瓦楞纸制造过程能耗监控物联网关键技术研究*

李 斌，程良伦

（广东工业大学自动化学院，广东广州 510006）

0 引言

瓦楞纸箱是一种应用最广的包装制品，用量一直是各种包装制品之首，包括钙塑瓦楞纸箱。近年来，我国瓦楞纸箱行业年均增长率达到18%～20%，2010年，我国瓦楞纸箱行业市场规模达到1 895亿元，瓦楞纸箱需求量为1358．90万吨。在低碳经济下，我国瓦楞纸箱行业未来5年内更将迎来高速发展，预计2015年将达到1747．10万吨，增长27．7%。高效、节能的现代化瓦楞纸板制造装备，已成为支撑瓦楞纸包装业实现科学发展，循环发展的重要基础。提高装备的产能和生产行业节能效率，从根本上改变瓦楞纸板产业经济增长方式，是摆在瓦楞纸板制造装备业面前的首要任务［1］。而瓦楞纸生产行业节能降耗的关键是:降低行业耗纸，节约纸资源;开展能源的有效利用和生产过程能效优化。

本文将面向节能降耗的瓦楞纸制造过程能耗监控物联网关键技术研究，提出一种基于多级数据处理的嵌入式中间件系统的体系结构，采用数据分级和分布式处理技术，并对数据进行分类处理、存储，定时向各分厂和公司总部上报能耗数据，实现实时信息处理的负载均衡，从而提高瓦楞纸制造过程的整体效率。针对瓦楞纸板生产线能源管理，采用物联网技术可以实现传统技术手段无法实现的多测点、多变量、全面有效的能耗监测［2］，为瓦楞纸板生产线的能源管理提供全新的技术手段和完备的监测平台，形成一个集过程监控、能源调度、能源管理为一体的先进能源管理和调度系统［3］，对各种能源介质进行集中监控、统一调度和平衡优化，对无人监控设备进行远程操作和控制。

1 能耗检测系统架构

能耗检测系统由数据中心层、采集终端层以及智能仪表层3部分组成，整个体系结构是一个典型的多级分布式数据采集系统［4］，系统架构如图 l所示。

图1 系统架构Fig 1 System architecture

1．1 多级分布式数据处理中心

多级分布式数据中心［5］采用数据分级和分布式处理技术，包含各级数据中心，负责接收采集终端设备的上报数据，并对数据进行分类处理、存储，定时向各分厂和公司总部上报能耗数据。同时，为管理人员提供能耗监测管理平台，为用户提供远程监测控制、能耗数据查询、能耗数据分析功能，为公众提供能耗数据查询服务。

能耗监测系统管理平台软件属于数据中心端系统，是能耗监测系统的核心部分，安装在专用服务器或计算机中，负责所辖区域的厂房等能耗的集中管理，功能涵盖仪表管理、采集终端管理、能耗管理、数据分析展示、数据报表等。管理平台使用B/S架构，易于管理维护，支持主流数据库系统，如，Microsoft SQL Server，Oracle等。管理平台支持多种能源的能耗管理，如，电、水、煤等，并有一定扩充性，可以支持日后将其他能源种类纳入监管体系。管理平台应实现多表自动抄表管理，易于添加计量仪表或其他计量设备。对于无法自动采集到的数据，支持手动录入（或导入）功能。管理平台支持对各种基础数据进行管理，包括基站信息、采集器信息、计量仪器（电表、水表等）、设备等信息管理。

1．2 基于物联网中间件的采集终端层［6］

安装于厂房内，负责整个厂房、某个区域、某个厂房或某类能源的能耗数据采集。采用符合国家建筑能耗监测技术要求的专用低功耗嵌入式采集设备，通过现场总线连接各种智能计量仪表，支持多种主流通信协议，并主动对仪表、传感设备进行数据采集，定时或按需将数据上传到数据中心层，提供AO，DO端口，可对执行器下达控制命令。

1．3 基于物联网感知层的智能仪表

2 工业环境下实时数据传输层

2．1 无线工业控制网络

无线工业控制网络（wireless industry control network，WICN）是为满足工业控制的实时需求而提出的一种新型无线网络协议［8，9］。WICN的MAC层协议基于单令牌控制，令牌沿着逻辑环路依次传递，各个站点只有在捕获令牌时才能进行数据的传输，当数据传输完成或令牌持有时间耗尽时，该站点将释放令牌并将其传递给它的后继站点。WICN利用这种基于令牌的控制机制来减少和避免网络中的信息冲突，提高网络的实时性能。

在无线分布式网络系统中，与有线主干网连接的站点作为WICN的主站，WICN中的其他站点为从站。主站负责建立和维护逻辑环路，加入逻辑环的从站拥有一个唯一的地址且工作在发送/接收模式，每个站点都知道它的前驱站和后继站地址。

2．2 异构工业控制网络集成架构WICN-H

为了实现无线/有线异构工业控制网络的集成，本文提出了一种新型的异构网络集成架构 WICN-H［10］，它包括:MODBUS/TC子网（简称 MB）、PROFIBUS．DP 子网（简称PB）（WICN．H主干网）、WICN子网和协议转换器。WICNH的拓扑结构如图2所示。

图2 WICN-H的拓扑结构Fig 2 WICN-H topology structure

3 物联网应用层能耗监控系统方案

瓦楞纸制造过程能耗监控物联网应用层是指对生产过程中涉及到煤、电力、蒸汽、水等进行可靠检测、有效地调度和控制，系统需要控制温度、生产线速度、着浆厚度、原纸厚度、气缸压力等，实现瓦楞纸生产线能源综合有效利用，可以实现对如锅炉、供电、供水、蒸汽管网等的实时监控、在线调整。

3．1 数据采集与监控系统

数据采集与监控系统是以计算机为基础的生产过程监控与调度系统，它可以对现场设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，使用对象是现场监控操作人员。WinCC是西门子公司出品的人机界面数据采集与监控系统，完美支持西门子自动化设备。WinCC用于实现过程的可视化，提供强大的组态和过程开发组件，使开发人员能快捷地开发出可供操作员使用的图形用户界面。WinCC允许过程以图形化的方式显示在屏幕上，每次过程中的状态发生改变，都会更新显示;允许操作员控制过程，例如:可以从图形界面预先定义设置值或开关阀;允许设置过程状态临界值，一旦超出，将自动发出报警信号。数据采集与控制系统如图3。

图3 数据采集与监控系统Fig 3 Data acquisition and monitoring system

3．2 基于物联网的先进能源管理系统

能源管理系统由任务单与管网子系统、报表子系统及OLAP（联机分析处理）子系统组成。系统采用分布式客户机/服务器体系结构，有机地运用了先进的系统技术、计算机技术、数据库技术、网络技术及OLAP技术，实现了对能源中心内各种能介系统运行方式变更信息和各种动力管网设备运行信息的无纸化归档管理与查询功能，集成了对各种计划、管理、决策类报表的编制与查询功能。

采用物联网技术，可以以较低的安装、维护成本实现对各类大量能源介质的在线监测，构建现场数据采集后传递给数据传输服务器的工业网络，实现大量信息的在线采集、实时传输。通过有线或无线方式，将能源管理中心所需的能源数据采集进入系统，供监视、报警、数据分析、数据计算、数据统计等用。

基于物联网的先进能源管理系统框架如图4所示。

从技术原理角度而言，蛋白质印迹检测技术是借助聚丙烯酰胺凝胶电泳，分离外源蛋白质，并与显色酶反应，通过结合反应实现分离检测。对转基因食品进行不可溶蛋白质的分析时，采用蛋白质印迹检测技术，能够检测出蛋白质含量，并且与蛋白质预定限值作对比分析，进而明确转基因食品的质量和安全性。

图4 基于物联网的先进能源管理系统Fig 4 Advanced energy source management system based on Internet of things

在基于物联网的先进能源管理系统中，通过传感器感知生产过程、电力系统、动力系统、给排水系统等的能源介质信息，通过射频识别（FRID）技术实现物料等的信息感知，构建整个能源管理系统的信息感知平台，并实现海量信息的传输;结合基于智能信息处理的中间件技术对应用过程中存在的海量数据进行处理，支持多协议转换和信息集成，为能源调度和监控提供数据支持。

3．3 能源动态平衡和优化调度方法的研究

利用计算机网络、数据库、数据仓库等先进的计算机技术，对能源管理系统（EMS）的数据资源进行提取、处理，对能源的使用实时动态调整;对蒸汽使用的影响因素进行建模;对蒸汽使用的影响因素进行构序分析;用模糊神经网作供销等量平衡预测分析;以管网和单元模型为基础，将调度问题描述为数学规划形式，用户需求为相应的目标函数，利用多目标线性数学规划方法，求解最优值，实现能源动态平衡和优化调度。

系统基于调度单元预测模型和能源网络模型，综合考虑了分级能源利用思想，自动将优化调度问题表述为大规模数学规划的形式，进一步将数学规划表达式化为线形数学规划问题，使用原始对偶内点法进行求解。综合考虑煤气、蒸汽、电力三大能源的调度，在保证能源稳定供给和生产安全运行的前提下，提高能源综合利用效率。对于煤气、蒸汽能源，减少放散浪费;对于电力能源，有效错开重要负荷的运行，削峰填谷，保证整体电力负荷相对稳定。

能源调度系统结构图如图5所示。

4 系统工作流程

瓦楞纸制造过程能耗监控物联网系统的工作流程［11］如图6所示。在公司总部设立中心服务器，采用光纤接入，采用防火墙与外界进行隔离，确保网络安全性。在企业各厂房需要进行监测的能源流程节点设置相应的智能传感器和射频识别监测器，包括瓦楞纸生产线成套设备、生产过程节点、计量装备以及耗能的监测设备;通过无线传感器网络将能源流程中监测的相关数据信息发送到数据中心服务器，存于海量数据仓库;经知识发现和数据挖掘，实现用能单位能源数据的统计、汇总和分析。

图5 能源调度系统结构图Fig 5 Structure diagram of energy scheduling system

图6 系统工作流程Fig 6 Work flow chart of system

5 节能系统方案比较

目前，节能降耗系统方案［2］有以下几种:

1）总量管理:现场没有安装传感器，根据能源购入总量和使用时间进行统计。

2）人工管理:现场安装有传感器，但是没有数据采集设备。由于现场仪表都比较老旧，不具有通信或其他输出方式。

3）独立管理:重点设备有配套的监控设备，例如:锅炉有独立的监控系统，监控锅炉的压力、温度、蒸汽、水等。

各种方案进行比较如表1。

综上所述，瓦楞纸制造过程能耗监控物联网系统具有如下优势:

1）完善能源信息的采集、存储、管理和能源的有效利用;

2）在公司层面对能源系统采用分散控制和集中管理;3）优化管理流程，建立客观能源消耗评价体系;4）减少能源系统运行成本，提高劳动生产率;

5）提高对全厂性能源事故反应能力;

6）节约能源和改善环境。

6 结束语

将物联网技术引入到瓦楞纸制造过程能耗监控的具体工作中，充分利用物联网的分层技术对能耗感知和检测，进而得到科学可信的基础数据。采集的数据通过WICN-H，光纤，Zig Bee，GPRS/CDMA，EVDO/WiFi等网络传输方式，由数据导入服务传送到能耗监测管理平台，实现对全系统的管理，以及能耗数据的储存、加工 、查询、分析等高级能源管理功能，极大地提高了能源管理与节能运行水平，满足了“集中管理、集中监控、集中维护”和相关要求。

［1］ 全球瓦楞纸箱市场概况及预测［J］．中国包装，2009，29（1）:102．

［2］ 唐昱佳．基于物联网的能源管理系统设计［J］．计算机应用与软件，2011，28（12）:161 －164．

［3］ 聂秋平．钢铁企业能源实绩平衡与优化调度策略及应用研究［D］．长沙:中南大学，2011．

［4］ 讯 九，余 海，房利国，等．基于物联网的能耗检测系统解决方案［J］．信息安全与通信保密，2012（1）:67 －69，71．

［5］ 周 赖．物联网概述［J］．信息安全与通信保密，2011（10）:63－64．

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

［7］ 何雪云，潘 林，彭伟刚．从技术角度谈物联网对相关产业的推动作用［J］．广东通信技术，2011（3）:27－28．

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

［9］ 侯维岩，刘伟春，程俊锋，等．面向无线工业网络的数据链路层协议 WICN-Z［J］．仪器仪表学报，2008，29（3）:638 －643．

［10］侯维岩，秦朝晖，王海宽，等．面向无线/有线工业网络集成的协议转换器构架［J］．仪器仪表学报，2011，32（6）:1252－1257．

［11］蔡永洪，孙晓辉，黄 锋，等．基于物联网技术的能源计量城域管理系统研究［J］．中国测试，2011，37（4）:61 －63．