯爐生產過程中，由于窯爐內部進行的一系列化學反應，會產生一些廢氣，廢氣的化學成分如硫、硝（氮氧化合物）等有毒有害，會對環境造成極大的污染。
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過程中會吸收大量的熱量。在散熱過程中爐壁溫度會發生變化，作為窯爐最外層的爐壁的狀態會在熱傳導過程中時刻受到影響，因此溫度可以作為窯爐監控保護的一個重要切入點。玻璃窯爐在生產過程中會產生大量的SO2、NOx、HCI和HF等廢氣，獲知廢氣的濃度可以掌握窯爐生產對環境的污染程度。
根據溫度和廢氣濃度來改進窯爐的監控保護手段具有一定的可靠性。窯爐監控保護系統對窯爐生產過程中的溫度和廢氣濃度進行監測，利用溫度數據和廢氣濃度數據，對原本單調、簡單的數據進行分析、挖掘，得到更有價值的信息。窯爐監控保護系統具有一定的“思維”能力，進而可構成一個智慧窯爐，使窯爐的健康狀況和生產狀況受到更全面的監控。
1.1爐壁溫度的監控
圖2系統總體架構圖窯爐一般是在高溫下進行生產，為了提高窯制品的質量，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據，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，應及時對窯爐進行保護，避免事故的發生。
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耗能之間的關系密切，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，從而進一步得到整個窯爐的能耗情況以方便進行能耗控制。
1.3窯爐壽命預測建模
在窯爐工作過程中，窯爐內壁因侵蝕而使爐壁變薄，在長期高溫下將使爐壁受損程度加重，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據，根據窯爐溫度的歷史變化情況，利用數學建模分析、判斷窯爐爐壁的健康情況，從而預測窯爐爐體的壽命，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
窯爐的排風口會排放出含有有害物質的廢氣，這些廢氣會直接進入大氣環境。在窯爐的排風口可以對廢氣成分進行檢測，分析廢氣中的污染成分是否超標。
通過對廢氣的監測，可以及時地控制窯爐生產對環境的污染，從而實現窯爐的綠色生產。
2系統總體設計
2.1系統總體架構的設計
系統總體架構設計如圖2所示。本文針對爐壁溫度和廢氣排放構建了智慧窯爐遠程監控保護系統，實時監測溫度是否過高以防止造成爐壁燒穿，應用大數據挖掘來預測窯爐爐體的壽命，監控窯爐溫度場的分布以控制能耗，監測廢氣排放以防止污染環境。
系統的核心網絡結構為B/S架構。B/S架構主要采用Web瀏覽器技術，同時結合多種腳本語言與ActiveX技術， 簡化原有專用軟件訪問流程， 極大減少開發成本與資源的耗用［2］。系統服務器端負責數據的處理，工作人員通過Web瀏覽器查看數據、圖像等信息進行監控。
由于系統基于B/S架構，并且系統內對溫度和廢氣濃度的分析、挖掘是一個復雜的過程，故系統需要強大的數據處理能力，本文直接利用云平臺上的云服務器來完成B/S架構中服務器的搭建，并作為系統的后臺來完成數據處理。借助云計算技術強大的計算能力和先進的大數據技術，合理進行軟件設計，順利可靠地完成對參數的分析、挖掘等過程來促進系統智能化的完成，同時減少系統建設、升級及運維管理的成本，提高資源利用率及系統運行可靠性［3］。
工作人員可在CRT監控中心的PC上使用Web瀏覽器通過因特網進入云平臺來查看系統后臺處理結果和采集數據的詳細信息，一旦窯爐外壁溫度過高、廢氣濃度過高，報警主機和CRT監控中心即進行報警，提醒工作人員及時查看現場以消除隱患。
2.2系統工作原理
在窯爐生產時，信息采集模塊與監控報警主機之間進行通信：在信息采集模塊的MCU數據采集模塊控制下，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、排風口的廢氣污染成分濃度以及攝像頭拍攝的圖像，無線發射模塊向監控報警主機發送溫度、廢氣污染成分濃度和圖像。如果出現采集設備故障、電池欠壓等情況，數據采集模塊會通過無線發射模塊發送相關信息至監控報警主機。
如果信息采集模塊與監控主機距離太遠，無線信號收發困難時，增設無線中繼器，信息采集模塊將信號發送給中繼器后，由中繼器發送給監控報警主機。
監控報警主機由無線網關單元進行數據的收發：無線接收模塊接收數據，數據經CPU數據解碼模塊處理后由GPRS通信模塊發送至云平臺。監控報警主機對接收到的窯爐外壁溫度和廢氣污染成分濃度進行判斷，如果高于預設值，CPU控制揚聲器進行報警，并由GPRS通信模塊發送短信。
云平臺接收監控報警主機發送過來的窯爐外壁溫度、廢氣污染成分濃度、窯爐圖像等數據，在作為系統B/S架構服務器的云服務器內部進行數據處理。在云服務器上進行大數據挖掘，通過建模分析來預測爐體壽命；進行數據分析，判斷窯爐外壁溫度和廢氣污染成分濃度是否過高；利用數據庫，存儲圖像、廢氣濃度、窯爐外壁溫度，采集設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。
云平臺如果判斷發現窯爐外壁溫度過高或者廢氣濃度過高，則向CRT監控中心發送信號進行報警。
工作人員在CRT監控中心的PC上通過Internet網絡進入云平臺，在Web瀏覽器上查看相關信息，實現對窯爐生產以及系統設備運行狀況的監控。
3組成部分設計
3.1信息采集模塊
信息采集模塊置于工作現場，包括K型熱電偶溫度傳感器、氣體傳感器、攝像頭、MCU數據采集模塊、LED燈、無線發射模塊。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，產生熱電勢來進行溫度的測量。
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口。K型熱電偶溫度傳感器和氣體傳感器由MCU數據采集模塊控制即時采集數據，MCU數據采集模塊通過A/D轉換，將來自溫度傳感器和氣體傳感器的電壓信號轉換成數字信號，通過無線發射模塊發送數據。
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，實現視覺監視窯爐爐壁溫度，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，設備的故障以及電池欠壓信息也經過MCU數據采集模塊控制由無線發射模塊發送。
通過K型熱電偶溫度傳感器采集溫度可以實現對溫度過高的報警，防止生產事故的發生。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的高溫報警，用兩種監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防，使對窯爐的保護更加有效，有利于提高窯爐壽命。
3.2監控報警主機
監控報警主機置于窯爐工作現場（值班室），主要包含無線網關單元和揚聲器，無線網關單元由無線接收模塊、CPU數據解碼模塊、GPRS通信模塊組成。監控報警主機通過無線網關單元進行數據的收發：無線接收模塊接收到的數據經CPU數據解碼模塊處理后由GPRS通信模塊發送。揚聲器在CPU的控制下進行報警；GPRS通信模塊可向預置好的手機發送短信進行報警。監控報警主機內置LCD液晶顯示屏可顯示系統采集設備的ID號、設備名稱（具體位置）以及設備狀態（正常、欠壓、報警、故障）。
3.3無線中繼器
無線中繼器用來實現信號的中繼和放大，擴大無線網絡的覆蓋距離。無線中繼器確保信息采集模塊發出的信號可以被監控報警主機順利接收，保障報警主機的正常報警；保證窯爐工作現場設備之間通信的可靠暢通。
3.4云平臺
云平臺是系統數據處理的后臺，云平臺上搭建有作為系統B/S架構服務器部分的云服務器，系統B/S架構的服務器選用云平臺上的云服務器，無需在本地架設本地服務器。云平臺是系統智能化的關鍵所在，在云服務器內進行窯爐外壁溫度、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、數據分析以及建模分析等，預測窯爐的壽命、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云服務器建立數據中心或者購買、租賃云服務供應商提供的服務來進行搭建，利用大數據技術、數據庫技術在云平臺上進行軟件設計。
3.5CRT監控中心
CRT監控中心內設置一套圖形管理系統，具有報警功能。在CRT監控中心的PC上連入Internet網絡獲取數據，通過Web瀏覽器可以實現對系統設備運行狀況的監控。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,監視各個采集設備的故障。當設備出現報警、電池欠壓等故障狀態時，管理人員可在Web瀏覽器上實時得到相應信息顯示，便于管理人員及時響應，大幅度提高事故處理的能力。
4實驗與結論
本文研究了基于B/S架構的智慧窯爐遠程監控保護系統，結合無線傳感技術、無線通信技術、現代電子技術、計算技術以及云計算技術，提供了一套完整、完善的系統構建方案來對窯爐進行監控和保護，系統是集溫度傳感、無線通信、微電腦控制于一體的智能化、數字化、模塊化、網絡化的新一代智慧窯爐監控保護系統。
在某公司，對該系統進行了窯爐生產現場的安裝和運行，Web瀏覽器上的監控界面如圖4所示。進行了一系列的實驗，結果表明，該系統性能穩定，運行可靠，在爐壁溫度過高和廢氣濃度過高時系統及時報警，工作人員對窯爐溫度分布場可以進行實時查看，系統對窯爐壽命的預測準確，達到了預期目標，具有實際的推廣應用意義。
參考文獻
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