用于换热器的远程在线监测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于换热器的远程在线监测系统及方法，其中方法包括以下步骤：将无线传感器装入换热器的专用测量孔内；通过ZigBee无线传感网络将采集的传感器数据通过数据库存储；LabVIEW上位机将数据库中的传感器数据进行处理和显示；传热实验室全景三维图仿真系统建立传热实验室全景仿真三维图，包括换热器、水箱、配套设施以及设置在换热器上的传感器，模拟换热器工作，生成换热器工作动态模型；建立URL地址，通过统一数据接口将LabVIEW数据显示界面与换热器工作动态模型集中，通过远程客户端展示。本发明采用无线传感器网络技术简化布线，并可以通过访问终端，实现远程三维组态动画显示和远程进行调试。
【专利说明】用于换热器的远程在线监测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及远程监控，尤其涉及一种用于换热器的远程在线监测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 换热器是用来从热流体传递热量到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对 流传热及热传导的一种工业应用，被大量应用于热能传递、交换、转换及控制等需要。换热 器工作状态的好坏直接影响工业生产过程，因此，有必要远程在线监测换热器的温度、压力 和流量等换热介质参数，使在工业生产中分散使用的换热设备状态得以集中展示和分析处 理。
[0003] 当前，随着科学技术的发展，工业设备监测技术正从本地监测向网络监控发展，主 要经历了如下几个阶段：
[0004] (1)人工离线监测阶段
[0005] 设备维护人员或工程检测人员利用常规监测仪表或分析仪器对设备进行诊断，根 据个人经验对设备的状态以及运行趋势等做出判断。
[0006] (2)单机监测阶段
[0007] 针对单台或者单一类型的设备，建立封闭系统，状态信息和诊断知识仅供内部使 用。
[0008] (3)分布式监测阶段
[0009] 利用Intranet技术的C/S模式，把各个单机监测与故障诊断系统个性化的部分保 留不变作为企业局域网客户端，而把它们的共有部分提取出来作为企业局域网服务器，共 享资源，统一管理，也为各个单机监测与故障诊断系统的扩展提供了条件。
[0010] ⑷远程在线监测阶段
[0011] 通过互联网将不同节点上的远程资源联系起来，在监测现场和远程诊断中心之间 建立通信通道，实现资源共享、协同工作，共同完成对大型复杂设备的故障诊断与复杂问题 求解。
[0012] 于第四阶段，现有技术中普遍采用有线数据采集监测方式，但该方式存在布线繁 琐、维护困难、可视化不足等缺陷。
【发明内容】
[0013] 本发明要解决的技术问题在于针对上述缺陷，提供一种可实现远距离无线监控的 用于换热器的远程在线监测系统及方法。
[0014] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0015] 本发明提供一种用于换热器的远程在线监测方法，包括以下步骤：
[0016] 将无线传感器装入换热器的专用测量孔内；
[0017] 通过ZigBee无线传感网络将采集的传感器数据通过数据库存储；
[0018] LabVIEW上位机将数据库中的传感器数据进行处理和显示；
[0019] 传热实验室全景三维图仿真系统建立传热实验室全景仿真三维图，包括换热器、 水箱、配套设施以及设置在换热器上的传感器，并根据数据库中的传感器数据制作换热器 中流体的流动状态仿真动画，模拟换热器工作，生成换热器工作动态模型；
[0020] 建立URL地址，通过统一数据接口将LabVIEW数据显示界面与换热器工作动态模 型集中，通过远程客户端展示。
[0021] 本发明所述的方法中，无线传感器采集的数据包括压力、温度和流量。
[0022] 本发明还提供一种用于换热器的远程在线监测系统，包括ZigBee无线传感网络、 数据中心以及监控中心，其中，
[0023] ZigBee无线传感网络，用于将采集的传感器数据通过无线网络传发送给数据中 心，其中传感器安装在换热器的专用测量孔内；
[0024] 数据中心包括：
[0025] 数据库系统，用于建立数据库存储ZigBee无线传感网络发送的传感器数据；
[0026] LabVIEW上位机，用于将收到的传感器数据进行处理和显示；
[0027] 传热实验室全景三维图仿真系统，用于建立传热实验室全景仿真三维图，包括换 热器、水箱、配套设施以及设置在换热器上的传感器，并根据传感器数据制作换热器中流体 的流动状态仿真动画，模拟换热器工作，生成换热器工作动态模型；
[0028] 监控中心，用于建立URL地址，通过统一数据接口将LabVIEW数据显示界面与换热 器工作动态模型集中，通过远程客户端展示。
[0029] 本发明所述的系统中，所述无线传感器包括压力传感器、温度传感器和流量传感 器。
[0030] 本发明所述的系统中，所述ZigBee无线传感网络通过终端F8914将进行组网。
[0031] 本发明所述的系统中，所述传热实验室全景三维图仿真系统为GENESIS64三维组 态系统。
[0032] 本发明产生的有益效果是：本发明采用无线传感器网络技术简化布线，在线采集 换热器状态信息，进行远程三维组态可视化集中展示和分析处理，实现其状态监测和故障 诊断，相对于传统二维组态更加直观、方便、快捷。使用LabVIEW的浏览器访问功能，制作访 问终端，便于用户访问观察化工装备工作情况，并且可以进行调试。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0034] 图1是本发明实施例用于换热器的远程在线监测方法的流程图；
[0035] 图2是本发明实施例适用于换热器的远程在线监测系统三层结构框架图；
[0036] 图3是本发明实施例强化换热器的三维组态无线远程监控系统整体技术方案图；
[0037] 图4 (a)是本发明实施例采集结果及数据日志；
[0038] 图4(b)是本发明实施例数据结果及ZigBee组网情况；
[0039] 图5是本发明实施例中历史数据查询；
[0040] 图6是本发明实施例用户登陆程序前面板设计；
[0041] 图7是本发明实施例LabVIEW上位机将数据库中的传感器数据进行处理和显示的 界面；
[0042] 图8是本发明实施例传热实验室GraphWorX64?全景仿真设计图；
[0043] 图9是本发明实施例换热器流体流动仿真设计图。
【具体实施方式】
[0044] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0045] 本发明实施例用于换热器的远程在线监测方法，如图1所示，主要包括以下步骤：
[0046] S1、将无线传感器装入换热器的专用测量孔内；本发明实施例中，无线传感器采集 的数据主要包括换热器的压力、温度和流量。
[0047] S2、通过ZigBee无线传感网络将采集的传感器数据通过数据库存储；
[0048] S3、LabVIEW上位机将数据库中的传感器数据进行处理和显示；数据处理部分是 针对所采集的数据，开发基于LabVIEW的过程监控程序，实现网络数据与监控中心计算机 的可读写操作，对数据进行分析与处理，能够做出数据曲线等功能，并能够通过软件对换热 器进行调试控制。
[0049] S4、传热实验室全景三维图仿真系统建立传热实验室全景仿真三维图，包括换热 器、水箱、配套设施以及设置在换热器上的传感器，并根据数据库中的传感器数据制作换热 器中流体的流动状态仿真动画，模拟换热器工作，生成换热器工作动态模型；本发明实施例 中可采用ICONICS GENESIS64进行三维组态。
[0050] S5、建立URL地址，通过统一数据接口将LabVIEW数据显示界面与换热器工作动态 模型集中展示。
[0051] 本发明实施例针对换热器工作状态的远程监测需求，如图2所示，采用三层结构 来搭建系统平台。其中，底层为数据采集层，采用ZigBee无线传感网络实现换热介质温度、 压力和流量的数据采集，并基于自组网无线网络通信技术实现远程数据传输；中间层为数 据处理层，基于LabVIEW虚拟仪器平台实现远程采集数据的分析与处理，生成状态曲线，并 基于ICONICS GENESIS64软件平台，模拟现场工作过程，建立换热器的三维全景模型；上层 为监测层，设置大屏幕监控中心，远程访问数据中心，实现换热器的三维组态监控及状态曲 线的集中展示。
[0052] 本发明实施例的用于换热器的远程在线监测系统包括ZigBee无线传感网络、数 据中心以及监控中心，其中：
[0053] ZigBee无线传感网络，用于将采集的传感器数据通过无线网络传发送给数据中 心，其中传感器安装在换热器的专用测量孔内；
[0054] 数据中心包括数据库系统、LabVIEW上位机和传热实验室全景三维图仿真系统。
[0055] 数据库系统，用于建立数据库存储ZigBee无线传感网络发送的传感器数据；
[0056] LabVIEW上位机，用于将收到的传感器数据进行处理和显示；
[0057] 传热实验室全景三维图仿真系统，用于建立传热实验室全景仿真三维图，包括换 热器、水箱、配套设施以及设置在换热器上的传感器，并根据传感器数据制作换热器中流体 的流动状态仿真动画，模拟换热器工作，生成换热器工作动态模型；
[0058] 监控中心，用于建立URL地址，通过统一数据接口将LabVIEW数据显示界面与换热 器工作动态模型集中，通过远程客户端展示。
[0059] 本发明实施例的压力传感器型号为JYB-KB-CW2000,温度传感器型号为 JYB-CW2000,是北京昆仑海岸传感技术有限公司的产品，采用电池供电，具有无线通讯功 能，主要应用领域是针对野外或配套供电环境不便的场合，如输油、输汽、供暖、化工等输送 能源管道等场合进行温度监测，传输频段为2. 4GHz，主要特点如下：
[0060] 电池供电，无需现场布线方便使用；
[0061] (2)超低功耗设计，延长电池使用寿命；
[0062] (3)ZigBee无线通讯协议，抗干扰和组网能力强；
[0063] (4)金属外壳，全密封设计，保证全天候无忧作业。
[0064] 另外，由于资源不足，流量传感器采用有线传感器代替，LWGY型涡轮流量传感器， 广泛用于石油、化工、供水等行业，传感器与显示仪表配套使用。LWGY型涡轮流量传感器结 构简单，安装维护方便，性能强，利用叶轮叶片与流体流向有一定的角度工作。
[0065] ZigBe无线传感网络中的数据传输终端可采用厦门四信通信科技有限公司的 F8914,其是一种物联网无线数据终端，利用ZigBee网络实现无线数据传输功能，该产品采 用工业级应用设计，稳定可靠，标准易用，传输频段为2. 4GHz，已广泛应用于M2M行业，如 智能交通、工业自动化、公共安全、环境保护和遥感勘测等领域。本文选用F8914系列产品 F8914-E。
[0066] F8914有强大的功能，具体有以下几点：
[0067] (1)支持ZigBee无线短距离数据传输功能，具有自组网能力，自愈能力强；
[0068] (2)具备中继路由和终端设备功能；
[0069] (3)支持点对点、点对多点、对等和Mesh网络；
[0070] (4)网络容量大：65000个节点（典型个数300个）；
[0071] (5)节点类型灵活：中心节点、路由节点、终端节点可任意设置；
[0072] (6)发送模式灵活：广播发送或目标地址发送模式可选；
[0073] (7)通信距离大；
[0074] (8)提供5路1/0,可实现2路数字量输入输出；兼容2路脉冲输出、3路模拟量输 入、2路脉冲计数功能。
[0075] 可在换热现场搭建ZigBee无线传感器网络数据采集与发送硬件子系统，如图3所 示的小黑点表示所需三种类型的无线传感器，布置于需要采集数据的位置，采集状态信号， 传感器之间进行自组网数据通信，最后在汇聚节点将数据通过无线网关节点将数据上传。
[0076] 软件对传感器的数据能够实时显示和作出相应的曲线图，可从数据日志中观察传 感器的系统运行是否正常，也可查看ZigBee网络的组网情况，需与LabVIEW数据处理软件 相对应，能够服务于系统需求。本发明实施例采用C#语言，在Visual Studio环境中编写 相对简单的无线数据采集程序软件。
[0077] 本发明实施例中，整个系统跨越六层楼，换热器所在的传热实验室处于一楼，而监 控中心实验室安排至六楼，如此更可以检验无线传感器网络的实用性。在这种情况下，在四 楼以及六楼实验室外部放置两个中继ZigBee传输路由节点，在一楼和六楼实验室内部的 F8914分别起到采集传感器数据和将数据上传于PC的功能，六楼监控实验室的F8914则充 当协调器。首先，将传感器装入换热器专用测量孔内，唤醒传感器，将F8914ZigBee路由器 和协调器接入电源，然后配置相关参数，待传感器与ZigBee节点组网成功后，启动软件进 行数据采集工作，采集结果如图4(a)和图4(b)所示，相应的历史数据查询如图5。
[0078] 在数据中心可部署数据处理与分析软件子系统，如可在Visual Studio环境中采 用C#语言编写数据入库程序将换热现场上传的采集参数自动录入数据库；在LabVIEW虚拟 仪器平台上采用图形化G语言编写数据处理程序，实现信号滤波、时频域分析等信号分析 与处理功能，以及数据曲线波形、特征参数等显示功能；在ICONICS GENESIS64三维组态软 件平台采用GraphW〇rX64组件技术，模拟现场工作过程，建立换热器的三维模拟环境。
[0079] 在监控中心部署人机界面子系统，设置大屏幕，采用统一数据接口应用技术（数 据浏览器）远程访问数据中心，读取数据库中存储的由采集软件采集的数据，经过应用服 务器和运行时构架（FrameWorX)到达客户端组件，实现换热器的三维组态监控及状态曲线 的集中展示。此外，授权用户通过介入互联网的浏览器也可以访问。
[0080] 针对化工设备数据采集的目的，分析信息采集系统的功能要求，利用LabVIEW强 大的图形编程能力，主要完成一下工作：
[0081] 用户管理。用户登录、创建以及信息管理便于系统的实用以及数据采集工作的进 行。登陆界面入图6所示。
[0082] 数据采集与处理。登录进入主界面后的主要工作是对设备参数数据的采集处理， 主界面要向用户实时反馈采集到的数据，显示基本波形，数据处理并存储，能够对异常数据 报警提示，如图7所示。
[0083] 数据管理模块。与数据库结合，完成数据的存储和实现历史数据的查询。
[0084] 本发明实施例中设计的LabVIEW上位机数据采集系统可直接接收串口（也可改 为网口）上传的传感器数据，这里将数据采集软件的数据同时上传到LabVIEW数据库，即 数据库共享，进而实现波形显示及简单数据处理与报警功能。为便于用户访问控制，设计 远程用户访问极有必要，方便用户进行远程监测观察，本发明采用浏览器访问形式，即采用 WWW的方法建一个网页，调用VI程序，然后通过访问服务器IP地址，查看该VI。如输入： http :\\122· 204. 60. 53,便可实现浏览器访问。
[0085] 本发明实施例使用GraphWorX64?组件作出传热实验室全景仿真三维图，如图8所 示，包括换热器以及其他设施，然后制作换热器工作动画，模拟换热器工作，其数据来自数 据库中LabVIEW程序采集的数据。组态图中标明传感器的布置位置，动画中可以看出流体 的流动，通过运行按钮控制动画的启停。
[0086] GENESIS64中的GraphWorX64?组件可以制作相对复杂的动画效果，只要设置相应 参数，就可以较为准确的仿真出设备运行时的工作状态。对于换热器，其工作过程简单来说 就是在换热套管的内外管中流不同温度的液体，套管外层采取保温措施，这样使得套管内 外管内的液体进行热量传递，达到换热的效果。
[0087] 如图9所示，球体代表管内有液体流动，此动画液体运动方向为从左到右，点击 Runtime进入如图所示动画运行界面，点击Configure退出界面。
[0088] 本本发明的系统已经过验证实施，采集了强化换热器的主要参数，证明其切实可 行。这种无线方式可以避免在当今以有线传感方式为主的工业监控方式所存在的诸多缺 陷，对于化工生产的过程监控有一定的实用价值和应用前景。由于此种方式不需要大量人 力物力投入，繁琐复杂的布线，并且可以在恶劣的环境下工作，因此可带来相当可观的经济 效益。在对强化换热器进行数据采集时，无线范围覆盖六层楼，对一楼传热实验室的换热器 用无线传感器采集温度、压力和流量三种主要参数，通过ZigBee节点设备将数据上传到六 楼监控中心计算机，可从专用软件中看到数据变化曲线及异常警报。传输稳定，效果良好， 通过数据库共享，使用组态软件对传热实验室进行模拟监测。
[0089] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1. 一种用于换热器的远程在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤： 将无线传感器装入换热器的专用测量孔内； 通过ZigBee无线传感网络将采集的传感器数据通过数据库存储； LabVIEW上位机将数据库中的传感器数据进行处理和显示； 传热实验室全景三维图仿真系统建立传热实验室全景仿真三维图，包括换热器、水箱、 配套设施以及设置在换热器上的传感器，并根据数据库中的传感器数据制作换热器中流体 的流动状态仿真动画，模拟换热器工作，生成换热器工作动态模型； 建立URL地址，通过统一数据接口将LabVIEW数据显示界面与换热器工作动态模型集 中，通过远程客户端展示。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无线传感器采集的数据包括压力、温度和 流量。
3. -种用于换热器的远程在线监测系统，其特征在于，包括ZigBee无线传感网络、数 据中心以及监控中心，其中， ZigBee无线传感网络，用于将采集的传感器数据通过无线网络传发送给数据中心，其 中传感器安装在换热器的专用测量孔内； 数据中心包括： 数据库系统，用于建立数据库存储ZigBee无线传感网络发送的传感器数据； LabVIEW上位机，用于将收到的传感器数据进行处理和显示； 传热实验室全景三维图仿真系统，用于建立传热实验室全景仿真三维图，包括换热器、 水箱、配套设施以及设置在换热器上的传感器，并根据传感器数据制作换热器中流体的流 动状态仿真动画，模拟换热器工作，生成换热器工作动态模型； 监控中心，用于建立URL地址，通过统一数据接口将LabVIEW数据显示界面与换热器工 作动态模型集中，通过远程客户端展示。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无线传感器包括压力传感器、温度传 感器和流量传感器。
5. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述ZigBee无线传感网络通过终端 F8914将进行组网。
6. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传热实验室全景三维图仿真系统为 GENESIS64三维组态系统。
【文档编号】H04W84/18GK104123827SQ201410353242
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】陈绪兵, 单臣玉, 胡晶宇 申请人:武汉工程大学