一种催化剂焙烧设备物联网综合智能在线监控系统和方法

1.本发明涉及一种催化剂焙烧设备监控系统和方法，具体的说涉及一种催化剂焙烧设备物联网综合智能在线监控系统和方法。


背景技术：

2.催化剂在石油炼制、合成材料、合成氨、环保等领域有广泛的应用。据统计，在现代化工领域，约有90％的化工生产过程使用催化剂，目的是加快反应速率，提高生产效率。因此催化剂的生产和研发工作在现代化工领域占有极其重要的位置。作为一种具备特定组成和结构的合成功能材料，大部分催化剂的生产和研发的多个工艺过程都需用到焙烧设备，如催化剂载体需在焙烧设备中，在一定的升降温速率、气体流量和压力条件下完成化学组分的转化；另外，催化剂的活性组分大都具备特定组成和结构，其形成过程不但需要焙烧设备能精确控制升降温速率和过程温度，还需要能精确调控所通气体的流量、压力等工作状态指标参数。因此，焙烧设备的工作状态指标参数的控制系统和方法对催化剂的研制及生产过程有重要影响，是确保催化剂质量可靠性和批次一致性的重要手段。
3.虽然，现阶段催化剂焙烧设备的温度和所通气体的自动化控制大都采用具备ai型pid调节功能的人工智能仪表来进行，能基本上实现零超调和零欠调，但是，由于一台仪表只能控制一个参数点，一套催化剂焙烧设备需要几台，甚至数十台仪表进行控制，操作起来非常繁琐，很容易产生遗漏或误操作。还有，这类仪表需要人在现场值守，手动采集记录过程参数，工作量大，效率低且容易出现误记或漏记。由于催化剂焙烧过程耗时较长，有的甚至需要数十小时，靠人力在现场值守，人工成本高，劳动效率低。更为重要的是，由于催化剂焙烧过程涉及氢气、氧气、氮氧化物、so2、烟尘等易燃易爆或有毒有害气体，对现场工作人员人身安全和身体健康构成极大威胁。
4.随着物联网，数据透传、云服务器等技术的发展，人类社会逐渐进入万物互联的时代，需要人们探索如何在催化剂焙烧设备的控制系统和方法中使用上述技术，把人类从繁杂、重复、低效、危险和有害的劳动中解放出来。
5.现在，虽然有的催化剂焙烧设备使用数据采集与控制单元对各类智能仪表进行集中控制与数据处理，但没有联入物联网云服务平台，无法实现远程监控和数据共享；虽然有的催化剂焙烧设备的智能仪表可与物联网云服务平台实现互联，但都是单台仪表独立联接物联网云服务平台，控制不同种类的参数需要登录不同的程序界面，无法实现综合智能在线监控。


技术实现要素：

6.针对上述问题和现有技术的不足，本发明提供一种催化剂焙烧设备物联网综合智能在线监控系统和方法，具备控制精确、便于操作、焙烧过程数据参数可追溯，可共享、无需人长期现场值守，节省人力成本，提高劳动效率、降低安全隐患和职业危害等优点。
7.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种催化剂焙烧设备物联网综合智
能在线监控系统，包括：
8.感应单元、执行单元、智能仪表单元、数据采集与控制单元、数据传输单元、物联网云服务平台和远程终端设备；
9.所述感应单元，用于采集催化剂焙烧设备的温度、流量和压力的模拟信号传递给智能仪表单元；
10.所述智能仪表单元，用于将模拟信号转换成数字信号，并通过pid控制得到反馈信号传递给执行单元，并将数字信号通过通信协议传递给数据采集与控制单元；
11.所述执行单元，用于依据接收到的反馈信号对催化剂焙烧设备温度、气体流量和压力进行调节；
12.所述数据采集与控制单元，用于接收和存储接收到的数据，并以图表、曲线、动画中的至少一种形式进行显示，并将数据通过串口传输给数据传输单元；设定智能仪表单元的控制信息，并通过通讯协议将控制信息实时传递给智能仪表单元；
13.所述数据传输单元，用于把串口数据转换成ip数据并通过网络传送给物联网云服务平台；
14.所述物联网云服务平台，用于对接收到的数据进行处理，远程终端设备通过网络登录物联网云服务平台实时查看和下载数据；
15.所述远程终端设备，用于通过网络登录物联网云服务平台实时查看和下载数据。
16.所述催化剂焙烧设备为炉体，炉体中部设有炉腔，炉腔内侧有设进气口、测温孔和出气口，炉腔外侧设有电加热元件。
17.所述感应单元包括温度传感器、压力传感器、流量控制器；
18.所述温度传感器位于炉腔的测温孔中，其信号输出端与温度控制仪表的信号输入端相连；
19.所述流量传感器设于在炉腔进气口前的进气管路上，流量传感器的信号输出线连接流量控制仪表的信号输入端口；
20.所述压力传感器设于炉腔出气口后的出气管路上，压力传感器的信号线连接压力控制仪表的信号输入端口。
21.所述智能仪表单元包括温度控制仪表、压力控制仪表、流量控制仪表；
22.所述温度控制仪表的反馈信号输出端与可控硅的控制端相连；
23.所述压力控制仪表的反馈信号输出端与调压调节阀的控制线连接；
24.所述流量控制仪表的反馈信号输出端与流量控制器的控制线连接。
25.所述执行单元包括可控硅、流量控制器和调压控制阀；
26.所述可控硅与电加热组件串联，用于控制电加热组件是否加热；
27.所述流量控制器设于炉腔进气口前的进气管路上；
28.所述调压控制阀设于炉腔出气口后的出气管路上。
29.所述催化剂焙烧设备的炉腔为管式或箱式，所述智能仪表单元、数据采集与控制单元、数据传输单元设于控制柜中，所述控制柜位于炉体中并通过保温层与炉腔相隔，或者位于炉体外。
30.所述数据采集与控制单元为安装有组态软件的嵌入式触控屏。
31.所述数据传输单元为有线数据传输设备或者无线数据传输设备，为dtu/4g、dtu/
3g、dtu/2.5g,dtu/nb-iot、串口服务器、工业路由器、plc云网关中的一种。
32.一种催化剂焙烧设备物联网综合智能在线监控的方法，包括如下步骤：
33.通过感应单元采集催化剂焙烧设备的温度、流量和压力的模拟信号传递给智能仪表单元，智能仪表单元把模拟信号转换成数字信号并通过pid控制得到反馈信号传递给执行单元，执行单元依据接收到的反馈信号对催化剂焙烧设备温度、气体流量和压力进行调节；
34.智能仪表单元把数字信号通过通信协议传递给数据采集与控制单元，数据采集与控制单元接收和存储接收到的数据并以图表、曲线、动画中的至少一种形式进行显示；通过数据采集与控制单元设定智能仪表单元的控制信息，并通过通讯协议将控制信息实时传递给智能仪表单元；
35.数据采集与控制单元把采集到的数据通过串口传输给数据传输单元，数据传输单元把串口数据转换成ip数据并通过网络传送给物联网云服务平台；物联网云服务平台对接收到的数据进行处理，远程终端设备通过网络登录物联网云服务平台实时查看和下载数据。
36.包括如下步骤：
37.通过远程终端设备登录物联网云服务平台，设置控制智能仪表单元的操控指令，操控指令通过网络传输给数据传输单元，数据传输单元把ip数据形式的操控指令转变为串口数据后经数据采集与控制单元传递给智能仪表单元，智能仪表单元根据操控指令执行动作。
38.本发明具有以下有益效果及优点：
39.本发明以安装组态软件的工控机作为数据采集与控制单元，把催化剂焙烧设备不同类型的所有仪表集中到同一程序的相关界面中进行集中监控，简化了操作流程，实现了仪表实时数据的自动化采集和存储、历史数据报表的自动生成、数据以动画曲线方式形象呈现等功能，具有操作简便、自动化程度高、不易出错、一位操作人员就可控制多台设备，节省人力成本等优点。通过数据采集与控制单元，本发明可实现对催化剂焙烧全过程实时数据的可追溯，满足质量管理体系iso9001要求，有利于提高产品质量的可靠性和批次一致性。
40.本发明通过物联网云服务平台实现催化剂焙烧设备与pc、手机、pda等远程固定或移动终端的互联互通，利用物联网云服务平台强大的设备组织管理、数据存储和计算处理能力，不用在远程终端上安装专用app软件，通过微信、www浏览器等常用软件，零编程即可在远程实现对催化剂焙烧设备的操控、数据查看和报警信息接收。一方面解决了需要人员长期现场值守问题，不但可提高劳动效率，还使操作人员能脱离危险和有害的工作环境，降低了安全风险，提高职业卫生健康水平；另一方面，通过物联网云服务平台，可实现实时数据共享,有利于管理人员、科研人员和操作人员共同分析问题，改进产品，提高质量。另外，本发明的数据传输单元可使用无线通讯模块，不需要布置网线即可连接物联网云服务平台，使用地点灵活，不受使用场所联网设施的限制。
附图说明
41.图1为本发明实施例的一种催化剂焙烧设备物联网综合智能在线监控系统和方法
的结构示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
43.实施例，如图1，一种催化剂焙烧设备物联网综合智能在线监控系统，该系统包括催化剂焙烧设备、感应单元、执行单元、智能仪表单元、数据采集与控制单元、数据传输单元、物联网云服务平台和远程终端设备。所述催化剂焙烧设备有炉体和控制柜组成,所述感应单元由温度传感器、压力传感器和流量传感器组成，所述智能仪表单元位于控制柜中并由温度控制仪表、压力控制仪表和流量控制仪表组成,所述执行单元由可控硅模块、流量控制器和调压控制阀组成。炉腔位于炉体的中部，炉腔内侧有进气口、测温孔和出气口，炉腔外侧有电加热元件。温度传感器位于炉腔的测温孔中，其信号输出端与温度控制仪表的信号输入端相连，温度控制仪表的反馈信号输出端口与可控硅的控制端口相连，可控硅位于控制柜中并串联在电加热组件的供电电路中。流量控制器和流量传感器均位于控制柜中并依次串联在炉腔进气口前的进气管路上，流量传感器的信号输出线连接流量控制仪表的信号输入端口，流量控制器的控制线连接流量控制仪表的反馈信号输出端口。压力传感器和调压控制阀依次串联在炉腔出气口后的出气管路上，压力传感器的信号线连接压力控制仪表的信号输入端口，压力调节阀的控制线连接压力控制仪表的反馈信号输出端口。所述数据采集与控制单元位于控制柜中，智能仪表单元内的所有智能仪表以并联方式接入数据采集与控制单元的com端口；所述数据传输单元位于控制柜中并与数据采集与控制单元的com端口相连；所述物联网云服务平台位于远程服务器中并通过数据传输单元与数据采集与控制单元通讯连接；所述远程终端设备可位于有网络连接的任何地方通过访问物联网云服务平台实现对催化剂焙烧设备的综合智能在线监控。
44.所述催化剂焙烧设备的炉腔可为管式或箱式，所述控制柜可位于炉体中并通过保温层与炉腔相隔，也可位于炉体外。
45.所述温度传感器为热电偶，用于把催化剂焙烧设备的温度信号转变成电信号传递给温度控制仪表；压力传感器用于把催化剂焙烧设备的压力信号转换成电信号输出给压力控制仪表，流量传感器用于检所通气体介质的流量参数并将其转换为电信号输出到流量控制仪表
46.所述控制仪表包括可编程逻辑控制器,ai智能仪表等中的一种或两种,各智能仪表采用ai人工智能pid调节算法，可实现控制过程的零超调和零欠调。
47.所述可控硅模块可根据温度控制仪表的输出信号，通过控制加热电流的大小和通断来控制催化剂焙烧设备的温度，压力调节阀可根据压力控制仪表的输出信号调节催化剂焙烧设备的压力，可调节电磁阀可根据流量控制仪表的输出信号控制催化剂焙烧设备中所通气体的流量。
48.所述数据采集与控制单元为安装有组态软件的嵌入式触控屏。本实施例中所述嵌入式触控屏为高性能嵌入式一体化触摸屏，安装有mcgs嵌入式组态软件(运行版)，能同时对所有智能仪表进行数据采集、组织和存储处理，并以动画显示、报警处理、和报表输出等多种方式对催化剂焙烧过程进行一站式集中监控。
49.所述数据传输单元包括有线数据传输设备和无线数据传输设备，为dtu/4g、dtu/
3g、dtu/2.5g,dtu/nb-iot；串口服务器、工业路由器、plc云网关中的一种。所述数据传输单元用于将串口数据转换为ip数据或将ip数据转换为串口数据并通过有线或无线通信网络进行数据传送。
50.所述物联网云服务平台包括有人物联网平台、thingworx 8iot平台、百度物接入iot hub、qq物联、阿里云等中的一种。物联网云服务平台能提供设备通信、设备管理、数据存储、安全管理和人工智能处理等功能。
51.本实施例通过感应单元、执行单元和智能仪表单元组成自动化控制层，实现对催化剂焙烧设备的自动化智能控制；通过数据采集与控制单元组成本地监控层，实现对所有智能化仪表的一站式集中管理和监控；通过数据传输单元、物联网云服务平台和远程终端设备组成物联网监控层，实现对催化剂焙烧设备的物联网综合智能在线监控。
52.一种催化剂焙烧设备物联网综合智能在线监控的方法，包括如下步骤：
53.(1)设置用于自动控制催化剂焙烧设备升降温过程的温度传感器、温度控制仪表和可控硅；设置用于自动控制催化剂焙烧设备所通气体流量的质量流量计、流量控制仪表和可调节电磁阀；设置用于自动控制催化剂焙烧设备焙烧气体压力的压力传感器、压力控制仪表和调压控制阀；设置用于集中监控所有控制仪表的数据采集与控制单元；设置用于把数据采集与控制单元接入物联网云服务器的数据传输单元；设置用于在云端接收、存储和计算处理数据及组织、操控、管理控制仪表的物联网云服务器；设置用于在远程查看、下载数据和输入操控指令的远程终端设备。
54.(2)感应单元把催化剂被设备的温度、流量和压力等模拟信号传递给智能仪表单元，智能仪表单元把模拟信号转换成数字信号并通过pid智能调节计算获得反馈信号。智能仪表单元把反馈信号传递给执行单元，执行单元依据接收到的反馈信号对催化剂焙烧设备温度、气体流量和压力进行调节。
55.(3)智能仪表单元的各智能仪表把数字信号通过通信协议传递给数据采集与控制单元，数据采集与控制单元接收和存储接收到数据并以图表、曲线、动画等形式显示在仪表界面、实时曲线界面、历史曲线界面和历史数据表格界面中。通过数据采集与控制单元的仪表界面，可以输入仪表程序的运行、停止、保持、设定及报警值等控制信息，数据采集与控制单元通过通讯协议将控制信信息实时传递给各控制仪表。
56.(4)数据采集与监控单元可把采集到实时数据通过com口传输给数据传输单元，数据传输单元把com口数据转换成ip数据并通过网络传送给物联网云服务平台,物联网云服务平台对接收到的数据进行组织、存储和云计算处理，远程终端设备通过网络登录物联网云服务平台后，可以通过常用软件在仪表界面、实时数据界面、历史数据数据界面等中实时查看和下载相应数据。
57.(5)通过远程终端设备登录物联网云服务平台，在登录软件的仪表控制界面中输入控制仪表程序的运行、结束、保持、设置和报警等操控指令，操控指令通过网络传输给数据传输单元、数据传输单元把ip数据转变为com口数据后经数据采集与控制单元传递给相应控制仪表，控制仪表根据指令执行相关动作。
58.步骤4和步骤5中所述软件为微信、www浏览器，wap浏览器等中的一种。
59.本实施例通过感应单元、执行单元和智能仪表单元组成自动化控制层，实现对催化剂焙烧设备的自动化控制，具备智能化、自动化、精确化等优点；
60.本实施例通过数据采集与控制单元组成本地监控层，本地监控层通过组态软件对控制催化剂焙烧设备各工作状态参数的所有智能化仪表进行一站式集中管理和监控，具备操作简便，不易出现遗漏、误调、错调等人为操作失误。数据采集与控制单元可自动存储催化剂焙烧过程的工况信息，实现焙烧过程的可追溯，满足产品质量体系管理要求。
61.本实施例通过数据传输单元、物联网云服务平台和远程终端设备组成物联网监控层，通过物联网云服务平台，在pc、手机、pda等远程固定或移动终端上实现催化剂焙烧设备的远程监控，一方面解决了需要人员长期现场值守问题，不但可提高了劳动效率，还使操作人员能脱离危险和有害的工作环境，降低了安全风险，提高职业卫生健康水平；另一方面，可实现实时数据共享,有利于管理人员、科研人员和操作人员共同分析问题，改进产品，提高质量。另外，本实施列的数据传输单元可使用无线通讯模块，不需要布置网线即可连接物联网云服务平台，使用地点灵活，不受使用场所联网设施的限制。