李 斌，程良倫

（廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

瓦楞紙箱是一種應(yīng)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(dá)到18%～20%，2010年，我國瓦楞紙箱行業(yè)市場規(guī)模達(dá)到1 895億元，瓦楞紙箱需求量為1358．90萬噸。在低碳經(jīng)濟(jì)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(yù)計(jì)2015年將達(dá)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(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展，循環(huán)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。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(jì)增長方式，是擺在瓦楞紙板制造裝備業(yè)面前的首要任務(wù)［1］。而瓦楞紙生產(chǎn)行業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)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(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)，采用數(shù)據(jù)分級和分布式處理技術(shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理、存儲，定時(shí)向各分廠和公司總部上報(bào)能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息處理的負(fù)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)手段無法實(shí)現(xiàn)的多測點(diǎn)、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(shù)手段和完備的監(jiān)測平臺，形成一個(gè)集過程監(jiān)控、能源調(diào)度、能源管理為一體的先進(jìn)能源管理和調(diào)度系統(tǒng)［3］，對各種能源介質(zhì)進(jìn)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(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制。

1 能耗檢測系統(tǒng)架構(gòu)

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(gè)體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的多級分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［4］，系統(tǒng)架構(gòu)如圖 l所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)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(shù)，包含各級數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)接收采集終端設(shè)備的上報(bào)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理、存儲，定時(shí)向各分廠和公司總部上報(bào)能耗數(shù)據(jù)。同時(shí)，為管理人員提供能耗監(jiān)測管理平臺，為用戶提供遠(yuǎn)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(wù)。

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(wù)器或計(jì)算機(jī)中，負(fù)責(zé)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(bào)表等。管理平臺使用B/S架構(gòu)，易于管理維護(hù)，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(kuò)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(yīng)實(shí)現(xiàn)多表自動抄表管理，易于添加計(jì)量儀表或其他計(jì)量設(shè)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(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括基站信息、采集器信息、計(jì)量儀器（電表、水表等）、設(shè)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(fù)責(zé)整個(gè)廠房、某個(gè)區(qū)域、某個(gè)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(shù)要求的專用低功耗嵌入式采集設(shè)備，通過現(xiàn)場總線連接各種智能計(jì)量儀表，支持多種主流通信協(xié)議，并主動對儀表、傳感設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，定時(shí)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(dá)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸層

2．1 無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（wireless industry control network，WICN）是為滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)需求而提出的一種新型無線網(wǎng)絡(luò)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(gè)站點(diǎn)只有在捕獲令牌時(shí)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)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(jī)制來減少和避免網(wǎng)絡(luò)中的信息沖突，提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能。

在無線分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，與有線主干網(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(fù)責(zé)建立和維護(hù)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(qū)站和后繼站地址。

2．2 異構(gòu)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)集成架構(gòu)WICN-H

為了實(shí)現(xiàn)無線/有線異構(gòu)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成，本文提出了一種新型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成架構(gòu) 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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WICN-H的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig 2 WICN-H topology structure

3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)用層是指對生產(chǎn)過程中涉及到煤、電力、蒸汽、水等進(jìn)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(shí)現(xiàn)瓦楞紙生產(chǎn)線能源綜合有效利用，可以實(shí)現(xiàn)對如鍋爐、供電、供水、蒸汽管網(wǎng)等的實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，它可以對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等各項(xiàng)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(jī)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(shè)備。WinCC用于實(shí)現(xiàn)過程的可視化，提供強(qiáng)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(yù)先定義設(shè)置值或開關(guān)閥;允許設(shè)置過程狀態(tài)臨界值，一旦超出，將自動發(fā)出報(bào)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(jìn)能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)由任務(wù)單與管網(wǎng)子系統(tǒng)、報(bào)表子系統(tǒng)及OLAP（聯(lián)機(jī)分析處理）子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用分布式客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，有機(jī)地運(yùn)用了先進(jìn)的系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及OLAP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對能源中心內(nèi)各種能介系統(tǒng)運(yùn)行方式變更信息和各種動力管網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行信息的無紙化歸檔管理與查詢功能，集成了對各種計(jì)劃、管理、決策類報(bào)表的編制與查詢功能。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以以較低的安裝、維護(hù)成本實(shí)現(xiàn)對各類大量能源介質(zhì)的在線監(jiān)測，構(gòu)建現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后傳遞給數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大量信息的在線采集、實(shí)時(shí)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(jìn)入系統(tǒng)，供監(jiān)視、報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等用。

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

從技術(shù)原理角度而言，蛋白質(zhì)印跡檢測技術(shù)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(yīng)，通過結(jié)合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)分離檢測。對轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行不可溶蛋白質(zhì)的分析時(shí)，采用蛋白質(zhì)印跡檢測技術(shù)，能夠檢測出蛋白質(zhì)含量，并且與蛋白質(zhì)預(yù)定限值作對比分析，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shù)實(shí)現(xiàn)物料等的信息感知，構(gòu)建整個(gè)能源管理系統(tǒng)的信息感知平臺，并實(shí)現(xiàn)海量信息的傳輸;結(jié)合基于智能信息處理的中間件技術(shù)對應(yīng)用過程中存在的海量數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，對能源管理系統(tǒng)（EMS）的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行提取、處理，對能源的使用實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)整;對蒸汽使用的影響因素進(jìn)行建模;對蒸汽使用的影響因素進(jìn)行構(gòu)序分析;用模糊神經(jīng)網(wǎng)作供銷等量平衡預(yù)測分析;以管網(wǎng)和單元模型為基礎(chǔ)，將調(diào)度問題描述為數(shù)學(xué)規(guī)劃形式，用戶需求為相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，利用多目標(biāo)線性數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，求解最優(yōu)值，實(shí)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(yù)測模型和能源網(wǎng)絡(luò)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(xué)規(guī)劃的形式，進(jìn)一步將數(shù)學(xué)規(guī)劃表達(dá)式化為線形數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，使用原始對偶內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)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(yùn)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(fèi);對于電力能源，有效錯(cuò)開重要負(fù)荷的運(yùn)行，削峰填谷，保證整體電力負(fù)荷相對穩(wěn)定。

能源調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)立中心服務(wù)器，采用光纖接入，采用防火墻與外界進(jìn)行隔離，確保網(wǎng)絡(luò)安全性。在企業(yè)各廠房需要進(jìn)行監(jiān)測的能源流程節(jié)點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)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(shè)備、生產(chǎn)過程節(jié)點(diǎn)、計(jì)量裝備以及耗能的監(jiān)測設(shè)備;通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將能源流程中監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)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(shí)現(xiàn)用能單位能源數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、匯總和分析。

圖5 能源調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

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(shè)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(dú)立管理:重點(diǎn)設(shè)備有配套的監(jiān)控設(shè)備，例如:鍋爐有獨(dú)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(jìn)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(jià)體系;4）減少能源系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高勞動生產(chǎn)率;

5）提高對全廠性能源事故反應(yīng)能力;

6）節(jié)約能源和改善環(huán)境。

6 結(jié)束語

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)對能耗感知和檢測，進(jìn)而得到科學(xué)可信的基礎(chǔ)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(luò)傳輸方式，由數(shù)據(jù)導(dǎo)入服務(wù)傳送到能耗監(jiān)測管理平臺，實(shí)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(yùn)行水平，滿足了“集中管理、集中監(jiān)控、集中維護(hù)”和相關(guān)要求。

［1］ 全球瓦楞紙箱市場概況及預(yù)測［J］．中國包裝，2009，29（1）:102．

［2］ 唐昱佳．基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（12）:161 －164．

［3］ 聶秋平．鋼鐵企業(yè)能源實(shí)績平衡與優(yōu)化調(diào)度策略及應(yīng)用研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2011．

［4］ 訊 九，余 海，房利國，等．基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗檢測系統(tǒng)解決方案［J］．信息安全與通信保密，2012（1）:67 －69，71．

［5］ 周 賴．物聯(lián)網(wǎng)概述［J］．信息安全與通信保密，2011（10）:63－64．

［6］ 3GPP TS 22．368—2009．Service requirements for machine type communications（MTC）［S］．

［7］ 何雪云，潘 林，彭偉剛．從技術(shù)角度談物聯(lián)網(wǎng)對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的推動作用［J］．廣東通信技術(shù)，2011（3）:27－28．

［8］ Hou W Y，Liu W C，F(xiàn)ei M R．A token-based MAC oriented wireless industrial control networks［C］∥2006 IEEE International Conference on Information Acquisition，2006:22 －25．

［9］ 侯維巖，劉偉春，程俊鋒，等．面向無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 WICN-Z［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（3）:638 －643．

［10］侯維巖，秦朝暉，王海寬，等．面向無線/有線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成的協(xié)議轉(zhuǎn)換器構(gòu)架［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（6）:1252－1257．

［11］蔡永洪，孫曉輝，黃 鋒，等．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源計(jì)量城域管理系統(tǒng)研究［J］．中國測試，2011，37（4）:61 －63．