基于WSN和ARM的混合能源輥道窯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 傳統(tǒng)輥道窯能耗大、窯室溫度不易均衡穩(wěn)定地控制在最佳溫度下，出產(chǎn)率及高質(zhì)量成品率均限制著企業(yè)的發(fā)展。為了有效提高產(chǎn)能，確保產(chǎn)品質(zhì)量，研究采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和嵌入式平臺(tái)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建基于太陽(yáng)能、市電和水煤氣能源供給的混合能源輥道窯控制系統(tǒng)，主要包含WSN終端、協(xié)調(diào)器與ARM主控器以及USB接口的軟硬件設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)采集窯內(nèi)溫度、尾氣氣體濃度、變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速和水煤氣含量等參數(shù)，經(jīng)WSN終端數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸并通過(guò)協(xié)調(diào)器上傳與WSN接收端通信，最終完成混合能源自動(dòng)高效協(xié)同供熱等任務(wù)。該混合能源輥道窯控制系統(tǒng)具備良好的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 混合能源； 輥道窯； 指令微控制器； 智能控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN926?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）16?0167?04

Abstract： The traditional roller kiln has huge energy consumption， and the kiln temperature can’t be easily and stably controlled within the optimum temperature range， so its production rate and high quality yield all restrict the development of the relative enterprises. To effectively improve the production rate and ensure the product quality， the wireless sensor networks （WSN） and embedded platform are adopted， and the Internet of Things technology is used to construct the hybrid energy roller kiln control system supplied with solar energy， electric supply and water gas. The system is composed of USB interface， WSN terminal， coordinator and ARM master controller， and can collect the parameters of temperature inside the kiln， exhaust gas concentration， inverter motor speed and water gas content in real time. The data is acquired through WSN terminal， transmitted in real time， and then uploaded through the coordinator to communicate with WSN receiver to accomplish the automatic and efficient collaboration heat supply of hybrid energy. The hybrid energy roller kiln control system has good stability， reliability and real?time performance.

Keywords： WSN； hybrid energy； roller kiln； instruction microcontroller； intelligent control system

0 引 言

建筑行業(yè)對(duì)能源的需求量巨大，約占我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗的30%，而現(xiàn)有建筑的95%以上為高能耗建筑[1]。在我國(guó)的能源消耗量高居世界之首的情況下，對(duì)建筑行業(yè)尤其是傳統(tǒng)建筑行業(yè)進(jìn)行現(xiàn)代化、自動(dòng)控制化改造，提高生產(chǎn)效率及成品質(zhì)量，降低能源消耗及企業(yè)對(duì)生產(chǎn)生活環(huán)境的污染，有利于企業(yè)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、健康發(fā)展，有利于能源多效利用及環(huán)境資源的可持續(xù)利用及保護(hù)，具有了非常重要的戰(zhàn)略意義[2?3]。

基于WSN和ARM的混合能源輥道窯充分利用太陽(yáng)能光伏板、水煤氣及備用市電所提供的能源，以最佳方式匹配能源供給，以太陽(yáng)能最大功率跟蹤最大化太陽(yáng)能能源的利用[4]，結(jié)合水煤氣最佳燃燒溫度控制[5?6]、市電備用供熱，實(shí)現(xiàn)能源的多效高效利用。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的控制系統(tǒng)保證了產(chǎn)品燒制溫度維持在最佳溫度上，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率高成品率提供了強(qiáng)力保障。

1 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

本文以黑龍江省齊齊哈爾市龍江縣龍江神華節(jié)能墻材有限公司的泡沫玻璃保溫墻體材料生產(chǎn)車間為例，基于WSN和ARM的混合能源輥道窯控制系統(tǒng)首要能源來(lái)源為太陽(yáng)能光伏板提供的電能，其次為水煤氣燃燒提供的熱能，最后為前兩者供能不足時(shí)啟用的市電電能。此三種能源組成的混合能源供應(yīng)方式在保證能源供應(yīng)充足的同時(shí)能最大化利用清潔能源、減少傳統(tǒng)能源的使用、節(jié)省能源、大幅度降低生產(chǎn)廢氣對(duì)環(huán)境造成的污染。

由于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)穩(wěn)定可靠，技術(shù)完善，成本低廉[7]，因此本控制系統(tǒng)的控制單元由ZigBee和Cortex?A8組成的網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，WSN數(shù)據(jù)采集端由部署在輥道窯窯體外部的多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

ZigBee節(jié)點(diǎn)的安放位置根據(jù)輥道窯窯內(nèi)溫度模擬場(chǎng)[8]來(lái)確定，高精度溫度傳感器安裝在輥道窯窯體內(nèi)，并連接在ZigBee終端上，當(dāng)溫度傳感器和可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)傳感器采集到數(shù)據(jù)后，通過(guò)板載GPIO傳遞給CC2530芯片，數(shù)據(jù)被打包后再無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包接收并按照無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)中終端和協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)協(xié)議格式拆解、分析數(shù)據(jù)，將關(guān)鍵信息通過(guò)USB?TTL模塊傳至主控芯片Cortex?A8。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

Cortex?A8主控器板載GPIO與電壓轉(zhuǎn)換模塊的I/O口連接[9]，探測(cè)太陽(yáng)能光伏板輸出功率，太陽(yáng)能光伏板根據(jù)最大功率輸出模型設(shè)置在最佳輸出狀態(tài)，此時(shí)Cortex?A8主控器獲取太陽(yáng)能輸出功率后，會(huì)通過(guò)尾氣中CO的含量判斷水煤氣燃燒程度，若檢測(cè)到CO濃度偏高，則加快尾回收同時(shí)減緩煤炭的輸送，反之，則減緩尾氣回收。因水煤氣燃燒程度反映了窯內(nèi)燃空比， 也影響著窯內(nèi)溫度發(fā)生變化，借助尾氣CO濃度，Cortex?A8主控器通過(guò)反饋來(lái)的溫度判斷窯內(nèi)溫度是否控制在最佳燒制溫度（800 ℃），若高于該溫度，且尾氣CO濃度正常時(shí)，Cortex?A8主控器通過(guò)電機(jī)加快燒制品送出窯體，同時(shí)適當(dāng)減緩上煤速度，減弱水煤氣的產(chǎn)生；若高于該溫度，且尾氣CO濃度偏高時(shí)，除采取上述措施外還需加大尾氣回收力度；當(dāng)窯內(nèi)燃燒溫度低于最佳溫度，尾氣CO含量正常時(shí)，Cortex?A8主控器通過(guò)電機(jī)控制減緩燒制品的鏈帶輸送速度，延長(zhǎng)燒制時(shí)間，在實(shí)時(shí)監(jiān)控尾氣CO濃度的前提下，適當(dāng)加快上煤速度，增加空氣進(jìn)風(fēng)量，保證窯室溫度快速回升到最佳燒制溫度。

當(dāng)窯室溫度低于最佳燒制溫度，尾氣CO含量偏高時(shí)，減緩鏈帶輸送速度、延長(zhǎng)燒制時(shí)間、加快上煤、增加進(jìn)風(fēng)量。同時(shí)，加大尾氣回收力度，保證窯內(nèi)燃燒溫度快速穩(wěn)定至最佳燃燒溫度。

在太陽(yáng)能光伏板不能提供足夠電能、窯內(nèi)溫度達(dá)不到最佳燃燒溫度時(shí)，啟用市電對(duì)窯室加熱，Cortex?A8通過(guò)獲取窯內(nèi)室溫、尾氣可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)，對(duì)通風(fēng)量、上煤速度、尾氣回收力度及燒制品運(yùn)送鏈帶速度進(jìn)行控制，確保燒制溫度在可控范圍內(nèi)穩(wěn)定保持在最佳燒制溫度上。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主控器硬件總體設(shè)計(jì)

基于WSN和ARM的混合能源輥道窯控制系統(tǒng)主控器為高性能的Cortex?A8和CC2530構(gòu)成的控制網(wǎng)關(guān)[10]，如圖2所示。

2.2 協(xié)調(diào)器與主控芯片USB接口轉(zhuǎn)換電路

窯內(nèi)溫度信息由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的ZigBee模塊采集并發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，此時(shí)ZigBee協(xié)調(diào)器主芯片CC2530的TXD和RXD 均為TTL電平，而非USB信號(hào)，不可與主控器的USB接口直接通信，故此兩者通信過(guò)程需要電平轉(zhuǎn)換模塊[11]，PL2303成本低、性能穩(wěn)定，可完成電平匹配功能，使ZigBee協(xié)調(diào)器與主控器通信。

2.3 主控器與網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

主控器上電后操作系統(tǒng)啟動(dòng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端處的數(shù)據(jù)匯總到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控器Cortex?A8，在沒(méi)有人為干預(yù)下，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的初始閾值做出相應(yīng)的操作，為了使生產(chǎn)全過(guò)程可實(shí)時(shí)監(jiān)視，窯室溫度數(shù)據(jù)能遠(yuǎn)程查看，將主控器接收的數(shù)據(jù)通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)上傳至后臺(tái)服務(wù)器，Cortex?A8與網(wǎng)絡(luò)通信需通過(guò)DM9000模塊實(shí)現(xiàn)，兩者連接電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee協(xié)議棧流程

ZigBee協(xié)議棧Z?StackTM由TI公司推出，因其具有極低復(fù)雜度、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、自主動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，將其運(yùn)用于ZigBee技術(shù)的開(kāi)發(fā)不僅能降低系統(tǒng)成本，且能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效[7]。Z?Stack協(xié)議棧構(gòu)架如圖4所示。

3.2 Cortex?A8操作系統(tǒng)工作流程

本ARM處理器的軟件系統(tǒng)包括啟動(dòng)程序、操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，最先執(zhí)行啟動(dòng)程序，完成一些必要的系統(tǒng)及初始化操作，如圖5所示。

3.3 控制系統(tǒng)軟件流程

控制系統(tǒng)檢測(cè)窯室溫度、尾氣濃度、太陽(yáng)能光伏板實(shí)際輸出功率，通過(guò)將其與主控器端的對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不同情況進(jìn)行不同處理，由主控器向帶電機(jī)的ZigBee終端發(fā)送控制信息，完成對(duì)上煤速度、通風(fēng)量、尾氣回收力度及市電啟動(dòng)進(jìn)行控制，保證窯室溫度維持在最佳燒制溫度上，具體控制流程如圖6所示。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本軟件可運(yùn)行于Cortex?A8和PC上，用戶可以查看當(dāng)前窯室溫度、尾氣氣體濃度、太陽(yáng)能光伏板輸出功率等信息，并可通過(guò)閾值設(shè)置后的“設(shè)置”下拉菜單選項(xiàng)對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行重新設(shè)定，控制系統(tǒng)會(huì)按照重新設(shè)置的閾值進(jìn)行監(jiān)測(cè)及自動(dòng)調(diào)控，用戶也可通過(guò)開(kāi)關(guān)按鈕進(jìn)行人為干預(yù)?！皻v史數(shù)據(jù)”選項(xiàng)能連續(xù)記錄過(guò)去2天生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并以圖表形式展現(xiàn)，“更多設(shè)置”則允許用戶添加、刪除某些監(jiān)測(cè)端點(diǎn)。

本軟件操作簡(jiǎn)單、功能完善，交互性好，能較好地配合控制系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。如圖7所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本控制系統(tǒng)能最大化利用太陽(yáng)能能源，通過(guò)監(jiān)測(cè)材料在燒制過(guò)程中的窯室溫度、尾氣可燃?xì)怏w濃度、太陽(yáng)能光伏板實(shí)際輸出功率等數(shù)據(jù)，對(duì)水煤氣反應(yīng)裝置的上煤速度、空氣通風(fēng)量、尾氣殘氣及熱量回收力度進(jìn)行調(diào)控，保證窯室溫度維持在材料最佳燒制溫度上，減少煤炭及市電的使用，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量，減少了對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)企業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展有重要價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李騰，張九根，毛韻嘉.蓄能供熱采暖技術(shù)在建筑采暖中的應(yīng)用與研究[J].電氣應(yīng)用，2015（2）：87?89.

[2] 戴月.基于模糊PID的電鍋爐溫度控制研究[J].電氣應(yīng)用，2014（24）：27?30.

[3] 趙海瓊.建筑信息模型在建筑結(jié)構(gòu)一體化協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2015（2）：14?18.

[4] 吳婧，周秋霞.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)保產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用研究綜述[J].價(jià)值工程，2015（10）：274?277.

[5] ILBA? M， KARYEYEN S. Modelling of combustion performances and emission characteristics of coal gases in a model gas turbine combustor [J]. International journal of energy research， 2014， 38（9）： 1171?1180.

[6] 何麗莉.一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)框架在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控中的應(yīng)用研究[J].電氣應(yīng)用，2014（20）：94?97.

[7] YEH L W， PAN M S. Beacon scheduling for broadcast and convergecast in ZigBee wireless sensor networks [J]. Computer communications， 2013， 38（1）： 1?12.

[8] MEZQUITA A， BOIX J， MONFORT E， et al. Energy saving in ceramic tile kilns： Cooling gas heat recovery [J]. Applied thermal engineering， 2014， 65（1/2）： 102?110.

[9] 劉家曉，謝云.基于Modbus協(xié)議的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2011，24（2）：95?97.

[10] 袁佳，焦志曼，余建波，等.基于GPRS和ZigBee的遠(yuǎn)程分布式燈光控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2015，36（1）：108?114.

[11] 沈立峰，陳虞蘇.基于MT9J003的視頻采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].硅谷，2013（22）：50.