瓦楞纸制造过程能耗监控物联网关键技术研究

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l 747.10万吨，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。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，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，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，系统架构如图1所示。

图1 系统架构

1.1 多级分布式数据处理中心

多级分布式数据中心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

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

包含各种具备数据远传功能的智能计量仪表(如，单相电能表、三相电能表、多功能电能表、水表、压力测量仪表、热(冷)量表等)、传感设备及执行器，负责各类能源的实时用量计量，为能耗数据采集终端提供原始能耗数据。

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。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-Hu，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。WICN-H的拓扑结构如图2所示。