李 斌，程良倫

（廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州 510006）

0 引言

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1747．10萬噸，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［1］。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［2］，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)［3］，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)［4］，系統(tǒng)架構如圖 l所示。

圖1 系統(tǒng)架構Fig 1 System architecture

1．1 多級分布式數(shù)據(jù)處理中心

多級分布式數(shù)據(jù)中心［5］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)耄┕δ?。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［6］

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

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［8，9］。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-H［10］，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。WICNH的拓撲結構如圖2所示。

圖2 WICN-H的拓撲結構Fig 2 WICN-H topology structure

3 物聯(lián)網(wǎng)應用層能耗監(jiān)控系統(tǒng)方案

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。

3．1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，它可以對現(xiàn)場設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能，使用對象是現(xiàn)場監(jiān)控操作人員。WinCC是西門子公司出品的人機界面數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，完美支持西門子自動化設備。WinCC用于實現(xiàn)過程的可視化，提供強大的組態(tài)和過程開發(fā)組件，使開發(fā)人員能快捷地開發(fā)出可供操作員使用的圖形用戶界面。WinCC允許過程以圖形化的方式顯示在屏幕上，每次過程中的狀態(tài)發(fā)生改變，都會更新顯示;允許操作員控制過程，例如:可以從圖形界面預先定義設置值或開關閥;允許設置過程狀態(tài)臨界值，一旦超出，將自動發(fā)出報警信號。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)Fig 3 Data acquisition and monitoring system

3．2 基于物聯(lián)網(wǎng)的先進能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)由任務單與管網(wǎng)子系統(tǒng)、報表子系統(tǒng)及OLAP（聯(lián)機分析處理）子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用分布式客戶機/服務器體系結構，有機地運用了先進的系統(tǒng)技術、計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術及OLAP技術，實現(xiàn)了對能源中心內(nèi)各種能介系統(tǒng)運行方式變更信息和各種動力管網(wǎng)設備運行信息的無紙化歸檔管理與查詢功能，集成了對各種計劃、管理、決策類報表的編制與查詢功能。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以以較低的安裝、維護成本實現(xiàn)對各類大量能源介質(zhì)的在線監(jiān)測，構建現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后傳遞給數(shù)據(jù)傳輸服務器的工業(yè)網(wǎng)絡，實現(xiàn)大量信息的在線采集、實時傳輸。通過有線或無線方式，將能源管理中心所需的能源數(shù)據(jù)采集進入系統(tǒng)，供監(jiān)視、報警、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等用。

基于物聯(lián)網(wǎng)的先進能源管理系統(tǒng)框架如圖4所示。

從技術原理角度而言，蛋白質(zhì)印跡檢測技術是借助聚丙烯酰胺凝膠電泳，分離外源蛋白質(zhì)，并與顯色酶反應，通過結合反應實現(xiàn)分離檢測。對轉(zhuǎn)基因食品進行不可溶蛋白質(zhì)的分析時，采用蛋白質(zhì)印跡檢測技術，能夠檢測出蛋白質(zhì)含量，并且與蛋白質(zhì)預定限值作對比分析，進而明確轉(zhuǎn)基因食品的質(zhì)量和安全性。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)的先進能源管理系統(tǒng)Fig 4 Advanced energy source management system based on Internet of things

在基于物聯(lián)網(wǎng)的先進能源管理系統(tǒng)中，通過傳感器感知生產(chǎn)過程、電力系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等的能源介質(zhì)信息，通過射頻識別（FRID）技術實現(xiàn)物料等的信息感知，構建整個能源管理系統(tǒng)的信息感知平臺，并實現(xiàn)海量信息的傳輸;結合基于智能信息處理的中間件技術對應用過程中存在的海量數(shù)據(jù)進行處理，支持多協(xié)議轉(zhuǎn)換和信息集成，為能源調(diào)度和監(jiān)控提供數(shù)據(jù)支持。

3．3 能源動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度方法的研究

利用計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等先進的計算機技術，對能源管理系統(tǒng)（EMS）的數(shù)據(jù)資源進行提取、處理，對能源的使用實時動態(tài)調(diào)整;對蒸汽使用的影響因素進行建模;對蒸汽使用的影響因素進行構序分析;用模糊神經(jīng)網(wǎng)作供銷等量平衡預測分析;以管網(wǎng)和單元模型為基礎，將調(diào)度問題描述為數(shù)學規(guī)劃形式，用戶需求為相應的目標函數(shù)，利用多目標線性數(shù)學規(guī)劃方法，求解最優(yōu)值，實現(xiàn)能源動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度。

系統(tǒng)基于調(diào)度單元預測模型和能源網(wǎng)絡模型，綜合考慮了分級能源利用思想，自動將優(yōu)化調(diào)度問題表述為大規(guī)模數(shù)學規(guī)劃的形式，進一步將數(shù)學規(guī)劃表達式化為線形數(shù)學規(guī)劃問題，使用原始對偶內(nèi)點法進行求解。綜合考慮煤氣、蒸汽、電力三大能源的調(diào)度，在保證能源穩(wěn)定供給和生產(chǎn)安全運行的前提下，提高能源綜合利用效率。對于煤氣、蒸汽能源，減少放散浪費;對于電力能源，有效錯開重要負荷的運行，削峰填谷，保證整體電力負荷相對穩(wěn)定。

能源調(diào)度系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)工作流程

瓦楞紙制造過程能耗監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作流程［11］如圖6所示。在公司總部設立中心服務器，采用光纖接入，采用防火墻與外界進行隔離，確保網(wǎng)絡安全性。在企業(yè)各廠房需要進行監(jiān)測的能源流程節(jié)點設置相應的智能傳感器和射頻識別監(jiān)測器，包括瓦楞紙生產(chǎn)線成套設備、生產(chǎn)過程節(jié)點、計量裝備以及耗能的監(jiān)測設備;通過無線傳感器網(wǎng)絡將能源流程中監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務器，存于海量數(shù)據(jù)倉庫;經(jīng)知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)用能單位能源數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、匯總和分析。

圖5 能源調(diào)度系統(tǒng)結構圖Fig 5 Structure diagram of energy scheduling system

圖6 系統(tǒng)工作流程Fig 6 Work flow chart of system

5 節(jié)能系統(tǒng)方案比較

目前，節(jié)能降耗系統(tǒng)方案［2］有以下幾種:

1）總量管理:現(xiàn)場沒有安裝傳感器，根據(jù)能源購入總量和使用時間進行統(tǒng)計。

2）人工管理:現(xiàn)場安裝有傳感器，但是沒有數(shù)據(jù)采集設備。由于現(xiàn)場儀表都比較老舊，不具有通信或其他輸出方式。

3）獨立管理:重點設備有配套的監(jiān)控設備，例如:鍋爐有獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控鍋爐的壓力、溫度、蒸汽、水等。

各種方案進行比較如表1。

綜上所述，瓦楞紙制造過程能耗監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:

1）完善能源信息的采集、存儲、管理和能源的有效利用;

2）在公司層面對能源系統(tǒng)采用分散控制和集中管理;3）優(yōu)化管理流程，建立客觀能源消耗評價體系;4）減少能源系統(tǒng)運行成本，提高勞動生產(chǎn)率;

5）提高對全廠性能源事故反應能力;

6）節(jié)約能源和改善環(huán)境。

6 結束語

將物聯(lián)網(wǎng)技術引入到瓦楞紙制造過程能耗監(jiān)控的具體工作中，充分利用物聯(lián)網(wǎng)的分層技術對能耗感知和檢測，進而得到科學可信的基礎數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)通過WICN-H，光纖，Zig Bee，GPRS/CDMA，EVDO/WiFi等網(wǎng)絡傳輸方式，由數(shù)據(jù)導入服務傳送到能耗監(jiān)測管理平臺，實現(xiàn)對全系統(tǒng)的管理，以及能耗數(shù)據(jù)的儲存、加工 、查詢、分析等高級能源管理功能，極大地提高了能源管理與節(jié)能運行水平，滿足了“集中管理、集中監(jiān)控、集中維護”和相關要求。

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