瓦楞紙制造過(guò)程能耗監控物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)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(lái)，我國瓦楞紙箱行業(yè)年均增長(cháng)率達到18％-20％，2010年，我國瓦楞紙箱行業(yè)市場(chǎng)規模達到1 895億元，瓦楞紙箱需求量為1358．90萬(wàn)噸。在低碳經(jīng)濟下，我國瓦楞紙箱行業(yè)未來(lái)5年內更將迎來(lái)高速發(fā)展，預計2015年將達到l 747.10萬(wàn)噸，增長(cháng)27．7％。高效、節能的現代化瓦楞紙板制造裝備，已成為支撐瓦楞紙包裝業(yè)實(shí)現科學(xué)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)節能效率，從根本上改變瓦楞紙板產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟增長(cháng)方式，是擺在瓦楞紙板制造裝備業(yè)面前的首要任務(wù)。而瓦楞紙生產(chǎn)行業(yè)節能降耗的關(guān)鍵是：降低行業(yè)耗紙，節約紙資源；開(kāi)展能源的有效利用和生產(chǎn)過(guò)程能效優(yōu)化。
本文將面向節能降耗的瓦楞紙制造過(guò)程能耗監控物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究，提出一種基于多級數據處理的嵌入式中間件系統的體系結構，采用數據分級和分布式處理技術(shù)，并對數據進(jìn)行分類(lèi)處理、存儲，定時(shí)向各分廠(chǎng)和公司總部上報能耗數據，實(shí)現實(shí)時(shí)信息處理的負載均衡，從而提高瓦楞紙制造過(guò)程的整體效率。針對瓦楞紙板生產(chǎn)線(xiàn)能源管理，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現傳統技術(shù)手段無(wú)法實(shí)現的多測點(diǎn)、多變量、全面有效的能耗監測，為瓦楞紙板生產(chǎn)線(xiàn)的能源管理提供全新的技術(shù)手段和完備的監測平臺，形成一個(gè)集過(guò)程監控、能源調度、能源管理為一體的先進(jìn)能源管理和調度系統，對各種能源介質(zhì)進(jìn)行集中監控、統一調度和平衡優(yōu)化，對無(wú)人監控設備進(jìn)行遠程操作和控制。
1 能耗檢測系統架構
能耗檢測系統由數據中心層、采集終端層以及智能儀表層3部分組成，整個(gè)體系結構是一個(gè)典型的多級分布式數據采集系統，系統架構如圖1所示。
圖1 系統架構
多級分布式數據中心采用數據分級和分布式處理技術(shù)，包含各級數據中心，負責接收采集終端設備的上報數據，并對數據進(jìn)行分類(lèi)處理、存儲，定時(shí)向各分廠(chǎng)和公司總部上報能耗數據。同時(shí)，為管理人員提供能耗監測管理平臺，為用戶(hù)提供遠程監測控制、能耗數據查詢(xún)、能耗數據分析功能，為公眾提供能耗數據查詢(xún)服務(wù)。能耗監測系統管理平臺軟件屬于數據中心端系統，是能耗監測系統的核心部分，安裝在專(zhuān)用服務(wù)器或計算機中，負責所轄區域的廠(chǎng)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、數據分析展示、數據報表等。管理平臺使用B／S架構，易于管理維護，支持主流數據庫系統，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(lèi)納入監管體系。管理平臺應實(shí)現多表自動(dòng)抄表管理，易于添加計量?jì)x表或其他計量設備。對于無(wú)法自動(dòng)采集到的數據，支持手動(dòng)錄入(或導入)功能。管理平臺支持對各種基礎數據進(jìn)行管理，包括基站信息、采集器信息、計量?jì)x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(chǎng)房?jì)?，負責整個(gè)廠(chǎng)房、某個(gè)區域、某個(gè)廠(chǎng)房或某類(lèi)能源的能耗數據采集。采用符合國家建筑能耗監測技術(shù)要求的專(zhuān)用低功耗嵌入式采集設備，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接各種智能計量?jì)x表，支持多種主流通信協(xié)議，并主動(dòng)對儀表、傳感設備進(jìn)行數據采集，定時(shí)或按需將數據上傳到數據中心層，提供AO，DO端口，可對執行器下達控制命令。
1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)感知層的智能儀表
包含各種具備數據遠傳功能的智能計量?jì)x表(如，單相電能表、三相電能表、多功能電能表、水表、壓力測量?jì)x表、熱(冷)量表等)、傳感設備及執行器，負責各類(lèi)能源的實(shí)時(shí)用量計量，為能耗數據采集終端提供原始能耗數據。
2 工業(yè)環(huán)境下實(shí)時(shí)數據傳輸層
2.1 無(wú)線(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )
無(wú)線(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )(wireless industry control network，WICN)是為滿(mǎn)足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)需求而提出的一種新型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。WICN的MAC層協(xié)議基于單令牌控制，令牌沿著(zhù)邏輯環(huán)路依次傳遞，各個(gè)站點(diǎn)只有在捕獲令牌時(shí)才能進(jìn)行數據的傳輸，當數據傳輸完成或令牌持有時(shí)間耗盡時(shí)，該站點(diǎn)將釋放令牌并將其傳遞給它的后繼站點(diǎn)。WICN利用這種基于令牌的控制機制來(lái)減少和避免網(wǎng)絡(luò )中的信息沖突，提高網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性能。
在無(wú)線(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò )系統中，與有線(xiàn)主干網(wǎng)連接的站點(diǎn)作為WICN的主站，WICN中的其他站點(diǎn)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(gè)唯一的地址且工作在發(fā)送／接收模式，每個(gè)站點(diǎn)都知道它的前驅站和后繼站地址。
2.2 異構工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )集成架構WICN-H
為了實(shí)現無(wú)線(xiàn)／有線(xiàn)異構工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的集成，本文提出了一種新型的異構網(wǎng)絡(luò )集成架構WICN-Hu，它包括：MODBUS／TC子網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)MB)、PROFIBUS．DP子網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)PB)(WICN．H主干網(wǎng))、WICN子網(wǎng)和協(xié)議轉換器。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(guò)程能耗監控物聯(lián)網(wǎng)應用層是指對生產(chǎn)過(guò)程中涉及到煤、電力、蒸汽、水等進(jìn)行可靠檢測、有效地調度和控制，系統需要控制溫度、生產(chǎn)線(xiàn)速度、著(zhù)漿厚度、原紙厚度、氣缸壓力等，實(shí)現瓦楞紙生產(chǎn)線(xiàn)能源綜合有效利用，可以實(shí)現對如鍋爐、供電、供水、蒸汽管網(wǎng)等的實(shí)時(shí)監控、在線(xiàn)調整。
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