CN106774037A - 一种基于物联网云平台的智能电伴热控制*** - Google Patents

一种基于物联网云平台的智能电伴热控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,该控制***包括设备域、网络域和应用域三部分;设备域与网络域相交互,网络域和应用域相交互。在传统电伴热控制器的基础上,在物联网体系结构的基础上,通过互联网,将所有的电伴热控制器组成一个物物相连的网络,实现对设备监控、智能数据分析、消息分发、远程升级的基础服务。当设备发生故障时能够通过网络进行短信等智能报警,移动终端通过web实时查询设备工作状态,实现人与设备的实时自然交互,展现出了一种更加智能化的便捷控制***。

Description

一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***
技术领域
本发明公开了一种具备高精度温度控制、数据存储、报警的电伴热控制***。属于工业自动控制领域,涉及电伴热控制器的设计,高精度温度控制,智能控制算法及物联网云平台等。
背景技术
随着现代工业技术的发展,工业生产水平和人们生活质量都在不断提高,随之而来各方面对电伴热的需求量也越来越大。而电伴热技术因为具有较多的优势,已被广泛用来替代传统的蒸汽、热水等伴热方式。在石油、石化、核电、冶金、消防、船舶、隧道等工程应用领域,作业现场的管道、阀门、仪表及工艺管线的正常工作都需要维持在定的温度范围内,温度的过高或过低都会对***的性能产生影响,稳定、有效的温度控制是***正常工作的必备条件。
电伴热***的大量应用,势必消耗大量的能源,因此就要考虑节能问题。目前我国仍处于工业社会的前期,在工业上表现出来的特征是能源消耗大、源材料消耗多、生产效率低、产品质量差。传统的蒸汽伴热的缺点显而易见,同时对实现自动化管理、监控也存在很大的难度。
电伴热在提高能源利用率,节省工程投资的同时,提高了企业自动化程度和管理水平。同时基于互联网技术的高速发展,在物联网技术的引导依托下,将智能电伴热与物联网技术相结合,展现出了一种更加智能化的便捷控制***。本***的主要创新是将物联网技术应用到电伴热***中,在物联网体系结构的基础上,企业可以将所有的电伴热控制器之间组成一个物物相连的网络,然后在互联网的基础上,对设备进行监控、智能预测离线数据分析、消息分发、远程升级的基础服务;在设备发生故障时能够通过网络进行短信等智能报警,同时微信作为一款流行的移动通信软件,拥有8亿多的活跃用户,利用微信公众平台的功能模块,可以进行信息发布、交互和交流。基于微信公众号的利用,我们可以通过关注微信公众账号,与微信用户进行定制的信息交互和硬件设备的数据及工作状态查询。从而高效的利用移动终端实时查询设备工作状态,实现人与设备的实时自然交互。与此同时,此电伴热加入智能控制算法,可以根据不同的控制环境及要求,选择适当的控制算法策略进行温度控制,比传统的电伴热更节能、智能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电伴热***能源消耗大、原材料消耗多、自动化管理、监控难度大等缺点,提出了一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***。
根据上述现有技术中提出的问题,本发明是在常规电伴热控制器设计上,增加了温度控制算法库,算法库集成了自整定PID控制算法,变论域模糊PID控制算法、环境温度比例控制算法、受热对象温度开关控制算法。针对不同的控制对象的特征需求,选用不同的控制算法,实现电伴热控制器的最优化控制策略,从而更加精确地对控制对象实现很好的控制,比传统的电伴热更节能、智能。硬件提高采样精度,使控制***的控制性能及自动化管理、实时监控及数据处理、智能预测离线数据分析能力有很大的提高,使用互联网实现了设备与设备之间的互连互通,同时物联网的加入,为设备的监控、智能预测离线数据分析、消息分发、远程升级、数据的检测和故障检测提供了更便捷的途径。控制器使用FreeRTOS作为操作***,LwIP以太网协议栈、移动物联网Onenet平台接入协议以及Modbus-TCP、Modbus-RTU作为常用通讯协议,实现了网络的互联互通。将智能电伴热控制器接入互联网,通过结合微信公众平台,用户可以使用微信对电伴热设备实时查询、检测控制器工作状态,并且在设备发生故障时,在线记录设备故障情况及远程短信报警。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,该控制***包括设备域、网络域和应用域三部分;设备域与网络域相交互,网络域和应用域相交互。
本发明的结构如图1所示:设备域采用的为嵌入式设备,嵌入式设备的核心处理单元为stm32f207微处理器,还包括电源电路、复位电路、存储器电路、看门狗电路、晶振电路和调试测试接口,电源电路、复位电路、存储器电路、看门狗电路、晶振电路和调试测试接口均与stm32f207微处理器连接。核心处理单元的外设功能电路部分包括21路温度信号采集、6路电流信号采样、12路断路器状态监测、18路继电器信号控制、工业触摸屏通信接口和RS485及以太网通信功能模块,外设功能电路部分与核心处理单元连接。设备域中,电伴热控制器由传感器采集数据。温度控制算法库与电伴热控制器连接。
网络域采用物联网平台,物联网平台支持Restful API接口、Socket接口以及MQTT、Modbus协议,物联网平台与设备域使用EDP协议进行交互连接。
应用域采用第三方业务平台,第三方业务平台包括微信和PC端。第三方业务平台提供数据库服务、存储与CDN服务、应用程序服务、通信服务、第三方智能设备APP,依托第三方业务平台作为Web服务器,使用PHP语言开发***业务平台所需的应用。微信公众平台使用开发者模式后,首先用户使用手机客户端发送命令给微信公众平台,然后通过微信公众平台将这个请求发送给SAE服务器,SAE服务器将微信端请求发送给电伴热硬件设备,设备返回相应信息,最后将SAE服务器处理完毕后生成的消息返回至微信公众平台,微信公众平台将消息发送到微信客户端,完成微信与设备域的硬件设备的数据通信交互。
设备域的硬件设备中,电伴热控制器实时将采集被控对象的温度值、工作电流值以及工作状态,显示在液晶触摸屏及本地组态上位机并存储到本地存储器与云服务数据库中,同时控制器通过控制算法策略,根据温度采样值决定控制器加热回路的通断状态。
控制器正常工作过程中,不断进行过流、断缆、漏电、传感器故障检测,当***检测到故障时,***本地发出现场声光报警和远程报警,同时切换到相应备用电缆继续工作。
控制器在接入OneNet平台后,实时传输数据及工作状态到OneNet平台,用户可以实时在线进行设备监控、智能预测离线数据分析、消息分发、远程升级等服务。同时PC设备可以通过Web访问基于SAE的业务应用,实时查询设备工作状态,下发配置参数等功能,从而实现人与设备的实时自然交互。
结合微信公众平台,使用微信客户端,用户进行来客登记、留言。除此之外进行定制的信息交互和硬件设备的数据及工作状态查询。从而高效的利用移动终端实时查询设备工作状态,实现人与设备的实时自然交互。
本发明的智能控制装置***包括以下几个部分:
1.处理器的最小***电路,由电源电路、复位电路、存储器电路、看门狗电路、晶振电路和调试测试接口。
2.处理器的外设功能电路,该部分包括13路温度信号采集、6路电流信号采集、8路断路器状态监测、8路继电器信号控制、工业触摸屏通信接口和RS485及以太网通信功能模块。
本发明提供的温度控制算法库,具体包括以下部分:
(1)设计了PID自整定算法,常见的工业控制对象具有非线性、时变性以及不确定性等因素,导致PID参数采用人工整定的方法比较耗费时间,整定的效果也比较差,在本发明中增加了PID自整定的算法,能够自动确定设备运行的PID参数,节省了时间,提高了控制效果。
(2)将测量误差、灵敏度等因数考虑在内,在常规PID控制中,由于微分系数的存在使得***对扰动有较敏感的响应,对于扰动的抑制能力大大减弱。设计中增加微分先行+变积分的控制方法。
(3)由于控制对象的非线性、大惯性、时变性以及不确定性等因素,仅仅采用PID控制,控制效果比较差。该方法在改进了常规PID控制方法的基础上,增加了模糊控制算法,通过建立模仿人类知识语言的模糊规则表,以及隶属度函数来进行模糊控制运算,使用模糊控制与常规PID控制相结合的方式,能够提高控制器在控制对象具有非线性、时变性以及不确定性等因素的控制效果。
(4)在实际工程项目应用中,一个地区环境温度在段时间内变换不大,传感器输出是一个稳定的数值,可以作为***的参考对象,根据***一般应用要求,在一些对于温度控制精度不高的要求并不是太高场合,可以使用温度环境比例控制方式来实现对受热对象的温度控制。
附图说明
图1***结构示意图。
图2***硬件结构框图。
图3温度采集及调理接口电路图。
图4电流检测及调理接口电路图。
图5微信公众号平台界面图。
图6远程PC端控制界面图。
具体实施方式
根据下文结合附图对本发明具体实施的详细描述,本领域技术人员将会更加明了本发明的上述优点和特征。
此智能控制器工作原理主要包括以下四个阶段:
①上电检测:控制器启动后进入巡回检测状态,首先检测第一条开启通道温度,液晶触摸屏显示温度值,显示1.5s后检测第二条开启通道,依次类推直到所有开启通道检测完毕,如果相应通道有故障则显示在故障区。
②参数设置:根据被控对象特征工艺需求,设置温度控制模式、选择智能控制算法;设置超低温报警值、环境温度阈值、过流报警关闭电缆值、保温温度开启、关闭值或者恒温温度值。
③正常工作:当被控对象工艺要求控制温度精度比较高的情况下,设备正常工作在恒温控制模式,则控制对象基本保持设定的恒定温度,智能算法控制库应用于此阶段;当被控对象要求控制温度精度不高的情况下,设备工作在简单的开关控制模式下,此模式下控制对象温度保持在一定的温度范围内,保温状态。当被控对象处于短时间内环境温度变化不大的情况下,控制器可以采用环境温度比例控制算法,通过环境温度这一参考值,决定控制器加热回路的通断状态。工作过程中,不断进行过流、断缆、漏电、传感器故障检测,同时实时传输数据到OneNet平台、液晶触摸屏及组态上位机显示。
④故障处理:当***检测到故障时,***本地发出现场声光报警和远程报警,同时切换到相应备用电缆继续工作。
首先控制***硬件结构如图2所示。
电源模块,为控制***各模块提供电量。为控制芯片和输出模块分别提供不同的隔离电源,包括+12V、-12V、+5V、-5V。
微控制器,选用ST公司的stm32f207,具有大容量的存储内存空间和高性能的运算速度,可以保证运行一些温度控制算法。
看门狗和复位电路,选用SP706,为专门的看门狗复位芯片,可以提高***的稳定性和抗干扰行。
温度传感器和输入信号调理电路,温度传感器选用PT100或者NTC,可以通过触摸液晶屏进行选择。PT100温度的采集范围在-50℃~+50℃,NTC温度采样范围在-30℃~+50℃满足设备需求。信号调理电路选用电桥方式,把PT100变化的电阻值转化为对应的电压值,再通过模拟多路复用芯片HCF4067,输出到AD620电压放大,最终输送信号到控制器的ADC进行采样,经过换算得到实际温度值,采集到的温度送至微控制器处理,部分接口放大电路如图3所示。
电流检测和输入信号调理电路,通过电流互感器实时检测加热电缆电流,最终电压信号进行AD转化以达到过流报警检测,部分接口电路如图4所示。
输出信号调理电路和执行器,控制器运算得到的数字控制量,可以将输出方式根据需求转化为开关量、PWM输出等。控制量逻辑输出控制固态继电器开关状态及现场声光报警。
数据存储模块,选用FM24CL04,存储的数据具有掉电保存的功能,用于存储设备关键参数数据、故障报警状态数据。
此智能控制器云服务的具体实现:
***使用SAE平台作为硬件数据与微信公众平台进行数据传输的服务器。SAE平台不仅有代码检查、平台级防攻击、SQL语言性能分析等功能,而且提供了分布式计算和存储服务供给开发者使用。使用SAE提供的web服务,本***开发了针对电伴热智能设备的监控平台,用户使用浏览器可以查看设备在线及工作状态。***微信模块选择微信公众平台作为与硬件模块进行数据传输的工具,这个平台有很好的开发性,个人和企业都可以拥有自己的微信公众账号,而且可以传输文字、图片、语音等信息。本***从微信公众平台提供的服务号、订阅号、企业号中选择订阅号,因为订阅号主要向个人用户开放,而且是免费的,微信公众号平台界面如图5所示。物联网平台使用中移物联网OneNet,本***使用了其IOT数据云进行硬件的接入,提供固件管理、配置更新、通知推送、硬件联动等服务,作为平台的平台,为各个业务平台提供接入、传输、存储和展示等基础设施,降低开发成本。
远程PC通过Web访问显示控制界面,通过登录密码进入管理页面,页面中包括参数配置、报警记录、设备管理、用户中心。用户可以通过设备管理进行设备新增、更新、查看、删除等操作,通过设备监控可以查看工作状态、回路电流、检测点温度、报警状态、温度变化曲线图,远程PC端控制界面如图6所示。对整个***进行测试调试,各项功能满足需求,表现出可靠的硬件性能和软件性能,本发明简单、方便、实用性强。

Claims (7)

1.一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,其特征在于:该控制***包括设备域、网络域和应用域三部分;设备域与网络域相交互,网络域和应用域相交互;
设备域采用的为嵌入式设备,嵌入式设备的核心处理单元为stm32f207微处理器,还包括电源电路、复位电路、存储器电路、看门狗电路、晶振电路和调试测试接口,电源电路、复位电路、存储器电路、看门狗电路、晶振电路和调试测试接口均与stm32f207微处理器连接;核心处理单元的外设功能电路部分包括21路温度信号采集、6路电流信号采样、12路断路器状态监测、18路继电器信号控制、工业触摸屏通信接口和RS485及以太网通信功能模块,外设功能电路部分与核心处理单元连接;设备域中,电伴热控制器由传感器采集数据;温度控制算法库与电伴热控制器连接;
网络域采用物联网平台,物联网平台支持Restful API接口、Socket接口以及MQTT、Modbus协议,物联网平台与设备域使用EDP协议进行交互连接;
应用域采用第三方业务平台,第三方业务平台包括微博、微信和PC端;第三方业务平台提供数据库服务、存储与CDN服务、应用程序服务、通信服务、第三方智能设备APP,依托第三方业务平台作为Web服务器,使用PHP语言开发***业务平台所需的应用;微信公众平台使用开发者模式后,首先用户使用手机客户端发送命令给微信公众平台,然后通过微信公众平台将这个请求发送给SAE服务器,SAE服务器将微信端请求发送给电伴热硬件设备,设备返回相应信息,最后将SAE服务器处理完毕后生成的消息返回至微信公众平台,微信公众平台将消息发送到微信客户端,完成微信与设备域的硬件设备的数据通信交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,其特征在于:设备域的硬件设备中,电伴热控制器实时将采集被控对象的温度值、工作电流值以及工作状态,显示在液晶触摸屏及本地组态上位机并存储到本地存储器与云服务数据库中,同时控制器通过控制算法策略,根据温度采样值决定控制器加热回路的通断状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,其特征在于:控制器正常工作过程中,不断进行过流、断缆、漏电、传感器故障检测,当***检测到故障时,***本地发出现场声光报警和远程报警,同时切换到相应备用电缆继续工作。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,其特征在于:控制器在接入OneNet平台后,实时传输数据及工作状态到OneNet平台,用户可以实时在线进行设备监控、智能预测离线数据分析、消息分发、远程升级等服务;同时PC设备可以通过Web访问基于SAE的业务应用,实时查询设备工作状态,下发配置参数功能,从而实现人与设备的实时自然交互。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,其特征在于:结合微信公众平台,使用微信客户端,用户进行来客登记、留言;除此之外进行定制的信息交互和硬件设备的数据及工作状态查询;从而高效的利用移动终端实时查询设备工作状态,实现人与设备的实时自然交互。
6.根据权利要求1所述的一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,其特征在于:本发明提供的温度控制算法库,具体包括以下部分:
(1)设计了PID自整定算法,常见的工业控制对象具有非线性、时变性以及不确定性等因素,导致PID参数采用人工整定的方法比较耗费时间,整定的效果也比较差,在本发明中增加了PID自整定的算法,能够自动确定设备运行的PID参数,节省了时间,提高了控制效果;
(2)将测量误差、灵敏度等因数考虑在内,在常规PID控制中,由于微分系数的存在使得***对扰动有较敏感的响应,对于扰动的抑制能力大大减弱;设计中增加微分先行+变积分的控制方法;
(3)由于控制对象的非线性、大惯性、时变性以及不确定性等因素,仅仅采用PID控制,控制效果比较差;该方法在改进了常规PID控制方法的基础上,增加了模糊控制算法,通过建立模仿人类知识语言的模糊规则表,以及隶属度函数来进行模糊控制运算,使用模糊控制与常规PID控制相结合的方式,能够提高控制器在控制对象具有非线性、时变性以及不确定性等因素的控制效果;
(4)在实际工程项目应用中,一个地区环境温度在段时间内变换不大,传感器输出是一个稳定的数值,作为***的参考对象,根据***一般应用要求,对于温度控制精度不高的要求并不是太高场合,使用温度环境比例控制方式来实现对受热对象的温度控制。
7.根据权利要求1所述的一种基于物联网云平台的智能电伴热控制***,其特征在于:在电伴热控制器设计上,增加了温度控制算法库,算法库集成了自整定PID控制算法,变论域模糊PID控制算法、环境温度比例控制算法、受热对象温度开关控制算法;针对不同的控制对象的特征需求,选用不同的控制算法,实现电伴热控制器的最优化控制策略,从而更加精确地对控制对象实现很好的控制,比传统的电伴热更节能、智能;硬件提高采样精度,使控制***的控制性能及自动化管理、实时监控及数据处理、智能预测离线数据分析能力有很大的提高,使用互联网实现了设备与设备之间的互连互通,同时物联网的加入,为设备的监控、智能预测离线数据分析、消息分发、远程升级、数据的检测和故障检测提供了更便捷的途径;控制器使用FreeRTOS作为操作***,LwIP以太网协议栈、移动物联网Onenet平台接入协议以及Modbus-TCP、Modbus-RTU作为常用通讯协议,实现了网络的互联互通;将智能电伴热控制器接入互联网,通过结合微信公众平台,用户可以使用微信对电伴热设备实时查询、检测控制器工作状态,并且在设备发生故障时,在线记录设备故障情况及远程短信报警。
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