基于WSN和ARM的混合能源辊道窑控制系统设计

摘 要： 传统辊道窑能耗大、窑室温度不易均衡稳定地控制在最佳温度下，出产率及高质量成品率均限制着企业的发展。为了有效提高产能，确保产品质量，研究采用无线传感器网络（WSN）和嵌入式平台，运用物联网技术构建基于太阳能、市电和水煤气能源供给的混合能源辊道窑控制系统，主要包含WSN终端、协调器与ARM主控器以及USB接口的软硬件设计，可实时采集窑内温度、尾气气体浓度、变频电机转速和水煤气含量等参数，经WSN终端数据采集、实时传输并通过协调器上传与WSN接收端通信，最终完成混合能源自动高效协同供热等任务。该混合能源辊道窑控制系统具备良好的稳定性、可靠性和实时性。

关键词： 无线传感器网络； 混合能源； 辊道窑； 指令微控制器； 智能控制系统

中图分类号： TN926?34 文献标识码： A 文章编号： 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 wภithin 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

建筑行业对能源的需求量巨大，约占我国国民经济总能耗的30%，而现有建筑的95%以上为高能耗建筑[1]。在我国的能源消耗量高居世界之首的情况下，对建筑行业尤其是传统建筑行业进行现代化、自动控制化改造，提高生产效率及成品质量，降低能源消耗及企业对生产生活环境的污染，有利于企业的长期、稳定、健康发展，有利于能源多效利用及环境资源的可持续利用及保护，具有了非常重要的战略意义[2?3]。

基于WSN和ARM的混合能源辊道窑充分利用太阳能光伏板、水煤气及备用市电所提供的能源，以最佳方式匹配能源供给，以太阳能最大功率跟踪最大化太阳能能源的利用[4]，结合水煤气最佳燃烧温度控制[5?6]、市电备用供热，实现能源的多效高效利用。在此基础上构建的控制系统保证了产品烧制温度维持在最佳温度上，为实现高产率高成品率提供了强力保障。

1 系统控制方案设计

本文以黑龙江省齐齐哈尔市龙江县龙江神华节能墙材有限公司的泡沫玻璃保温墙体材料生产车间为例，基于WSN和ARM的混合能源辊道窑控制系统首要能源来源为太阳能光伏板提供的电能，其次为水煤气燃烧提供的热能，最后为前两者供能不足时启用的市电电能。此三种能源组成的混合能源供应方式在保证能源供应充足的同时能最大化利用清洁能源、减少传统能源的使用、节省能源、大幅度降低生产废气对环境造成的污染。

由于ZigBee无线通信技术稳定可靠，技术完善，成本低廉[7]，因此本控制系统的控制单元由ZigBee和Cortex?A8组成的网关构成，WSN数据采集端由部署在辊道窑窑体外部的多个ZigBee节点构成。

ZigBee节点的安放位置根据辊道窑窑内温度模拟场[8]来确定，高精度温度传感器安装在辊道窑窑体内，并连接在ZigBee终端上，当温度传感器和可燃气体浓度检测传感器采集到数据后，通过板载GPIO传递给CC2530芯片，数据被打包后再无线发送给协调器，协调器将数据包接收并按照无线网络传感器网络中终端和协调器间的数据协议格式拆解、分析数据，将关键信息通过USB?TTL模块传至主控芯片Cortex?A8。系统总体设计方案，如图1所示。 Cortex?A8主控器板载GPIO与电压转换模块的I/O口连接[9]，探测太阳能光伏板输出功率，太阳能光伏板根据最大功率输出模型设置在最佳输出状态，此✌时Cortex?A8主控器获取太阳能输出功率后，会通过尾气中CO的含量判断水煤气燃烧程度，若检测到CO浓度偏高，则加快尾回收同时减缓煤炭的输送，反之，则减缓尾气回收。因水煤气燃烧程度反映了窑内燃空比， 也影响着窑内温度发生变化，借助尾气CO浓度，Cortex?A8主控器通过反馈来的温度判断窑内温度是否控制在最佳烧制温度（800 ℃），若高于该温度，且尾气CO浓度正常时，Cortex?A8主控器通过电机加快烧制品送出窑体，同时适当减缓上煤速度，减弱水煤气的产生；若高于该温度，且尾气CO浓度偏高时，除采取上述措施外还需加大尾气回收力度；当窑内燃烧温度低于最佳温度，尾气CO含量正常时，Cortex?A8主控器通过电机控制减缓烧制品的链带输送速度，延长烧制时间，在实时监控尾气CO浓度的前提下，适当加快上煤速度，增加空气进风量，保证窑室温度快速回升到最佳烧制温度。

当窑室温度低于最佳烧制温度，尾气CO含量偏高时，减缓链带输送速度、延长烧制时间、加快上煤、增加进风量。同时，加大尾气回收力度，保证窑内燃烧温度快速稳定至最佳燃烧温度。

在太阳能光伏板不能提供足够电能、窑内温度达不到最佳燃烧温度时，启用市电对窑室加热，Cortex?A8通过获取窑内室温、尾气可燃气体浓度等数据，对通风量、上煤速度、尾气回收力度及烧制品运送链带速度进行控制，确保烧制温度在可控范围内稳定保持在最佳烧制温度上。

2 硬件电路设计

2.1 系统主控器硬件总体设计

基于WSN和ARM的混合能源辊道窑控制系统主控器为高性能的Cortex?A8和CC2530构成的控制网关[10]，如图2所示。

2.2 协调器与主控芯片USB接口转换电路

窑内温度信息由无线传感器网络终端的ZigBee模块采集并发送至ZigBee协调器，此时ZigBee协调器主芯片CC2530的TXD和RXD 均为TTL电平，而非USB信号，不可与主控器的USB接口直接通信，故此两者通信过程需要电平转换模块[11]，PL2303成本低、性能稳定，可完成电平匹配功能，使ZigBee协调器与主控器通信。

2.3 主控器与网络接口设计

主控器上电后操作系统启动，无线传感器网络终端处的数据汇总到协调器ฅ，协调器将数据发送至主控器Cortex?A8，在没有人为干预下，系统根据设定的初始阈值做出相应的操作，为了使生产全过程可实时监视，窑室温度数据能远程查看，将主控器接收的数据通过Internet网络上传至后台服务器，Cort❤ex?A8与网络通信需通过DM9000模块实现，两者连接电路如图3所示。

3 软件设计

3.1 ZigBee协议栈流程

ZigBee协议栈Z?StackTM由TI公司推出，因其具有极低复杂度、低功耗、数据传输可靠、自主动态组网、稳定性好等特点，将其运用于ZigBee技术的开发不仅能降低系统成本，且能保证系统的稳定高效[7]。Z?Stack协议栈构架如图4所示。

3.2 Cortex?A8操作系统工作流程

本ARM处理器的软件系统包括启动程序、操作系统、驱动程序和应用程序，最先执行启动程序，完成一些必要的系统及初始化操作，如图5所示。

3.3 控制系统软件流程

控制系统检测窑室温度、尾气浓度、太阳能光伏板实际输出功率，通过将其与主控器端的对应预设值进行对比，对不同情况进行不同处理，由主控器向带电机的ZigBee终端发送控制信息，完成对上煤速度、通风量、尾气回收力度及市电启动进行控制，保证窑室温度维持在最佳烧制温度上，具体控制流程如图6所示。

3.4 上位机软件设计

本软件可运行于Cortex?A8和PC上，用户可以查看当前窑室温度、尾气气体浓度、太阳能光伏板输出功率等信息，并可通过阈值设置后的“设置”下拉菜单选项对各项监测数据阈值进行重新设定，控制系统会按照重新设置的阈值进行监测及自动调控，用户也可通过开关按钮进行人为干预。“历史数据”选项能连续记录过去2天生产过程的监测数据并以图表形式展现，“更多设置”则允许用户添加、删除某些监测端点。

本软件操作简单、功能完善，交互性好，能较好地配合控制系统稳定地工作。如图7所示。

4 结 语

本控制系统能最大化利用太阳能能源，通过监测材料在烧制过程中的窑室温度、尾气可燃气体浓度、太阳能光伏板实际输出功率等数据，对水煤气反应装置的上煤速度、空气通风量、尾气残气及热量回收力度进行调控，保证窑室温度维持在材料最佳烧制温度上，减少煤炭及市电的使用，降低了生产成本，提高了生产率及产品质量，减少了对环境的污染，对企业的可持续健康发展有重要价值。

参考文献

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