基于物联网技术的材料实验加热炉测控系统的设计

杨 帆，赵彤轩，王钰涌，张慧翔

（1.西北工业大学 伦敦玛丽女王大学工程学院，西安710072；2.西北工业大学 自动化学院，西安710072；3.西北工业大学 网络空间安全学院，西安710072）

材料实验加热炉是高校材料科学实验中实现材料加热工艺过程的非常重要的热工生产设备[1]。新型材料的制备、分解化合、性能改良、淬火去应力等都需要加热工艺处理，如无机非金属材料陶瓷产品的烧成、金属材料特种钢材的成型、高分子材料的合成等，都需要加热炉精确按照材料产品实验设定温度曲线进行，某型号的陶瓷辊棒材料通过加热炉烧成制备的工艺曲线如图1所示。大部分的材料实验都需要升温到一定的温度，其化学反应需要一定的时间周期，有的材料制备实验需要几天甚至几个星期，而大部分的材料加热炉烧成期间，都会产生有毒有害气体，尽管加热炉与实验室本身采取了通风排放措施，但难免会有部分气体泄漏到实验室环境中，这对参与实验的科研人员身体健康是非常有害的[2]。传统的加热炉厂家都给加热炉配备了自动化仪表控制，但这些设备仅仅是单机运行，其参数的设定与实验过程中需要科研人员人工值守在实验室中动态设定[3]，由于加热炉是高温高压实验，这对科研人员的生命健康造成了潜在的威胁。

图1 实验加热炉制备某陶瓷辊棒材料的烧成曲线Fig.1 Firing curve of certain ceramic roller material prepared by experimental heating furnace

物联网（internet of things，IoT）是万物互联的网络，它通过传感器感知目标设备的各种实时信息，并将数据通过有线的或者无线的传输媒介上传到控制中心加以分析、利用或者决策，可以实现任何时间、任何地点对目标设备精确感知与控制[4]。将物联网技术部署到材料实验加热炉上，可以使得加热炉在材料生产实验周期内的大部分时间实现远程监视、远程设参、远程调控等，这样可以大大降低科研人员的劳动强度，尽可能高的避免吸入材料制备产生的环境有害气体，提高了实验过程的安全性。

1 材料实验加热炉物联网控制架构设计

本文研究的对象是假设实验加热炉已经具备了测量控制与外界通信的数字Modbus 通信协议接口，这样才可以对其加以物联网远程安全监控。根据高校材料实验室的室内环境监测必须健康舒适，加热炉运行中尽量避免有害气体泄露长时间对科研人员健康损害；加热炉温度压力必须时刻处于安全范围的基本要求，结合物联网测量与控制的基本理论，设计出的物联网总体测控框架如图2所示，其从下至上分为4 层结构，下面分别来详细讲解各层的设计组成与功能。

图2 加热炉物联网总体测量与控制框架Fig.2 Overall measurement and control framework diagram of internet of things of heating furnace

（1）感知执行层PEL（perceptual executive layer）

它是本物联网系统的物质基础与控制目标，若材料实验加热炉是传统的单机数字化仪表控制方式，则需要通过其数字化仪表接口引出传感器信号，同时引入控制其启动、停止或者调节电流强弱的信号，这些信号通过RS232 或者RS485 的方式连接到网关节点。如果加热炉出厂时是模拟控制方式，需要对其加以接口电路改造，使其具备数字化的通信接口。大部分材料实验加热炉都有温度、压力、气氛传感器，加热炉启动运行后，可以控制其电流、燃气、燃油等能源强弱或者大小，使其加热炉的测量温度动态跟随材料产品设定温度的大小[5]。

（2）网络传输层NTL（network transport layer）

它是为每一台材料实验加热炉配备的汇聚节点，如果加热炉电路部分本身就有汇聚节点的功能且具有遵循标准的Modbus 通信接口，则可以省略该节点。NTL 主要是具备网关功能，将底层加热炉的传感信号采集过来以标准的Modbus 通信给上层传送。NTL 本身可以实现协议转换器的功能，如果加热炉本身电路数字仪表接口的协议是非标准仪表的串口通信帧格式，可以通过NTL 设备将其转换成工业上标准的Modbus 协议，方便最大程度上的互联互通。

（3）控制服务层CSL（control service layer）

它是本物联网控制系统的核心层，为一台高性能的应用程序服务器与数据库服务器二合一的工业控制计算机，它可以实现对实验室中多台加热炉实时测量与控制功能。CSL 同时跟下层的多台NTL设备进行通信，获取加热炉各传感器实时数据，同时根据实验规则对加热炉进行逻辑控制或者加热工艺控制。CSL 中的核心应用服务程序提供了丰富的人机界面以可视化的方式对所有加热炉进行实时测量与控制，同时它将采集到数据存到后台数据库服务器中。

（4）移动应用层MAL（mobile application layer）

它为本物联网系统的最高层，其基于校园网/4G/5G 的跟CSL 进行实时通信。通过MAL 层的材料实验移动终端APP（手机终端Client），可以使得科研人员在实验工艺许可的前提下远程监视与操控实验的进行，这样可以避免科研人员长时间的呆在实验室的加热炉旁边无意义的值守，最大程度减少实验人员吸入实验可能产生的有害气体[6]。

2 材料实验加热炉物联网软件设计

2.1 控制服务层CSL 中的Server 应用程序设计

控制服务层CSL 中的Server 应用程序为本物联网系统中间核心层服务程序，它采用C/S 架构设计，后台连接到数据库服务器。该应用程序设计的主要模块框图如图3所示。

图3 控制服务层CSL 中的Server 应用程序模块框图Fig.3 Block diagram of Server application module in CSL of control service layer

其设计的模块功能详细内容介绍如下：

（1）系统主控调度模块：实现中心物联网服务程序中所有其他模块运行统一调度，根据系统各模块的优先级与人机交互的实时性要求，动态创建或者销毁各模块的线程执行。

（2）系统用户登陆模块：因为实验加热炉是专用设备，只允许授权用户使用，本模块预置好相关本地与远程科研实验人员账户密码，基于角色的访问机制，使得物联网系统具有较好的安全性。

（3）下位通信采集模块：本模块实现与各加热炉的网关节点通信，它采用RS485 或者RJ45 的方式进行通信连接，通过轮询的方式实时采集各加热炉的温度、压力、气氛等传感信号，同时将调整控制命令通过本模块实时下发到各加热炉的控制执行机构。

（4）上行采集通信模块：本模块通过校园网/4G/5G 的通信连接提供给上层授权用户各加热炉运行工况数据，在工艺许可的前提下，接受移动终端APP远程用户的控制指令，通信协议为标准的Modbus TCP。

（5）加热PID 控制模块：该模块为CSL 层中的核心控制模块，它采用PID 算法实现对各加热炉目标加热温度控制，如果加热炉本身具备数字化仪表PID 控制功能，本模块可以只对其发送PID 设定值。

（6）安全逻辑控制模块：该模块实现加热炉的安全预警逻辑控制，一般来说任何加热炉所能承受的最高温度与最高压力是一定的[7]，如果超出限值肯定会发生危险，本模块通过逻辑算法对发生的超限立刻报警并发出合适的停炉指令。

（7）加热工艺画面模块：该模块实现本地人机交互画面，它将所有实验加热炉以虚拟现实的模拟画面方式呈现出来，方便用户直观查看实验现场工况数据。

（8）动态趋势曲线模块：本模块将采集到各加热炉的温度、压力、气氛以动态曲线的图形方式显示，通过曲线可以很直观的查看出该传感器的未来走势以及控制的测量与设定值的偏差大小。

（9）数据记录存储模块：该模块可以实时记录各加热炉运行过程中的采集传感器数据，使用该数据可以对实验制品后期分析提供决策支撑，同时也为后期加热炉的运行健康进行故障诊断提供依据。

（10）数据导出报表模块：该模块将所有加热炉记录数据通过标准化的接口导出常规软件数据格式如XLS，PDF 等，可以据用户需要可以输出打印报表存档。

2.2 移动应用层MAL 中的Client 终端APP 设计

本物联网系统为了极大的节约实验科研人员现场值守时间，通过设计手机终端APP 来远程控制多台实验加热炉，它可以随时观察实验加热炉的运行工控状态，如果发生超限安全预警能够快速收到消息，提高了实验加热炉运行的可靠性，避免加热炉发生故障得不到及时处理带来不必要的实验损失。移动应用层MAL 中的Client 终端APP 设计的主要模块框图如图4所示，它主要由移动应用层MAL 终端主调度模块、终端用户登陆模块、网络通信采集模块、参数查看设置模块、加热工艺画面模块、动态趋势曲线模块等组成，其功能跟控制服务层模块类似，不再重复论述。

图4 移动应用层MAL 中的Client 终端APP 模块框图Fig.4 Block diagram of Client terminal APP module in mobile application layer MAL

3 系统主要核心算法设计

3.1 数据采集数字滤波算法

随机误差（random error）一般由设备场所中窜入测量仪器的随机噪声干扰所引起的。加热炉运行过程中，因为环境因素的随机噪声干扰，采集得到的加热炉传感器的原始数据不可避免存在部分随机偏差数据，为了提高控制服务层CSL 逻辑控制的可靠性与稳定性，非常有必要在相关模块中对原始数据进行数字滤波[8]。

本系统采用工业上比较成熟的递推平均值滤波算法（recursive average filtering algorithm，RAFA），它采用先进先出原则，对周期性干扰有良好的抑制作用，滤波后平滑度高，非常适合实验加热炉数据滤波[9]，其主要思路如下：

在程序中创建一个遵循FIFO 原则的队列，队列的长度固定为N，系统周期性的每一次测量得到结果VN放入该队列队尾中，同时淘汰掉队首的V1，这样就形成了始终有N个“最新”V1，V2，…，VN数据的队列数组，计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可以得到新的滤波值，这样每进行一次测量，就可以计算得到一个新的平均滤波值，其算法数学表达式为

3.2 加热炉数字增量型PID 控制算法设计

大部分加热炉出厂时本身自带的控制方式为ON-OFF 算法，其基本思想为设定温度SV 低于测量温度PV 时，启动加热元件工作，反之停止加热元件工作。这种方式很容易引起超调、失调或者震荡。采用了物联网的控制方式后，可以将加热控制算法放入到本地控制服务层的软件中实现，采用更为复杂的PID 算法。根据PID 算法相关理论，其原始模拟PID 数学公式为

式中：KP为PID 比例参数；TI为PID 积分参数；TD为PID 微分参数；e（t）为测量PV 与设定SV 偏差；u（t）为t时刻输出控制量。

将模拟的PID 公式进行数字化转换，用累积em表示积分，用em-em-1表示微分，得到的位置型数字PID 算法公式为

对于加热炉控制如果直接采用位置型PID 算法，如果实验中设定温度周期性变化较大时，容易引起较大累积误差，使得系统输出震荡，所以需要进一步差值运算，得到如式（4）所示增量型PID 算法公式[10]：

式中：Δu（m）为PID 输出变化控制量；u（m）和u（m-1）分别为第k次的输出量和第k-1 次的输出量；em，em-1，em-2分别为第m次、第m-1 次、第m-2 次的设定值SV 与测量值PV 偏差。

3.3 系统上下层通信算法设计

为了更好地适应绝大部分加热炉厂家通信标准，采用国际上广泛使用的经典Modbus RTU 协议，该协议采用主从式应答报文数据帧格式，RS232或者RS485 方式的串口通信无论上行还是下行都包含从站号、功能码、数据、CRC16 校验码等内容[11]，其顺序与字节范围如表1所示。

表1 Modbus 协议数据帧格式Tab.1 Modbus protocol data frame format

例如控制服务层CSL 从从站为1 号加热炉的网关中读取10 号保持寄存器中温度值，其发送的查询数据帧为

［01］［03］［00］［0A］［00］［01］［CH］［CL］

如果当前温度值为100 ℃，则从站返回的数据帧为

［01］［03］［00］［0A］［00］［64］［CH］［CL］

其中CH 与CL 为16 进制的CRC16 计算的校验码的高字节与低字节。从报文的首字节（从站号）至数据区的最末字节以CRC16 方法计算出的校验和[12]。

采用C 语言实现CRC16 校验算法如下：

如果采用Modbus TCP 的方式，因为网络通信本身就内含纠错编码，需要去掉尾部的CRC16，同时头部需要加上6 个字节的网络标识。

4 系统应用开发

运用本文提出的理论与算法成功设计出高校材料实验室某型号材料实验加热炉的物联网测控系统，其本地服务器工艺程序控制软件的主画面如图5所示，该系统实现了本地自动化的控制实验加热炉的启动、停止操作，并可以进行智能PID 控制运行等功能，这大大的简化并减轻了实验操作人员的工作量，另外通过开发出配套的物联网移动客户端APP 远距离的监视其运行，极大的减少实验人员因值守本地受到加热实验排放气体的损害。

图5 本地服务器工艺程序控制主画面Fig.5 Main screen of process program control in local server

5 结语

本文提出基于4 层物联网框架设计材料实验加热炉智能测控系统，对每一层的组成、功能、关键技术等进行了详细的论述，该系统的设计与实现对于提高高校材料学科加热实验安全性有着非常重要的意义，它在一定程度上改变了传统材料实验加热炉实验必须长时间近距离现场值守的状况，有效地降低了材料加热实验科研人员的工作劳动强度，具有较好的推广应用价值。