基于Android的工業鍋爐物聯網總體架構體系研究

高 燕

(西安職業技術學院,陜西 西安 710071)

工業鍋爐在運行過程中,對鍋爐的管道要求較高,需要鍋爐的壓力、溫度、流量等參數穩定在合適的范圍內。但鍋爐的現場環境較為惡劣,傳統控制方式存在故障診斷預警能力差、穩定性低等問題。隨著我國科技的飛速發展,衍生出一種劃時代的新型網絡——物聯網,物聯網集成了計算機控制、微電子以及移動互聯網等多項技術,該技術憑借自身控制精度高、可靠性強等優勢,被廣泛應用于多個領域。將物聯網技術應用于鍋爐控制中,可實現鍋爐運行狀態的遠程監控,同時在無人值守的情況下完成鍋爐的能效監測。

1 Android操作系統平臺概述

Android操作系統實際上是一種開放性移動軟件,為移動終端專門創造,可準許所有用戶在Android操作系統中完成終端設備的開發。通過對Android操作系統的組成結構進行分析可知,該系統主要包括四部分：操作系統、用戶界面、中間件以及應用軟件。

1.1 應用程序層

Android操作系統采用Java語言作為載體,以此實現系統內部全部應用程序的編寫,該系統安裝了核心應用集合,該集合涵蓋了日歷、地圖等部分。該系統在Java語言的支持下,可有效提高程序編寫的精準性[1]。

1.2 應用程序框架層

Android操作系統內包含應用層API與傳感器兩大功能,該系統在兩種功能的支持下,有利于提高Android的兼容性。Android系統內全部應用程序均為服務與系統,例如視圖、內容供給者等。

1.3 C/C++庫

Android操作系統中包含C/C++庫集合,C/C++庫在系統的主要任務是為系統組件提供服務,通過該方式滿足開發者的實際需求,在應用程序框架的基礎上,為開發者提供幫助,便于用戶以最快的速度完成終端開發。

1.4 Android運行

Android中含有核心庫集合,可為開發者提供更多可使用的多樣性功能,該功能的使用需在Java語言核心庫中實現。不同的Android應用程序均為Dalvik虛擬機的實例,在實際運行過程中,可在系統中處于獨立狀態。

1.5 Linux內核

Android操作系統在為開發者提供核心服務時,將Linux內核作為系統的載體,Linux內核指的是安全、內存以及網絡等。Linux內核可作為硬件與軟件之間的抽象層,在實際應用過程中,為向上層提供統一化、標準化的服務,可潛藏硬件的細節部分[2]。

2 基于Android的工業鍋爐物聯網系統架構設計

通常情況下,工業鍋爐主要由空氣管路、燃氣管路、執行機構以及點火裝置等部分共同組成。本研究在建立工業鍋爐物聯網系統時,將鍋爐的運行特點以及對安全生產的實際要求作為主要依據,并充分結合物聯網系統的相關技術規范,以此實現系統的架構設計。該系統的結構如圖1所示[3]。

圖1 工業鍋爐物聯網系統整體結構圖

通過對系統的整體結構進行分析可知,該系統共包含三層,從下而上依次為控制器層、網絡服務層以及移動應用層。其中,控制器層包含多種類型的控制器,可為系統不同模塊提供相應的控制器;網絡服務層的核心設備為物聯網服務器,該設備可對鍋爐進行實時控制;移動應用層為系統的核心部分,該層結構包含了多個Android移動客戶端。

2.1 控制器層

該層結構為系統的最底層,在物聯網系統中主要負責實時采集工業鍋爐的模擬量PV數據,PV數據包括鍋爐的溫度、壓力以及流量等。本研究對該層進行設計時,將其劃分為傳感模塊、執行模塊以及網絡模塊等部分。為保證該層的控制精準性,成功采集鍋爐的PV數據后,在系統內遠程預設SV數值,并將SV數值作為主要依據,對PV與SV數值之間存在偏差進行判斷。當偏差達到系統的閾值時,需要采用PID控制算法完成偏差的計算,利用驅動執行模塊對PV與SV數值的偏差進行適當的調整,使二者處于動態平衡狀態?？刂破髟跍y量與控制工業鍋爐時,可通過RS485串口建立網絡模塊與網絡服務層之間的通信連接,通過該方式將該層采集的數據上傳至網絡服務層[4]。

2.2 網絡服務層

該層結構為物聯網系統的中間層,其核心設備為物聯網服務器,在系統中主要負責建立與控制器層的通信連接,并向移動應用層發送采集數據。在建立與控制器層的通信連接時,可通過RS485串口進行實現。通信建立過程中需要實時采集各個控制器的測量數據,采集完畢的數據應上傳至移動應用層,移動應用層可結合該數據向網絡服務層下達控制指令,由網絡服務層對執行機構進行實時控制[5]。

網絡服務層可對采集數據進行數字濾波處理,處理后的數據存儲至本地BDE數據庫中,將工業鍋爐的運行狀態以及濾波后的數據顯示在本地工藝畫面中,同時該畫面也可動態顯示鍋爐的運行參數。

2.3 移動應用層

該層為鍋爐物聯網系統的關鍵APP程序,本研究在對該結構進行設計時,將Android平臺作為設計基礎,使移動應用層可在該平臺上運行。用戶可將移動應用APP程序安裝到智能手機或者平板電腦中,便于不同的用戶隨時遠程查看鍋爐的運行情況,并對鍋爐的各項性能指標進行控制與管理。該層可使用以太網或者移動4G網絡建立通信,但鍋爐為特種設備,采用4G網絡建立通信連接時,該網絡不允許遠程控制鍋爐設備,僅支持遠程對鍋爐的運行狀態進行查看。為此,選用以太網作為系統的核心網絡,建立不同設備之間的通信[6]。

將Android平臺作為系統的載體,建立完善的物聯網系統,用戶可通過該手機端遠程查看鍋爐的運行狀態,并管理與控制鍋爐的運行參數。本研究為有效系統物聯網系統的可維護性與可擴展性,采用Modbus TCP/IP協議設計移動應用層與網絡服務層。

3 基于Android的工業鍋爐物聯網系統程序設計

3.1 控制器節點程序

控制器節點指的是物聯網系統的感知、通信以及執行部件,本研究對控制器節點程序進行誰是,將其設計成MEMS智能儀器,該儀器主要由CPU、存儲器、USB以及傳感器等部分共同組成。為保證該程序的控制精度,選用AVR單片機作為程序的CPU,該單片機內部含有增強型內置Flash,具有超高的控制精度。

控制器節點實際上是AVR單片機程序,該程序主要在C++語言的基礎上編寫,并采用多個函數對控制器節點進行循環控制。為保證物聯網系統可穩定地運行,在系統控制器中增加了Watch-Dog電路,該電路主要負責實時監測控制器對鍋爐運行狀態的控制情況。當系統控制器出現死機的現象時,系統可自動對控制器進行復位操作,最大限度地降低因控制器死機引發鍋爐發生故障的概率,有利于提高鍋爐的安全性。

3.2 IPC采集控制程序

該控制程序位于物聯網系統的中間位置,本研究在設計采集控制程序時,利用RS485串口將該程序連接至現場各個控制器中,并通過以太網將采集的控制器數據傳送至移動服務層的Android手機客戶端。網絡服務層的功能模塊如圖2所示。

圖2 網絡服務層的功能模塊框圖

該系統的軟件結構由6個模塊共同組成：串口下行通信、鍋爐工藝、數據存儲、動態曲線、PID參數以及移動上行通信模塊。在設計軟件系統時,將Borland-Delphi6.0作為系統的開發工具,該系統的運行數據均存儲在Paradox DB桌面中,同時選用Windows7專業版作為操作系統[7]。

3.3 Android平臺APP

Android平臺APP的設計為物聯網系統的關鍵部分,該APP可充分體現出鍋爐物聯網系統遠程操控的便捷性。Android平臺APP的功能模塊與網絡服務層的功能模塊內容存在一定相似性,均采用Socket完成通信程序的編程,同時也可在標準的Modbus TCP/IP協議基礎上完成編程。本研究在對Android平臺APP進行設計時,采用Socket作為APP的Client端,并采用多線程的方式完成系統編程。

APP通信Thread的實現步驟為：①將Android平臺客戶端作為主要設計對象,創建出該客戶端的Socket對象;②設置遠程服務端Socket的IP地址與Port端口號;③由客戶端向服務端發送請求指令,以此實現Connect的連接;④若客戶端成功得到服務端的連接反應,則需要向服務端發出循環讀寫交互命令,等待通信任務完畢后,即可轉入步驟⑥;⑤若客戶端未能成功接收服務端的連接反應,則需要轉到步驟①,重新在服務端建立連接,產生該現象的主要原因是通信錯誤或者連接超時;⑥關閉Socket通信連接。通信Thread的實現流程如圖3所示。

圖3 通信Thread的實現流程圖

4 基于Android的工業鍋爐物聯網系統功能實現

4.1 實時監測功能

該功能在鍋爐物聯網系統中主要負責實時監測既定范圍內鍋爐的工作狀態,監測過程中產生的數據信息可用于能效分析與性能評估。為最大限度地提升系統的能效監督管理水平,用戶在操作系統時,可將現場安裝的監測終端和網絡監管平臺作為載體,以此實現鍋爐動態數據的全方位觀察,同時可通過該功能充分了解鍋爐的運行狀態。本研究對該功能進行設計時,對于工業鍋爐相關參數與能效產生的動態變化,可采用圖形化的方式進行展示,有利于操作者對鍋爐的狀態進行適當的調整,以此維持鍋爐的穩定運行。為直接衡量鍋爐的經濟性與節能性,將鍋爐監督管理的需求作為主要依據,合理地設置參數標準值,便于用戶獲取實時數據和標準值[8]。

4.2 預警功能

當鍋爐處于運行狀態時,需要預警功能維持鍋爐的安全性。預警功能在系統中主要負責全程檢測鍋爐的排煙溫度、煙氣成分以及熱水溫度等性能指標,同時可精準判別現場設備的狀態,在發現異常傳輸的情況時,將數據上傳至物聯網系統。預警功能可在監測數據超過系統設定的閾值或者實效低于閾值時,采取相應的報警模式,提示操作人員對設備的故障進行查看。

預警功能可對閾值進行設定與更新,并且該功能可查詢和顯示報警記錄。該模塊的報警閾值由操作人員自行設定,也可將國家相關標準作為主要依據,以此完成報警閾值的設定。系統可充分結合設定值對鍋爐的運行參數進行判斷,若監測參數超過閾值時,終端可采用聲光報警的方式向工作人員發送信號,并將異常數據上傳至物聯網系統。用戶可通過Android平臺客戶端查詢歷史報警記錄,并對鍋爐的異常情況進行分析。

4.3 歷史數據管理功能

該功能在系統中主要負責管理與統計鍋爐的歷史運行數據,用戶在管理鍋爐的運行數據時,可利用物聯網系統實時查詢鍋爐的運行數據,鍋爐的能效變化趨勢可以圖形的形式呈現,便于用戶精準掌握鍋爐的能效水平。為方便用戶對鍋爐的運行與保養狀況進行全面了解,在該功能模塊內部增加了報警記錄與設備維修記錄的查詢功能。歷史數據管理功能可將用戶的需求作為主要依據,為用戶提供歷史數據報表打印的服務,用戶可在系統中根據數據的時間與類型進行自定義查詢。同時可通過表格的方式統計和選擇歷史數據[9]。

4.4 能效綜合評價功能

為進一步分析鍋爐監測數據,本研究設計了能效綜合評價功能,該功能可全方位地評價鍋爐的能效與運行管理水平。同時設計了各項指標,主要包括實時能效、能效綜合評價以及周期性能指標。為精準獲取鍋爐的實時熱效率,將監測數據作為熱效率計算的主要依據,并完成鍋爐能效的計算。當鍋爐能效與系統設定值之間存在較大差異時,系統可自動向操作人員發送報警信號,提示操作人員及時調整鍋爐運行參數。

5 結 語

本研究為實現工業鍋爐能效的在線監測,將物聯網技術作為核心技術,并將Android操作系統作為載體,設計出鍋爐物聯網系統。通過該系統對鍋爐的運行狀態進行實時監測,有利于真實地反映出鍋爐的能效,同時可提高節能診斷效率與準確性,為鍋爐的節能優化運行提供技術支撐。該系統具有可擴展性、可靠性等特點,將其應用于工業領域,可有效改變工業鍋爐的不利現狀,并且具有非常突出的實踐效果。