瓦楞紙制造過程能耗監控物聯網關鍵技術研究*

李 斌，程良倫

（廣東工業大學自動化學院，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，我國瓦楞紙箱行業年均增長率達到18%～20%，2010年，我國瓦楞紙箱行業市場規模達到1 895億元，瓦楞紙箱需求量為1358．90萬噸。在低碳經濟下，我國瓦楞紙箱行業未來5年內更將迎來高速發展，預計2015年將達到1747．10萬噸，增長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實現科學發展，循環發展的重要基礎。提高裝備的產能和生產行業節能效率，從根本上改變瓦楞紙板產業經濟增長方式，是擺在瓦楞紙板制造裝備業面前的首要任務［1］。而瓦楞紙生產行業節能降耗的關鍵是:降低行業耗紙，節約紙資源;開展能源的有效利用和生產過程能效優化。

本文將面向節能降耗的瓦楞紙制造過程能耗監控物聯網關鍵技術研究，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，并對數據進行分類處理、存儲，定時向各分廠和公司總部上報能耗數據，實現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。針對瓦楞紙板生產線能源管理，采用物聯網技術可以實現傳統技術手段無法實現的多測點、多變量、全面有效的能耗監測［2］，為瓦楞紙板生產線的能源管理提供全新的技術手段和完備的監測平臺，形成一個集過程監控、能源調度、能源管理為一體的先進能源管理和調度系統［3］，對各種能源介質進行集中監控、統一調度和平衡優化，對無人監控設備進行遠程操作和控制。

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，整個體系結構是一個典型的多級分布式數據采集系統［4］，系統架構如圖 l所示。

圖1 系統架構Fig 1 System architecture

1．1 多級分布式數據處理中心

多級分布式數據中心［5］采用數據分級和分布式處理技術，包含各級數據中心，負責接收采集終端設備的上報數據，并對數據進行分類處理、存儲，定時向各分廠和公司總部上報能耗數據。同時，為管理人員提供能耗監測管理平臺，為用戶提供遠程監測控制、能耗數據查詢、能耗數據分析功能，為公眾提供能耗數據查詢服務。

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，安裝在專用服務器或計算機中，負責所轄區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納入監管體系。管理平臺應實現多表自動抄表管理，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據，支持手動錄入（或導入）功能。管理平臺支持對各種基礎數據進行管理，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 基于物聯網中間件的采集終端層［6］

安裝于廠房內，負責整個廠房、某個區域、某個廠房或某類能源的能耗數據采集。采用符合國家建筑能耗監測技術要求的專用低功耗嵌入式采集設備，通過現場總線連接各種智能計量儀表，支持多種主流通信協議，并主動對儀表、傳感設備進行數據采集，定時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 基于物聯網感知層的智能儀表

2 工業環境下實時數據傳輸層

2．1 無線工業控制網絡

無線工業控制網絡（wireless industry control network，WICN）是為滿足工業控制的實時需求而提出的一種新型無線網絡協議［8，9］。WICN的MAC層協議基于單令牌控制，令牌沿著邏輯環路依次傳遞，各個站點只有在捕獲令牌時才能進行數據的傳輸，當數據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絡中的信息沖突，提高網絡的實時性能。

在無線分布式網絡系統中，與有線主干網連接的站點作為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路，加入邏輯環的從站擁有一個唯一的地址且工作在發送/接收模式，每個站點都知道它的前驅站和后繼站地址。

2．2 異構工業控制網絡集成架構WICN-H

為了實現無線/有線異構工業控制網絡的集成，本文提出了一種新型的異構網絡集成架構 WICN-H［10］，它包括:MODBUS/TC子網（簡稱 MB）、PROFIBUS．DP 子網（簡稱PB）（WICN．H主干網）、WICN子網和協議轉換器。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 物聯網應用層能耗監控系統方案

瓦楞紙制造過程能耗監控物聯網應用層是指對生產過程中涉及到煤、電力、蒸汽、水等進行可靠檢測、有效地調度和控制，系統需要控制溫度、生產線速度、著漿厚度、原紙厚度、氣缸壓力等，實現瓦楞紙生產線能源綜合有效利用，可以實現對如鍋爐、供電、供水、蒸汽管網等的實時監控、在線調整。

3．1 數據采集與監控系統

數據采集與監控系統是以計算機為基礎的生產過程監控與調度系統，它可以對現場設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能，使用對象是現場監控操作人員。WinCC是西門子公司出品的人機界面數據采集與監控系統，完美支持西門子自動化設備。WinCC用于實現過程的可視化，提供強大的組態和過程開發組件，使開發人員能快捷地開發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，每次過程中的狀態發生改變，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;允許設置過程狀態臨界值，一旦超出，將自動發出報警信號。數據采集與控制系統如圖3。

圖3 數據采集與監控系統Fig 3 Data acquisition and monitoring system

3．2 基于物聯網的先進能源管理系統

能源管理系統由任務單與管網子系統、報表子系統及OLAP（聯機分析處理）子系統組成。系統采用分布式客戶機/服務器體系結構，有機地運用了先進的系統技術、計算機技術、數據庫技術、網絡技術及OLAP技術，實現了對能源中心內各種能介系統運行方式變更信息和各種動力管網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。

采用物聯網技術，可以以較低的安裝、維護成本實現對各類大量能源介質的在線監測，構建現場數據采集后傳遞給數據傳輸服務器的工業網絡，實現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據采集進入系統，供監視、報警、數據分析、數據計算、數據統計等用。

基于物聯網的先進能源管理系統框架如圖4所示。

從技術原理角度而言，蛋白質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，并與顯色酶反應，通過結合反應實現分離檢測。對轉基因食品進行不可溶蛋白質的分析時，采用蛋白質印跡檢測技術，能夠檢測出蛋白質含量，并且與蛋白質預定限值作對比分析，進而明確轉基因食品的質量和安全性。

圖4 基于物聯網的先進能源管理系統Fig 4 Advanced energy source management system based on Internet of things

在基于物聯網的先進能源管理系統中，通過傳感器感知生產過程、電力系統、動力系統、給排水系統等的能源介質信息，通過射頻識別（FRID）技術實現物料等的信息感知，構建整個能源管理系統的信息感知平臺，并實現海量信息的傳輸;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據進行處理，支持多協議轉換和信息集成，為能源調度和監控提供數據支持。

3．3 能源動態平衡和優化調度方法的研究

利用計算機網絡、數據庫、數據倉庫等先進的計算機技術，對能源管理系統（EMS）的數據資源進行提取、處理，對能源的使用實時動態調整;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;用模糊神經網作供銷等量平衡預測分析;以管網和單元模型為基礎，將調度問題描述為數學規劃形式，用戶需求為相應的目標函數，利用多目標線性數學規劃方法，求解最優值，實現能源動態平衡和優化調度。

系統基于調度單元預測模型和能源網絡模型，綜合考慮了分級能源利用思想，自動將優化調度問題表述為大規模數學規劃的形式，進一步將數學規劃表達式化為線形數學規劃問題，使用原始對偶內點法進行求解。綜合考慮煤氣、蒸汽、電力三大能源的調度，在保證能源穩定供給和生產安全運行的前提下，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定。

能源調度系統結構圖如圖5所示。

4 系統工作流程

瓦楞紙制造過程能耗監控物聯網系統的工作流程［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，確保網絡安全性。在企業各廠房需要進行監測的能源流程節點設置相應的智能傳感器和射頻識別監測器，包括瓦楞紙生產線成套設備、生產過程節點、計量裝備以及耗能的監測設備;通過無線傳感器網絡將能源流程中監測的相關數據信息發送到數據中心服務器，存于海量數據倉庫;經知識發現和數據挖掘，實現用能單位能源數據的統計、匯總和分析。

圖5 能源調度系統結構圖Fig 5 Structure diagram of energy scheduling system

圖6 系統工作流程Fig 6 Work flow chart of system

5 節能系統方案比較

目前，節能降耗系統方案［2］有以下幾種:

1）總量管理:現場沒有安裝傳感器，根據能源購入總量和使用時間進行統計。

2）人工管理:現場安裝有傳感器，但是沒有數據采集設備。由于現場儀表都比較老舊，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控設備，例如:鍋爐有獨立的監控系統，監控鍋爐的壓力、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控物聯網系統具有如下優勢:

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采用分散控制和集中管理;3）優化管理流程，建立客觀能源消耗評價體系;4）減少能源系統運行成本，提高勞動生產率;

5）提高對全廠性能源事故反應能力;

6）節約能源和改善環境。

6 結束語

將物聯網技術引入到瓦楞紙制造過程能耗監控的具體工作中，充分利用物聯網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據。采集的數據通過WICN-H，光纖，Zig Bee，GPRS/CDMA，EVDO/WiFi等網絡傳輸方式，由數據導入服務傳送到能耗監測管理平臺，實現對全系統的管理，以及能耗數據的儲存、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能運行水平，滿足了“集中管理、集中監控、集中維護”和相關要求。

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