瓦楞紙制造過程能耗監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術研究
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瓦楞紙箱是一種應用最廣的包裝制品，用量一直是各種包裝制品之首，包括鈣塑瓦楞紙箱。近年來，我國瓦楞紙箱行業(yè)年均增長率達到18％-20％，2010年，我國瓦楞紙箱行業(yè)市場規(guī)模達到1 895億元，瓦楞紙箱需求量為1358．90萬噸。在低碳經(jīng)濟下，我國瓦楞紙箱行業(yè)未來5年內(nèi)更將迎來高速發(fā)展，預計2015年將達到l 747.10萬噸，增長27．7％。高效、節(jié)能的現(xiàn)代化瓦楞紙板制造裝備，已成為支撐瓦楞紙包裝業(yè)實現(xiàn)科學發(fā)展，循環(huán)發(fā)展的重要基礎。提高裝備的產(chǎn)能和生產(chǎn)行業(yè)節(jié)能效率，從根本上改變瓦楞紙板產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟增長方式，是擺在瓦楞紙板制造裝備業(yè)面前的首要任務。而瓦楞紙生產(chǎn)行業(yè)節(jié)能降耗的關鍵是：降低行業(yè)耗紙，節(jié)約紙資源；開展能源的有效利用和生產(chǎn)過程能效優(yōu)化。
本文將面向節(jié)能降耗的瓦楞紙制造過程能耗監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術研究，提出一種基于多級數(shù)據(jù)處理的嵌入式中間件系統(tǒng)的體系結構，采用數(shù)據(jù)分級和分布式處理技術，并對數(shù)據(jù)進行分類處理、存儲，定時向各分廠和公司總部上報能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時信息處理的負載均衡，從而提高瓦楞紙制造過程的整體效率。針對瓦楞紙板生產(chǎn)線能源管理，采用物聯(lián)網(wǎng)技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)技術手段無法實現(xiàn)的多測點、多變量、全面有效的能耗監(jiān)測，為瓦楞紙板生產(chǎn)線的能源管理提供全新的技術手段和完備的監(jiān)測平臺，形成一個集過程監(jiān)控、能源調(diào)度、能源管理為一體的先進能源管理和調(diào)度系統(tǒng)，對各種能源介質(zhì)進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度和平衡優(yōu)化，對無人監(jiān)控設備進行遠程操作和控制。
1 能耗檢測系統(tǒng)架構
能耗檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心層、采集終端層以及智能儀表層3部分組成，整個體系結構是一個典型的多級分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)架構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)架構
多級分布式數(shù)據(jù)中心采用數(shù)據(jù)分級和分布式處理技術，包含各級數(shù)據(jù)中心，負責接收采集終端設備的上報數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分類處理、存儲，定時向各分廠和公司總部上報能耗數(shù)據(jù)。同時，為管理人員提供能耗監(jiān)測管理平臺，為用戶提供遠程監(jiān)測控制、能耗數(shù)據(jù)查詢、能耗數(shù)據(jù)分析功能，為公眾提供能耗數(shù)據(jù)查詢服務。能耗監(jiān)測系統(tǒng)管理平臺軟件屬于數(shù)據(jù)中心端系統(tǒng)，是能耗監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，安裝在專用服務器或計算機中，負責所轄區(qū)域的廠房等能耗的集中管理，功能涵蓋儀表管理、采集終端管理、能耗管理、數(shù)據(jù)分析展示、數(shù)據(jù)報表等。管理平臺使用B／S架構，易于管理維護，支持主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如，Microsoft SQL Server，Oracle等。管理平臺支持多種能源的能耗管理，如，電、水、煤等，并有一定擴充性，可以支持日后將其他能源種類納入監(jiān)管體系。管理平臺應實現(xiàn)多表自動抄表管理，易于添加計量儀表或其他計量設備。對于無法自動采集到的數(shù)據(jù)，支持手動錄入(或?qū)?功能。管理平臺支持對各種基礎數(shù)據(jù)進行管理，包括基站信息、采集器信息、計量儀器(電表、水表等)、設備等信息管理。
1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)中間件的采集終端層
安裝于廠房內(nèi)，負責整個廠房、某個區(qū)域、某個廠房或某類能源的能耗數(shù)據(jù)采集。采用符合國家建筑能耗監(jiān)測技術要求的專用低功耗嵌入式采集設備，通過現(xiàn)場總線連接各種智能計量儀表，支持多種主流通信協(xié)議，并主動對儀表、傳感設備進行數(shù)據(jù)采集，定時或按需將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心層，提供AO，DO端口，可對執(zhí)行器下達控制命令。
1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)感知層的智能儀表
包含各種具備數(shù)據(jù)遠傳功能的智能計量儀表(如，單相電能表、三相電能表、多功能電能表、水表、壓力測量儀表、熱(冷)量表等)、傳感設備及執(zhí)行器，負責各類能源的實時用量計量，為能耗數(shù)據(jù)采集終端提供原始能耗數(shù)據(jù)。
2 工業(yè)環(huán)境下實時數(shù)據(jù)傳輸層
2.1 無線工業(yè)控制網(wǎng)絡
無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(wireless industry control network，WICN)是為滿足工業(yè)控制的實時需求而提出的一種新型無線網(wǎng)絡協(xié)議。WICN的MAC層協(xié)議基于單令牌控制，令牌沿著邏輯環(huán)路依次傳遞，各個站點只有在捕獲令牌時才能進行數(shù)據(jù)的傳輸，當數(shù)據(jù)傳輸完成或令牌持有時間耗盡時，該站點將釋放令牌并將其傳遞給它的后繼站點。WICN利用這種基于令牌的控制機制來減少和避免網(wǎng)絡中的信息沖突，提高網(wǎng)絡的實時性能。
在無線分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)中，與有線主干網(wǎng)連接的站點作為WICN的主站，WICN中的其他站點為從站。主站負責建立和維護邏輯環(huán)路，加入邏輯環(huán)的從站擁有一個唯一的地址且工作在發(fā)送／接收模式，每個站點都知道它的前驅(qū)站和后繼站地址。
2.2 異構工業(yè)控制網(wǎng)絡集成架構WICN-H
為了實現(xiàn)無線／有線異構工業(yè)控制網(wǎng)絡的集成，本文提出了一種新型的異構網(wǎng)絡集成架構WICN-Hu，它包括：MODBUS／TC子網(wǎng)(簡稱MB)、PROFIBUS．DP子網(wǎng)(簡稱PB)(WICN．H主干網(wǎng))、WICN子網(wǎng)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器。WICN-H的拓撲結構如圖2所示。
圖2 WICN·H的拓撲結構
瓦楞紙制造過程能耗監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)應用層是指對生產(chǎn)過程中涉及到煤、電力、蒸汽、水等進行可靠檢測、有效地調(diào)度和控制，系統(tǒng)需要控制溫度、生產(chǎn)線速度、著漿厚度、原紙厚度、氣缸壓力等，實現(xiàn)瓦楞紙生產(chǎn)線能源綜合有效利用，可以實現(xiàn)對如鍋爐、供電、供水、蒸汽管網(wǎng)等的實時監(jiān)控、在線調(diào)整。
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