工业物联网技术在煤化工企业户外大型设备监测中的应用研究

刘伟民 黄冠 曹宏伟

摘要：本研究提出了基于工业物联网的信息采集分析监测系统，设计了针对唐山中润煤化工有限公司煤焦化工艺中装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车等四大车的监测监控整体框架，实现了开发环境搭建、数据采集、数据传输、云端存储、终端显示功能。重点研发了信息采集设备、云平台应用程序等技术，并且以户外大型设备中的推焦车数据采集为例进行了测试。本研究成功构建了工业物联网系统监测平台，并在中润公司得到了顺利实施，达到了预期效果，为应用物联网技术实现煤焦化企业四大车的全面监测监控打下了坚实的基础。

Abstract： This research puts forward an information acquisition， analysis and monitoring system based on industrial Internet of Things， and designs a monitoring and monitoring framework for four major vehicles in the coal coking process of Tangshan Zhongrun Coal Chemical Co.， Ltd.， namely， coal loader， coke pusher， coke blocker and coke quenching vehicle， which realizes the construction of development environment， data acquisition， data transmission， cloud storage and terminal display functions. It focuses on the development of information acquisition equipment， cloud platform applications and other technologies， and takes the data acquisition of large outdoor equipment as an example to test. This research has successfully constructed the monitoring platform of the industrial Internet of Things system， and has been successfully implemented in Zhongrun Company. It has achieved the expected results， and laid a solid foundation for the application of Internet of Things technology to realize the comprehensive monitoring and control of the four major vehicles in coal coking enterprises.

关键词：煤化工;工业物联网技术;四大车监测监控;推焦车

Key words： coal chemical industry;Industrial Internet of Things Technology;monitoring and control of four vehicles;coke pushing vehicle

中图分类号：TN929.5;TP391.44                        文献标识码：A                                  文章編号：1006-4311（2019）31-0176-02

0  引言

物联网的发展离不开无线通信，智能移动设备，大数据，处理器，传感器等领域的快速发展。其中，特别是传感器技术的快速发展，在整合灵敏度和成本方面做得更好。在网络架构方面，基于蓝牙、Wi-Fi和LTE等协议的无线网络形式日益成熟，无线基站信号逐渐覆盖大部分城市地区。工业物联网可以帮助传统产业升级到智能化的新阶段。

1  技术方案

1.1 研究目标

在本研究中，对嵌入式主板的整体开发。通过扩展外接设备，可监测户外大型设备的实际工作状态。采集的数据可以被分析并进行汇总，传输到云服务器并在终端同步显示。通过这种方式，相关人员可以通过远程设备实时监控大型设备的生产和运行状态，从而提高生产管理效率。

1.2 外接设备选型

根据实际需求和成本考虑，主控芯片选型选择ARM内核处理器，其型号为三星S5P4418微处理器，该主控芯片是控制的核心部分，它负责主要信息的采集和操作、逻辑分析、机制执行等处理的关键环节， 具有体积小，功耗低，性能高，成本低等特点。

嵌入式处理器及主板参数本研究使用讯为公司生产的基于S5P4418微处理器的itop-4418嵌入式主板，其集成了丰富的硬件外设接口，例如USB接口，SPI接口，I2C总线接口，UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），电源管理器，PWM定时器和许多通用输入/输出GPIO（General Purpose Input Output）引脚。

1.3 操作系统的选择

在操作系统中，各种操作系统的选择应充分考虑操作系统的稳定性和兼容性，如果只为一个项目开发一个新的操作系统是非常困难的，特别是具有稳定，高效和可靠等性能，作为嵌入式操作系统，通常是配置現有的操作系统。根据分析比较，Linux系统最适合这个项目的开发。Linux被选为本设计中用于开发的嵌入式操作系统。

1.4 接口与协议制定

目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有I/O接口，有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（Universal Serial BUS，通用串行总线接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit，I2C总线）、SPI、LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号）、JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组）、PCI（Peripheral Component Interconnect，局部总线系统）、HPI（Host Port Interface，主机通信接口）等。

在推焦车上做实际测试采集三路数据，即推焦车启停信息、位置距离信息、推杆工作信息。所以对于接口的数量选择就是三个。因推焦车的启停信息在继电器下取信号，对于继电器信号的采集，因继电器上接口为TTL，所以，这一路信号的采集主要通过TTL-串口转换器与主板的串口连接。采用编码器进行位置距离信息的采集，也可采用串口与主板连接。采用工业相机抓拍推杆工作照片，关于工业相机与主板的连接问题，首先考虑到传输的是图片，其图片的数据较大，如果通过串口传输会造成很大的延迟并且会收不到图片（串口传输速率较慢），因此本研究中工业相机与主板的连接采用网口连接。

1.5 数据传输

无线通信模块设计系统采用了Quectel EC20 4G无线通信芯片，采用高通MDM9215平台。 EC20支持LTE和GSM / GPRS网络。 EC20模块封装在标准PCIe接口中，嵌入式主板主要通过usb进行通信。

1.6 云端应用

实时数据是整个煤焦化四大车监控系统的核心，数据库服务器是数据监控中心重要的组成部分，应用服务器和数据库服务器共用同一个数据库。结合现场实际情况，本研究具体实施中租用了阿里云ECS服务器，具体的配置为（2 vCPU 8 GB （I/O优化）、ecs.t5-lc1m4.large、2Mbps）。在云端搭建了数据库以及配置Web服务器。关于数据库控制器的具体实现过程分为两个步骤。首先，数据接收的具体实现是基于TCP/IP协议中HTTP协议的Socket通信。在本系统中4G发送端为客户端，数据库服务器为服务器端。客户端根据IP和端口找到服务器，服务器端接受请求并建立连接，至此完成一个数据通信通道建立。其次，在Web应用层解析数据流，并分发至Service接口，在业务逻辑层操作Service对象进行存储业务逻辑处理，然后在数据持久层操作DAO对象完成最基本的增添数据逻辑操作，建立数据库表的映射关系，最后由数据库层操作数据库完成最后的数据写入工作。

本研究中推焦车的数据采集是不定时的，采用定时发送请求的方法。当有采集的数据出现跳变或超出正常值等安全隐患时，能够对Web远程客户端的用户（包括管技人员的手机界面）发出警示信息提醒，可以远程操作，进行人为干预，避免户外大型设备运行中出现的隐患由于排查不及时影响焦化分厂正常生产。

1.7 显示终端界面

利用web前端技术，采用HTML、CSS3、JavaScript等对页面的整体布局以及逻辑关系进行相应的编写，使其可以直观的反应机房智能监控系统设计与实现设备的运转状态。对进行数据更新的部分构造出div或者相关的函数，采用JSON技术对界面的数据进行相应的更新。

2  通信协议的制定

关于协议的制定，因为传输的方式采用4G传输，所以，协议为TCP/IP协议，也就是利用socket编程，直接在串口进行网络编程。这样我们可以把串口当做一个客户端，把服务端安装在服务器上。通过直接编译Linux下的非阻塞socket编程，把串口采集的数据通过tcp协议进行传输。其次在服务器与显示端软件的协议的制定，主要是前端界面显示数据，在服务器上调用数据其用到的协议为HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）协议。

3  关键技术

本研究属于工业物联网技术在户外大型设备上的应用研究，通过对嵌入式主板及外接设备进行开发，实现了对户外大型设备运行状态以及工作状态等信息采集。同时，本研究搭建了工业物联网技术在大型设备上的监控平台，对日后功能的扩展提供了便利条件。本研究重点对于采集前端、云端服务器以及终端软件进行了设计和实现，主要关键技术如下：

①采用4G网络的移植技术，将4G模块嵌入至主板上，采用socket技术进行通信，将数据传输至云端，减少现场线路敷设。②用外接设备来对户外大型设备运行状态以及工作状态等信息进行采集，并且对外接设备进行开发，以及通讯接口的开发。③操作系统操作移植技术，主要对嵌入式Linux系统进行操作，交叉编译并且制作根文件系统。④远程监测网站开发技术，编写适合企业人员的类似于组态软件的界面，主要对PC端以及移动端进行编写，主要用到的技术有C语言、Java、JAVAWEB、HTML、CSS3、JavaScript、AJAX、JDBC等。

4  总结

本研究是基于工业物联网的探索性实际应用，旨在逐步建立对装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车四大车的全面监测监控的基于工业物联网的开发平台。所做的研究内容属于工业物联网在实际应用的起始部分，为日后实现煤化工企业户外大型设备的智能化与自动化监测监控搭建了有效的技术平台。

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