基于GPRS的锅炉远程监测预警系统

      工业锅炉是许多制造业必不可少的设备，广泛应用在机械、化工、制药、
造纸和食品等行业。工业锅炉运行的安全直接关系到人民生命财产的安全，
锅炉事故发生往往会造成重大的经济损失和人员伤亡。因此，工业锅炉运行
的状态监测和故障预警具有重大意义。
      本文研究和设计了基于GPRS网络的锅炉远程监测预警系统，对工业锅
炉运行参数进行实时监测，并在此基础上建立模糊专家系统，对工业锅炉的
一些特定故障进行预报，达到故障预警的目的。
      本文首先对锅炉远程监测预警的研究背景、意义和目的进行了阐述，同
时对无线数据传输技术的应用现状及监测预警系统的研究现状进行了分析。
本文在工业锅炉运行现场调查和监测预警系统研究的基础上，完成了锅炉远
程监测预警系统总体方案设计。系统主要包括数据采集、数据传输和远程监
测预警平台三个部分。本文针对工业锅炉现场具体情况设计了两种不同的锅
炉数据采集仪，一种是基于变送器输出的锅炉数据采集仪，另一种是基于PLC
输出的锅炉数据采集仪。本文研究和分析了GPRS无线传输的组网结构、接
入方式和传输协议，并制定了系统通信应用层协议，实现两种锅炉数据采集
仪对不同监测对象的工业锅炉进行数据采集和远程数据传输，为监测预警平
台实现监测和故障预警提供实时运行参数。本文在分析锅炉故障具有非精确
性和不确定性特点的基础上，运用模糊数学理论，结合专家知识建立了模糊
专家系统模型。锅炉故障预警模糊专家系统采用产生式规则知识表示法对知
识库的知识进行表示，并结合SQL  Server  2000对知识库进行分类构建，采
用模糊推理方法结合正向推理策略设计了推理机。模糊专家系统根据参数的
变化特征，结合专家系统中知识库的知识，经过模糊推理，推断出工业锅炉
特定故障可能发生的程度，实现对工业锅炉的故障预警。本文用水冷壁管泄
漏实例来验证系统的正确性和有效性。同时给出了工业锅炉故障与相应故障
征兆的对应关系表，用于本文的锅炉故障预警。
    最后，本文结合Web技术，监测预警平台采用B/S架构的Web网页形
式发布工业锅炉实时运行参数和故障预警信息，相关专家也可通过网页实现
对专家系统中知识的远程管理。

    随着社会经济和生产力的不断发展，工业锅炉越来越广泛地使用在经济
建设和工业生产中，且己成为社会生产中不可缺少的生产装置和工业设备。
改革开放以来，社会经济发展有了根本性变化，危险性较高甚至涉及生命安
全的工业锅炉数量剧增〔‘〕。目前，我国在用锅炉总数己超过七十万台，其中
工业锅炉占绝大部分，并且占有比例呈越来越高的趋势。工业锅炉应用范围
也日益扩大，广泛应用在能源、机械、冶金、化工、纺织、造纸和食品等行
业，而工业锅炉安全直接关系到人民生命财产安全，是人民根本利益所在，
甚至关系到社会稳定及经济建设发展的大局。因此，为了保障工业锅炉的安
全运行以及锅炉监管部门对工业锅炉的实时监管，采用科学方式实现对工业
锅炉的实时监测预警是很重要的，同时也具有重大意义。

    随着社会经济和生产力的不断发展，工业锅炉越来越广泛地使用在经济
建设和工业生产中，且己成为社会生产中不可缺少的生产装置和工业设备。
改革开放以来，社会经济发展有了根本性变化，危险性较高甚至涉及生命安
全的工业锅炉数量剧增〔‘〕。目前，我国在用锅炉总数己超过七十万台，其中
工业锅炉占绝大部分，并且占有比例呈越来越高的趋势。工业锅炉应用范围
也日益扩大，广泛应用在能源、机械、冶金、化工、纺织、造纸和食品等行
业，而工业锅炉安全直接关系到人民生命财产安全，是人民根本利益所在，
甚至关系到社会稳定及经济建设发展的大局。因此，为了保障工业锅炉的安
全运行以及锅炉监管部门对工业锅炉的实时监管，采用科学方式实现对工业
锅炉的实时监测预警是很重要的，同时也具有重大意义。

    由于工业锅炉种类繁多，并且分散在各个企业，管理难度很大，不同使
用单位之间管理水平、使用环境、人员配备情况和专业技术能力等不同，导
致目前工业锅炉日常运行管理方面存在诸多问题，很多锅炉带病运行，存在
重大的安全事故隐患。主要存在的问题包括锅炉超负荷运行、锅炉承压部件
长期带病运行、锅炉安全附件失灵、锅炉水处理失效造成受热面结垢腐蚀等。
部分存在的问题在日常管理和巡查中不易被发觉，如果这些问题长期得不到
处理，最终会引发严重的锅炉事故。

    近年来，我国锅炉事故常常发生，己经造成重大的人员伤亡和巨大的经
济损失。国家质检总局通报中指出2011年我国锅炉事故共29起，2012年我
国锅炉事故共24起〔2, 3]0锅炉发生事故时，危害性极大，尤其锅炉爆炸往往
会造成对周围建筑、设备损毁和人员伤亡的一系列恶性事故。2012年11月
21日，陕西兴平市福瑞花园小区的锅炉发生爆炸，造成6人死亡，1人受伤，
三层楼房坍塌〔4' 0  2012年8月5日，浙江温州欧海区一皮革厂锅炉爆炸导致
13人遇难，14人受伤〔5' 0                     2012年2月22日，山西省运城市临椅县崇相西初
中学校发生锅炉爆炸，造成1死6伤，锅炉房成为一片废墟[6]0
      因此，工业锅炉的安全问题更值得我们关注，要做到工业锅炉安全运行，
预防锅炉事故发生，减少或避免重大经济损失和人员伤亡，除了操作人员正
确操作之外，还必须对工业锅炉进行实时监测和故障预警。随着科学技术发
展以及对生命安全的保障，开展工业锅炉远程监测预警系统的研究与设计是
迫切需要的，把现代信息技术注入到工业锅炉监测管理中，提供实时、准确
的信息处理能力，提高工业锅炉监测预警的质量，完善锅炉事故的预防机制，
为企业安全生产提供科学的保障，同时为锅炉监管部门提供先进的监测管理
手段。
    本文课题来源于湖南大学旭田电子研究所与广州钢铁集团的合作项目，
该项目己申报广州市产学研合作重点项目基金。本文主要是针对工业锅炉建
立一套远程监测预警系统，将工业锅炉运行参数实时采集并传输到监测预警
平台，监测预警平台通过模糊专家系统对工业锅炉实时运行参数进行分析，
并将工业锅炉实时运行参数和故障预警信息以Web网页形式发布出去，相关
企业和人员可通过浏览器查看工业锅炉运行情况和故障预警信息，来预防工
业锅炉事故的发生。

    传统的锅炉监管部门对某一工业锅炉监测，都必须到工业锅炉运行现
场，这往往费时费力，效率不高，且对工业锅炉安全监管的效果不好。其主
要有以下不足:一是间断性，不能实时地掌握工业锅炉的运行情况;二是无
法对工业锅炉事故的发生做到预警。同时，相关企业对自己使用的工业锅炉
情况也不甚了解，企业很多时候是把精力放在生产上，一般情况下，只要工
业锅炉能运行，就不会去分析了解它，这对工业锅炉的运行埋下了很多安全
隐患。
    为了保障工业锅炉安全运行，预防工业锅炉爆炸等事故的发生，需要对
工业锅炉做出及时、科学的监测预警。锅炉远程监测预警系统可克服以上不
足，实现工业锅炉的实时远程监测，并能对工业锅炉故障进行预警，主要达
到以下几个目的:
      (1>为企业生产和管理提供依据，提前发现工业锅炉的相关问题，并
及时解决从而达到工业锅炉安全运行生产的目的。
      (2>为企业对工业锅炉合理的运行提供准确、及时信息，让企业对自
己工业锅炉运行状况有更好的了解。同时，企业可根据系统提供的信息进行
节能降耗分析，达到节能减排、降低成本和提高效益的目的。
      (3)为锅炉监管部门提供一个简洁有效的工业锅炉监测管理平台，大
幅度降低人力物力的投入，有效的提高锅炉监管部门对工业锅炉安全管理的
水平和效率。
      (4)积极响应国家提出的两化融合战略思想，有利于企业和锅炉监管
部门信息化整体技术水平提高，进一步推动运用**技术改造传统产业管理
模式，真正实现科学发展。

    锅炉远程监测预警系统是形成对工业锅炉连续在线监测和故障预警的
一套综合性系统，实现工业锅炉运行参数的实时监测，并通过监测预警平台
对工业锅炉实时运行参数进行分析和处理，实现工业锅炉故障预警。监测预
警平台采用B/S架构的网页形式发布工业锅炉实时运行参数和相关故障预警
信息，相关企业和用户可随时随地通过Web浏览器查看，达到安全生产的目
的。
    对锅炉远程监测预警系统的研究，是为了对工业锅炉进行有效的安全管
理，同时对工业锅炉故障做出预警判断，让企业及早发现故障存在的可能性，
最大限度降低锅炉事故的发生及减少事故发生所造成的损失，同时为锅炉监
管部门提供一个工业锅炉安全监管平台。

    通信传输是数据传输的途径和手段，通信链路有无线和有线两种方式〔7〕。
无线通信是指不通过线缆仅利用电磁波进行的通信方式。高效的通讯方式是
实现锅炉远程监测预警准确性及实时性的重要保障〔8]。本文中系统监测的工
业锅炉分布广泛，采用有线通信方式，需要投入大量资金和人力建设通信设
施，建设时间长，遇到特殊情况布线难，若增加新用户，则需要重新布线，
若通信线路出现故障，维护起来也需要大量人力和物力，并很难及时找出故
障点。而无线通信方式具有建设通信系统周期短、投资少、安装调试简单、
扩展性好等特点，需要增加新用户时只需增加相应的无线通信设备。无线通
信具有维护简单、省力省时、方便快捷等优点，因此系统设计中采用无线通
信方式。
    通用分组无线业务(General Packet Radio Service  GPRS)技术是一种
标准化的数据分组交换业务，是在原来全球移动通信系统(Global System for
Mobile Communication,  GSM)的基础上发展起来的，常用于无线通信〔9, 10]0
移动平台的无线通信具有覆盖范围广、无需设通信电缆、可跨区域、组网灵
活、开发周期短、投资和维护费用少、可靠性高及实时性好的特点，广泛应
用在环保监测、移动POS收银机、远程抄表和工业控制等领域，己经成为主
流无线通信技术之一。更重要的是，随着GPRS技术的不断发展，可为锅炉
监测预警系统提供的服务越来越多，服务质量也越来越高。

      目前，GPRS技术己应用到各个领域，并开发了各种丰富的业务，比较
成熟的应用有:
      (1>远程监测业务〔川
    GPRS网络具有永远在线、覆盖范围广及无线实时传输优点，在气象、
环保、电力、水利等部门都常用GPRS实现数据传输。
      (2)结合GPS定位技术，提供移动定位服务
    GPRS技术和GPS技术相结合应用在远程车载监控和车载定位导航系统
中，具有较高的精确度和很强的信息处理能力。
      (3)结合Internet业务，实现Web浏览，收发Email等功能
    GPRS移动数据通信接入移动Internet，使得人们可随时随地的收发
Email、访问Internet等，不再受地域和时间限制，受到广大消费者欢迎。

    设备状态监测是指通过安装在设备上或者设备附近的传感器获取设备
的温度、压力、振动、电流、流量等信号参数，以掌握设备在使用及运行过
程中的状态，确定局部或整体是否正常，尽早或提前发现故障及可能导致故
障的原因，并预报故障的发展趋势。
    设备状态监测系统结构模式主要有三种:单机监测诊断系统、分布式监
测诊断系统及基于网络的远程监测诊断系统〔12]。单机监测诊断系统是每台机
器都有一套监测系统，该模式工作效率低，且不具备开放性。在设备大型化、
生产规模扩大及公司全球化的客观要求下，分布式监测诊断系统诞生了。分
布式监测诊断系统是指设备通过分布监控，集中管理、操作和诊断，但该模
式不能有效进行资源信息的共享。基于网络的远程监测诊断系统是指通过网
络将监测诊断现场及诊断中心连接在一起，构成一个开放式系统，对资源信
息进行有效的共享〔13]0

      (1)国外研究发展及现状
    麻省理工学院与斯坦福大学在1997年联合举办了首届基于Internet远程
诊断技术研讨会〔14]，并在不久后，开始了基于Internet下一代远程诊断技术
研究计划，建立了远程诊断示范体系。2004年，Huei-Shyang  You等人提出
了先进设备检测诊断系统框架AP C S uite-ECMXp ert，主要由设备状态监测系
统及高级过程控制工具箱等组成〔15'。   20120年，Hana Lee等人采用隐马尔可
夫模型(HMM)和马尔可夫跳跃系统(MJS)实现对随机过程信号的故障监
测〔16]。
    在工程应用领域，美国LLC和Impact Technologies公司联合开发的
LM2500 MGTs系统己安装在美军的DDG级驱逐舰上使用，实现对船舰动力
和传动系统的实时监测与健康管理〔‘刘。日本三菱公司开发了旋转机械健康管
理系统(Machinery Health Monitoring,  MHM。美国西屋公司研发了移动诊
断中心(Mobile  Diagnosis  Center,  MDC ) o  FLENDER公司开发了Gear
Controlle:产品，将其应用在动力设备的远程监测诊断中〔18]。日本Mazak公
司对数控设备研发了Fusion640系统，其具有远程监测诊断功能〔19]0

(2)国内研究发展及现状
在国内，对于设备状态监测也进行了大量研究，并将理论与工程应用相
结合，加快了设备状态监测技术发展。2000年，上海同济大学和德国Schueler
公司合作开发了基于Internet多层子系统分布式结构远程服务系统，主要针
对上海大众汽车有限公司冲压生产线实现监测〔z0' 0 2002年，北京化工大学袁
洪芳构建了设备远程故障诊断系统总体框架，建立了长春55研究所FMS国
家重点实验室设备的远程故障诊断系统〔2l' 0 2004年，武汉科技大学李公法运
用ADO,  ASP,  JSP,  SQL数据库、SOAP/Web Service,  CORBA等技术，用
C++ Builde:研发了一套轧机试验台远程在线监测故障诊断软件系统〔2z' 0 2006
年，华北电力大学李红构建了神经网络故障诊断系统，开发了B/S模式机组
远程振动监测故障诊断系统，实现基于频谱征兆的远程故障诊断〔z3'。   20090
年，吉林大学以田地教授为首的工作组开发了大型科学仪器工作状态远程监
测系统〔z4' 0 2011年，西安大学洪宝康等人采用云台控制和工业无线网络构建
了对大型旋转设备的监测系统〔z5' 0 2012年，郑州大学的薛伟构建了基于物联
网的远程设备监测系统〔z0'。   20120年，华中科技大学杨贤建立了基于RIA的
水电站远程监测诊断系统〔27〕0

    设备故障风险的相关分析主要内容包括风险识别、评价、量度、控制及
预测等，综合起来就形成了风险管理。随着社会的发展，对设备运行过程的
风险控制要求不断提高，国内外都对风险管理有一定的研究。
      (1)国外研究发展及现状
    国外在设备风险分析领域的研究开展较早，有较多的研究成果。2002年，
Tixier J等人综述了六十多种自1992年以来出现的工业风险分析方法，并以
概率论、确定性、定量、定性对其进行归类〔28]。传统FMEA理论依靠知识经
验或主观判断对检测度、发生频度、后果严重度进行评分量化，改进风险顺
序数一直都是重点研究对象〔29,30]。随着计算机数据采集技术的发展，概率风
险评价技术方法及改进技术得到了进一步重视和发展。综合性分析模型是风
险分析的发展趋势，它是在定性及定量的基础上，融合了多种学科的理论对
其进行优化〔31,32]0

    美国机械工程协会在20世纪80年代意识到风险分析方法的重要性，研
究了如何选择风险分析方法来制定监测与试验指导标准〔33]。网格运算、数据
挖掘及融合、有限元分析等技术广泛应用在金融风险预测、设备灾害、自然
灾害等方面〔34]。      20010年，COX最先提出比例风险模型，利用实时监测数据
及统计数据来得到设备风险评价〔35] 0   2006年，Sun Y等人提出比例协变量模
型，在历史失效数据极少甚至为零时，也能实现设备风险估计〔36]。     20100年，
Hugh提出了基于无线网络平台的动态故障诊断、识别和容错控制系统〔37]0
2011年，Xu等人提出的基于负荷变化来修正故障率的故障动态风险模型〔38]0

    我国对风险分析的研究起步较晚，对锅炉设备等大型设备的风险理论研
究还不足。国内对风险预测的研究主要集中在运行数据的分析模型及工具
上，包括新陈代谢预测模型、灰色理论模型、支持向量机、Matlab神经网络
等，根据各自的特点应用于不同类型的预测对象〔40' 0 2007年，吴洪飞对三峡
左岸电站供水系统进行了运行风险分析，给出了可能发生的故障以及对策
X41' 0 2008年，董玉亮等人采用风险分析结论选出电站设备的维修范围，用最
小期望的故障维修费用作为目标函数进行维修决策〔4z' 0 2012年，华北电力大
学陈昆亮设计开发了一个基于征兆异动搜索、采用灰色加权一AR组合预测的
汽轮发电机组状态监测和故障预警平台〔43' 0 2012年，郭丽娟等人开发了基于
风险的状态检修辅助决策系统，并应用于广西电网〔44]0

      国内外的锅炉远程监测预警系统较少，一般都是锅炉的远程监控或者对
某个锅炉的故障诊断，对多个工业锅炉的远程监测预警系统很少见。1999年，
吴并臻等人通过利用公用电话系统及工业控制机构成了锅炉远程监控系统，
该系统是以克拉玛依石油供热公司为工程背景，采用星型网络，实现对多个
分散的，远距离的锅炉运行状况进行监控〔45'。   20030年，Seung Jon Lee等人
采用C/S网络结构设计了基于Internet锅炉远程监控系统，提高了锅炉监控
系统操作的可用性及灵活性〔46]。    20000年，任冰利用GPRS技术和组态软件，
开发了一种基于B/S网络架构的锅炉远程监控系统〔4`' 0 2009年，成贵学等人
利用GPRS  DTU和力控组态软件开发了基于Web的锅炉风粉远程监控系统
X48' 0  2012年，胡佰龙提出了一种基于Internet和组态软件的多级网络锅炉实
时监测系统，用于对大范围锅炉集群的运行状况监测和管理〔49]。但是这些系
统都只是对锅炉的远程监测或监控，没有对锅炉故障形成预警，也没有构建
一个完整的锅炉监测预警系统。

    第一章介绍锅炉远程监测预警系统的研究背景、意义、目的及课题来源，
同时阐述了无线数据传输技术的应用现状和国内外远程监测预警系统的研
究现状。
    第二章主要介绍锅炉远程监测预警系统总体设计方案和系统整体结构，
主要包括锅炉数据采集、数据传输和监测预警平台三部分，并对各部分进行
简单说明。
    第三章主要介绍两种锅炉数据采集仪的详细设计以及GPRS无线通信系
统设计。
    第四章研究锅炉故障预警模糊专家系统的构建，包括各部分组成及系统
的工作原理等，并以水冷壁管泄漏故障进行实例验证说明。
    第五章介绍B/S模式，以及基于B/S模式的锅炉监测预警系统平台软件
设计。并说明软件各模块的功能、应用等。
    结论阐述了本文的研究成果和不足之处，并对锅炉远程监测预警系统发
展方向进行展望与探索。
    本文构建了完整的工业锅炉远程监测预警系统，根据不同锅炉现场设计
两种不同的锅炉数据采集仪，本文采用人机界面(Human Machine Interface
HMI)和数据传输单元(Data Transfer Unit  DTU)在不改变PLC程序基础
上实现锅炉数据采集。系统采用GPRS传输方式，利用模糊专家系统对工业
锅炉故障进行预警，并采用B/S架构的Web网页形式发布工业锅炉实时运行
参数和故障预警信息，确保工业锅炉安全运行。

    根据系统所规定的要求和功能，本文监测预警系统借鉴工业领域监测系
统的经验，尽量使用先进设备和技术，使系统技术先进、安全可靠、经济合
理、符合国家相关政策及法规、性价比高、实用性强、便于管理及监测预警
fso, sil。系统应具有设计标准化、易于扩充、配置灵活、使用方便、功能强大、
维护费用低等特点。因此系统总体设计主要遵循以下几点原则:
      (      1)实用性和经济性原则
    本文设计的系统是面向工程应用，有很实际的工程应用背景，要求有很
好的实用性和经济性，在对器件和设备选型时，要满足工业现场使用条件，
且能很好的实现系统功能，在此基础上考虑比较经济的产品，遵循实用性和
经济性最优原则。
      (2)稳定性和可靠性原则
    在系统设计时，从系统结构、设备性能、技术措施、传输协议、硬件平
台、操作系统、数据库及软件系统等方面着手来确保整个系统稳定性和可靠
J陛。
      (3)易维护性和可扩展性
    在系统设计时，考虑到系统维护和扩展等方面，系统设计结构清晰明了，
支持远程监测点的增加而无需改变太多的硬件设备等，易于后期日常维护，
为系统进一步扩充与扩展提供很大灵活性和自由度。
    为实现对工业锅炉的远程监测预警，满足监测准确性、实时性和网络化
的要求，在广泛调研的基础上，本文提出以下锅炉远程监测预警系统的设计
思路，在设计中采用模块化思想，把系统分成三个子系统:锅炉数据采集、
数据传输与监测预警平台。其结构如图2.1所示。

    锅炉远程监测预警系统的建立主要是为了通过科学的数据采集和传输
方式，让监测预警平台获得准确的工业锅炉实时运行参数，从而为工业锅炉
故障预警提供数据支持及有效决策。因此，针对工业锅炉对象进行合理的分
析，本文设计了相应的数据采集方式和合理的传输方式，保证监测数据的实
效性和准确性。
      (1)数据采集方式
    根据对相关企业工业锅炉现场调研和合作方的要求，针对不同工业锅炉
现场，本文设计了两种锅炉数据采集仪。下面对这两种锅炉数据采集仪进行
简单介绍，并分别命名以示区别。
    基于变送器输出的锅炉数据采集仪是根据工业锅炉现场变送器输出都
是4}20mA模拟量信号设计的，完成接收变送器输出信号并进行后续处理，
再经过GPRS模块发送至监测预警平台。该锅炉数据采集仪具有16路工业标
准电流信号4}20mA模拟量和8路开关量的采集接口。
    基于PLC输出的锅炉数据采集仪是针对工业锅炉现场己经采用PLC控
制器，并且工业锅炉运行参数己采集到PLC中的情况进行设计的，在不改变
工业锅炉现场PLC程序的基础上，将PLC中工业锅炉实时运行数据读取出
来，再经传输系统发送至监测预警平台。