基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的烤煙自控儀設(shè)備優(yōu)化

楊建春，劉余，張宗錦，曾宗粱，王輝，張波*

（1.四川省煙草公司攀枝花市公司，四川 攀枝花 617100；2.深圳市優(yōu)博訊科技股份有限公司，廣東 深圳 518061）

0 引言

煙葉密集烘烤推行以來,自控儀在煙葉烘烤中發(fā)揮了重要作用,現(xiàn)有的單機自控儀已使用十余載，在煙葉生產(chǎn)實踐中已表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)性，特別是新型供熱方式烤房的出現(xiàn)，其主要表現(xiàn)出自控程度低、溫度控制精確度低等問題。本文針對空氣源熱泵、生物質(zhì)顆粒燃燒機等新型密集烤房和燃煤烤房烘烤供熱特點，進行基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的烤煙自控儀設(shè)備優(yōu)化[1]。

1 背景及問題

1.1 新型自控儀的研制背景

針對傳統(tǒng)燃煤型密集烘烤效率低、能源不可再生、烘烤質(zhì)量較差且排放物污染嚴(yán)重這一重大民生問題，開展其新型密集烤房清潔烘烤技術(shù)研究與示范，以降低烘烤排放物污染，實現(xiàn)資源化高效利用，改善農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。四川省煙草公司攀枝花市公司通過本項目建設(shè)解決傳統(tǒng)燃煤型密集烘烤效率低且排放物污染嚴(yán)重問題，建立煙葉智能化密集烘烤技術(shù)和高效清潔能源密集烘烤體系的科研創(chuàng)新平臺, 構(gòu)建技術(shù)推廣模式與運行機制。其中，針對空氣源熱泵、生物質(zhì)顆粒燃燒機等新型密集烤房和燃煤烤房烘烤供熱特點，結(jié)合烘烤過程中不同烘烤階段風(fēng)速的需求，采用變頻控制、循環(huán)風(fēng)機無級變頻控制、助燃風(fēng)機動態(tài)PID控制、冷風(fēng)進風(fēng)門提升控制儀對烤房內(nèi)實時溫度、濕度、風(fēng)門開度、鼓風(fēng)機控制、風(fēng)機風(fēng)速指標(biāo)、圖像和循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)自動控制，溫濕度控制精度不超過±1℃，并且有烘烤參數(shù)存儲功能，加裝無線智能模塊，研究優(yōu)化出新型精準(zhǔn)自控儀。

1.2 烤房現(xiàn)場的問題

（1）烘烤現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定，甚至沒有網(wǎng)絡(luò)，影響數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸延遲會影響遠程監(jiān)測。（2）烤房的供電電壓不穩(wěn)定，對設(shè)備沖擊較大，易造成設(shè)備故障影響烘烤進程，這是農(nóng)村電網(wǎng)普遍存在的問題。（3）烤房煙葉視頻監(jiān)控存在以下幾個問題：①烘烤現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定，甚至沒有網(wǎng)絡(luò)，無法進行圖像的傳輸；②監(jiān)控設(shè)備的成品保護問題。（4）在煙葉精準(zhǔn)烘烤遠程監(jiān)控和管理平臺的建設(shè)工作中，對以后大量數(shù)據(jù)和圖片的傳輸和接收處理能力需進一步完善。

2 確定自控儀運行指標(biāo)

采用基于DSP芯片為核心處理器的新型烤煙控制器，根據(jù)溫度濕度變化的大慣性滯后響應(yīng)特性。采用數(shù)據(jù)插值方式PID控制算法，在保證算法結(jié)果可靠前提下避免因溫濕度響應(yīng)滯后帶來的頻繁調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機和冷風(fēng)風(fēng)門進風(fēng)量的問題。控制策略方面，根據(jù)烤房實際溫濕度要求，控制鼓風(fēng)機的啟停及冷風(fēng)風(fēng)門以步進開閉方式，保證排濕控制的準(zhǔn)確性，烤房內(nèi)濕度控制精度在±1%以內(nèi)，溫度精度在±1℃以內(nèi)。

圖1 烘烤數(shù)據(jù)曲線-1（07-25）

新型控制儀能夠精確地控制溫、濕度，并且采用變頻控制技術(shù)，與循環(huán)風(fēng)機變頻器形成聯(lián)動，根據(jù)烤煙過程中的不同階段對風(fēng)量的要求，準(zhǔn)確控制循環(huán)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而達到風(fēng)量的有效控制[2]。而老式烤煙控制器則采用定頻控制，無法達到上述精準(zhǔn)技術(shù)。

圖2 烘烤數(shù)據(jù)曲線-2（08-08）

圖3 烘烤數(shù)據(jù)曲線-3（08-21）

在0～100%范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，自動鼓風(fēng)控制，精準(zhǔn)控制溫、濕度。新型自控儀（變頻）電機采取在不同階段用不同頻率調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，整個烘烤階段風(fēng)速變化幅度應(yīng)穩(wěn)定在0.20～0.50m/s之間[3]。

圖4 不同烘烤階段葉縫間風(fēng)速變化曲線圖

3 自控儀研制及優(yōu)化過程

本次深圳市優(yōu)博訊科技股份有限公司共研制4套智能自控儀樣機進行示范。

其中第1套（設(shè)備編號：3020170600003）與重慶肯佐空氣源熱泵新型烤房對接，進行下步葉烘烤。在新型烤房裝2套溫度檢測設(shè)備，1套作為控制使用，另1套備用。自控儀溫、濕度控制準(zhǔn)確，同時青煙所安裝2套溫度檢測設(shè)備，共計6個點分布測試烤房各點溫度，所測溫度與自控儀溫度基本一致；

第2套（設(shè)備編號：3020170600001）與生物質(zhì)燃燒機對接，在土烤房進行烘烤。控制正常，目前正在進行第二房煙葉烘烤中；

第3套（設(shè)備編號：3020170600002）與重慶肯佐空氣源熱泵對接，在土烤房進行烘烤。后因循環(huán)風(fēng)機壞，更換3相循環(huán)風(fēng)機，自控儀改裝3相變頻器，待進行下一房煙葉烘烤；

第4套（設(shè)備編號：3020170600004）安裝于土烤房，用燃煤進行烘烤。中途因風(fēng)門控制出現(xiàn)故障，更換為老式控制儀，后檢查為風(fēng)門控制極性設(shè)置相反，出現(xiàn)排濕的時候為關(guān)閉狀態(tài)[4]。

4 研制密集烤房遠程精準(zhǔn)檢測系統(tǒng)

4.1 烘烤大數(shù)據(jù)收集

通過收集各類烤房的烘烤過程數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)，建立了后臺大數(shù)據(jù)中心。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所根據(jù)各類數(shù)據(jù)進行有效的分析，一方面得出最適宜的煙葉烘烤參數(shù)和曲線，另一方面便于更有效的對煙葉烘烤工作進行有針對性的管理。

4.2 烤煙過程數(shù)據(jù)的保存和統(tǒng)計

控制器具有過程數(shù)據(jù)自動保存功能，按一炕煙7~8天的烤煙周期為一組數(shù)據(jù)計算，可以保存不少于300組數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括：溫度變化曲線；濕度變化曲線；冷風(fēng)門步進開度曲線；循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化曲線；烤煙時間累計；超溫報警；低溫報警；循環(huán)風(fēng)機故障；系統(tǒng)斷電故障等數(shù)據(jù)。通過預(yù)留的通訊接口，可以將上述數(shù)據(jù)上傳至集中控制中心的服務(wù)器，通過不斷收集各類烤房的烘烤過程數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)，建立后臺大數(shù)據(jù)中心。根據(jù)各類數(shù)據(jù)進行有效的分析，一方面得出最適宜的煙葉烘烤參數(shù)和曲線；另一方面便于更有效的對煙葉烘烤工作進行有針對性的管理[5]。

圖5 APP數(shù)據(jù)保存和統(tǒng)計界面

4.3 新型智能自控儀的遠程監(jiān)控

4.3.1 遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控

四套新型智能自控儀均已安裝遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，手機APP端查看數(shù)據(jù)。達到遠程實時知曉烤房烘烤的狀況，準(zhǔn)確的對烤房進行升溫、穩(wěn)溫等燒火操作，確保溫濕度不出現(xiàn)較大弧度波動[6]。

圖6 遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊

圖7 烤煙烤房圖像監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖8

4.3.2 遠程視頻監(jiān)控

除此以外，還可實時查看烘烤視頻。在新型板房安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行煙葉顏色觀察，該次安裝于烤房內(nèi)部實現(xiàn)拍攝監(jiān)控功能，設(shè)備調(diào)試完畢[7]。

5 結(jié)語

新型控制儀能夠精確地控制溫、濕度，并且采用變頻控制技術(shù)，與循環(huán)風(fēng)機變頻器形成聯(lián)動，根據(jù)烤煙過程中的不同階段對風(fēng)量的要求，準(zhǔn)確控制循環(huán)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而達到風(fēng)量的有效控制。而老式烤煙控制器則采用定頻控制，無法達到上述精準(zhǔn)技術(shù)[8]。

新型烤煙控制器具有自動運行功能和手動干預(yù)方式下的半自動功能。在煙葉、裝煙量及氣象條件負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以采用自動運行模式，降低煙農(nóng)的工作量，避免人為操作失誤帶來的烤壞煙情況。當(dāng)存在煙葉水分超標(biāo)或多雨等情況時，可以通過手動干預(yù)方式，對不同烤煙階段的溫度和時間進行調(diào)整，當(dāng)手動干預(yù)結(jié)束后可以自動進入下一階段。且在控制器操作方面力求操作簡單，便于煙農(nóng)掌握使用[9-11]。

利用無線通信數(shù)字技術(shù)和云服務(wù)器+智能手機終端的有效集合，通過無線遠程數(shù)據(jù)自動傳輸技術(shù)，手機終端APP可接收烤房實時數(shù)據(jù)。通過該系統(tǒng)的建設(shè)，已部分實現(xiàn)遠程烤房數(shù)據(jù)收集和分析。可以通過信息發(fā)布平臺及時發(fā)布煙葉生產(chǎn)過程中的各項信息，推廣煙葉種植、烤煙的成功經(jīng)驗。

圖9 遠程監(jiān)控攝像頭

圖10 攝像頭拍攝照片

未來計劃引入專家系統(tǒng)，及時解答煙農(nóng)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，利用現(xiàn)代化信息平臺的優(yōu)勢，打造基于國家大力倡導(dǎo)的“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理模式。