污泥熱泵干化機的物聯網智能監控設備研發

朱建偉,盛 強,劉 威,饒賓期

(1.湖州職業技術學院 機電與汽車工程學院,浙江 湖州 313000;2.湖州市機器人系統集成與智能裝備重點實驗室,浙江 湖州 313000;3.中國計量大學 機電工程學院,浙江 杭州 310018)

居民生活和工業生產引發污泥量迅猛增長現象,已經一定程度上阻礙我國經濟持續高質量發展,因此污泥處理設備已成為必須攻克的課題。當前國內每天需要處理數億立方米的污水,至少產生5 000萬噸(以含水率80%計算)附加污泥量急需有效處理,使得大多數污水處理廠都在超負荷運行[1-3]。國內外在污泥干燥領域,已普遍用熱泵低溫干化技術,避免二次污染發生。

國內外研究人員對熱泵低溫干化已有了相關實施經驗。Kurt等[4]用太陽能儲能干燥裝置對污泥進行熱干化,污泥含固率可提高到90%,但太陽能干化裝置占地面積比較大。Al-Otoom等[5]提出了一種半聯動式太陽能干燥系統,提高了污泥脫水效率,但難以實時數據采集。Zhang等[6]通過低溫污泥熱泵干燥系統的試驗研究,發現干燥室出口濕空氣溫度和干燥速率隨蒸發溫度、冷凝溫度和空氣質量流量等發生變化。李榮康等[7]通過PLC提高閉式熱泵污泥低溫干化系統的自動化水平,研究發現了其節能效果明顯優于傳統的熱風干化和真空干化。然而,目前污泥熱泵干化設備位置布置分散,難以實時監控,不能很好地解決集群管控問題。

為此,國內學者廣泛研究了物聯網監控技術在熱泵系統的應用[8]。傅偉良等[9]通過研究指出,污泥顆粒大小是干燥速率主要影響因素,同時需優化協調污泥內部與外部傳熱傳質。朱志偉[10]通過WebAccess組態軟件與以太網結合的方式,用PLC遠程控制泵房內大型水泵和輔機設備,實現了供水泵站無人值守目標。張茹[11]對重油開采工藝及熱泵組生產工藝進行分析,對軟件和硬件部分進行了設計和測試,建立了泵組監控狀態預估模型。韓肖俠[12]以佳木斯東區污水處理廠為例,應用物聯網技術在一定程度上實現了污水處理廠的生產動態監控。

目前的研究均未能有效地解決污泥熱泵干化設備的集群管控、實時檢測等問題,本文將應用最新的云端物聯網技術設計物聯網監控系統軟、硬件和污泥熱泵干化物聯網云平臺,研究開發物聯網智能監控設備,實現設備的互聯性和智能化。

1 物聯網監控總體方案研究

1.1 系統功能需求

以嘉興市某公司的污泥熱泵低溫干化機為例,利用熱泵產生的熱能,通過對流熱空氣與污泥接觸進行傳熱傳質以蒸發污泥內水分,從而對污泥進行脫水干燥。干燥系統整體工作流程如圖1。

圖1 干化機工作原理

該工作系統需要實現干化機內部重要環境因子實時采集,上傳到云端并進行數據可視化處理,同時利用所采集數據對干化機熱泵系統、風機系統和切條機等的運行狀況進行監測,實現故障聯動報警、干化機遠程控制和輸送網帶運行速度的動態調控。

1.2 總體方案設計

系統整體方案如圖2,物聯網監控系統采用物聯網三層架構模型,多種傳感器作為感知層采集環境因子,NB-IoT模組作為網絡層與云端服務器進行遠程通信和數據交換,Web端物聯網平臺與服務器通過TCP/IP通信,物聯網云平臺作為應用層對采集的數據進行應用。

圖2 系統整體方案

1.3 監控因子選擇

熱風溫濕度、風速、污泥厚度是對干化效果影響最大的因素,物聯網監控系統需要通過傳感器采集的參數間接地監測熱泵干化機內各主要部件的運行狀況、污泥干化效果的預測[13]。

1)熱風的溫濕度:由于污泥性質的復雜性、污泥進料的誤差性和干化過程影響因素的多樣性,本研究進行了適當簡化,只考慮干化前和干化后的變化量,在出風口和回風口兩個位置設置溫濕度傳感器。采用RS-WS-N01-MW型溫濕度傳感器,其具體技術參數如表1。參考熱泵系統初始設計參數,出風口熱風溫濕度始終維持在(70 ℃/17%RH)左右,熱風經過兩層輸送帶與污泥進行傳熱傳質,到達回風口時溫濕度維持在(40 ℃/90%RH)左右。

表1 溫濕度傳感器技術參數

2)熱風風速:熱泵干化機內熱風在干燥箱、熱泵系統、主風機三者之間不斷循環,經過兩層污泥后,回風口處由于機械結構對流體的約束作用,使得熱風流動方向呈水平方向?；仫L口的風速數據用一個RS-FS10-V型風速傳感器測得,采樣時間間隔是2 min,采樣數據如圖3。

圖3 回風口風速變化

風速傳感器具體技術參數如表2。由于單純測量回風口平面內一點的風速不能代表整個平面風速值,采用網格劃分測定法進行監測,將回風口均勻地劃分為48個100 mm×100 mm的小正方形,用自動化夾具根據標定好的48個測量點,依次移動單個風速傳感器,完成測量每個小正方形中心位置的風速并進行疊加,確定平均風速值?？紤]到污泥的黏粘性,輸送網帶上污泥的鋪設厚度會產生差異,正常運行時回風口風速在4～6 m/s范圍內不斷波動,如圖3。

表2 風速傳感器技術參數

3)污泥厚度:由于污泥的布置不均勻,用紅外傳感器很難準確測量污泥厚度,而超聲波測距傳感器主要用于平面測距。所以本系統在切條機下布置超聲波測距傳感器實時監測污泥的厚度,并能通過污泥厚度數據判斷是否超出正常的閾值范圍,如圖4。

圖4 污泥厚度變化

切條機正常運行狀態下,污泥厚度一直在25～35 mm厚度范圍內波動,通過厚度數據是否異常來判定切條機和輸送網帶運行狀態是否正常。本文選用TELESKY公司的US-100型號超聲波測距模塊,將其固定安裝于污泥層的正上方,其具體技術參數如表3。

表3 超聲波傳感器技術參數

4)繼電器模塊:物聯網監控系統需要實現熱泵干化機的遠程開機和關機,并設定出泥含水率。通過STM32單片機內污泥含水率預測模型來預測含水率,當未達到設定要求時,需要控制輸送網帶的運行和污泥在干化機內的停留時間。因此,設置繼電器模塊控制干化機的開關機和輸送網帶的運行。

2 物聯網監控系統軟硬件設計

2.1 系統硬件設計

污泥熱泵干化機物聯網監控系統主要由數據采集系統、數據分析與計算系統、無線傳輸網絡和物聯網云平臺組成。其中終端系統分為數據采集系統、數據分析與計算系統、無線傳輸網絡三部分,是整個監控系統實現所需功能的基礎部分,終端系統的硬件總體結構框圖如圖5。

圖5 終端系統硬件結構框圖

溫濕度傳感器采用RS485通信方式,通信協議選取Modbus-RTU,傳輸協議采用通用工業標準的Modbus協議,數據幀格式由地址域、功能碼、數據、CRC校驗組成[14],NB-IoT與STM32單片機用串口3實現異步串行通信。傳感器將采集的數據發送到STM32,STM32F103芯片對數據進行預處理,動態調整輸送網帶運行,保證出泥含水率達到標準要求。同時單片機將數據轉換成JSON格式后,通過串口3發送到NB-IoT模組,NB-IoT模組與物聯網云平臺通過MQTT協議進行數據交換,實現終端數據上報,云端命令接收。

1)NB-IoT電路設計:NB-IoT模組采用上海移遠公司的BC26[15],其RF_ANT引腳是射頻天線接口,用于連接無線通信天線,預留了SIM卡電路接口,用于讀取NB-IoT專用的SIM卡信息,本系統所采用的SIM卡由中國移動通信有限公司提供。

2)繼電器電路設計:本系統選用驅動電壓5 V的繼電器,能夠對0～250 V的交流電壓進行控制。繼電器主要用于控制熱泵干化機的開機電源和輸送網帶的運行,考慮到后續擴展的需要,控制板上設置了四個繼電器,其原理圖如圖6。

圖6 繼電器原理圖

3)MCU控制板設計:集成了STM32F103單片機的最小系統及其所需的外圍器件,同時也集成了NB-IoT通信模組的BC26芯片、通信串口、通信天線、SIM卡電路和電源電路。將所有模塊集成在一塊板子上,布置在干化機控制柜內,便于電磁隔離。同時根據監控系統的功能需求設計了相關外設,包括三個串口通信模塊、RS485通信模塊、RS232通信模塊、ADC/DAC模塊和LED燈組等。

2.2 終端驅動軟件設計

整個系統的軟件設計遵循整體方案流程圖,通過程序實現各項功能,并進行聯合調試,使整個系統性能達到最優,整體方案流程如圖7。

圖7 系統軟件整體方案流程圖

1)NB-IoT:采用MQTT協議,內嵌了TCP/IP網絡服務協議棧的NB-IoT無線通信IC?？梢蕴峁┳畲?4 kb/s下行速率和66 kb/s上行速率的數據傳輸,且模塊為極小尺寸LCC緊湊型封裝模塊[16]。主要目的是為輕量級、網絡不穩定、低功耗、遠程云端托管的物聯網設備提供可靠的網絡服務[17]。MQTT協議的運行架構如圖8。

圖8 MQTT協議運行架構

NB-IoT模組是整個終端系統的無線通信中繼節點,通過蜂窩網絡與物聯網云平臺建立連接。傳感器數據,經過STM32單片機預處理,打包成JSON格式數據,通過MQTT協議從約定好的發布主題通道上傳到云端服務器,物聯網平臺調用后臺服務器應用數據。當物聯網云平臺下控制命令時,通過訂閱主題通道傳送到NB-IoT模塊,再經串口傳輸給STM32單片機執行相應控制動作。

2)繼電器控制軟件設計:在監控系統中,繼電器的作用是控制熱泵干化機的開關機和輸送網帶的運行。為便于后續擴展開發,加了四個繼電器,用PC0-PC3四個GPIO口分別控制。繼電器的軟件驅動用JDQ_Init()函數初始化,在main()函數內編程,JDQ=1繼電器吸合,JDQ=0繼電器斷開。

3 污泥干化物聯網云平臺設計

3.1 設備接入云平臺

本研究所采用阿里云物聯網平臺是架構在阿里云飛天系統上的云端托管平臺。在產品管理頁可以查看產品信息、Topic類列表、服務端訂閱等信息,根據自定義功能,創建名為Wuni_nbiot的設備。

物聯網云平臺設備創建成功之后,自動分配給設備專用三元組(ProductKey、DeviceName、DeviceSecret)。STM32單片機編程時,將三元組嵌入到程序內部,用MQTT協議與物聯網云平臺連接,作為認證信息,設備連接云端開發采用阿里云提供的PythonSDK進行后端開發,實現設備ALink上云,三元組驗證正確,Web端顯示設備上云成功。設備上云連接完成后,即可利用發布Topic和訂閱Topic進行上下行通信。

3.2 Web可視化設計

在Web可視化開發組件內,創建導航頁面布局,根據需要,在監測大屏頁面設計合適展示大屏,直觀地展示設備地理位置分布、設備上線狀況、設備消息量和日期等信息。同時可根據項目需求,自定義展示信息模塊調用后臺的數據API接口即可。

設備管理頁面添加了設備開關機旋鈕和地理定位信息窗口,用于設備的遠程開關機,地理定位信息窗口調用空間可視化服務內的地理位置信息,以衛星地圖的方式展示出來,如圖9。

圖9 物聯網監控設備管理頁面

通過可視化實時曲線表展示出風口和回風口的溫濕度、絕對濕度和污泥含水率數據。所有數據顯示和查看均可根據時間和設備名稱進行選擇,中間時鐘組件顯示當前時間,如圖10。

圖10 溫濕度監測界面

3.3 定位與報警系統設計

由于干化設備位置固定不變,采用控制臺設置干化設備所處的經緯度,終端設備所上報的出風口溫度和絕對濕度數值為邏輯觸發條件。用Python腳本編程對上報數據預處理,將數據流轉到條件判斷模塊,正常運行條件是65 ℃

3.4 遠程控制系統設計

物聯網云平臺與終端設備通過MQTT協議實現了上行和下行的雙向通信,云端向終端設備下發控制命令上載到物聯網云平臺,調用API下發{”PowerSwitch”:1}或{”PowerSwitch”:0}命令控制干化機開、關機。終端設備會通過設備屬性設置Topic:/sys/a1xgm7rxGZn/MYM{deviceName}/thi-ng/service/property/set接收到JSON格式的控制命令,需要通過JSON格式解析程序CJSON獲取字段值,1:開機,0:關機。STM32單片機對下發命令做出控制繼電器動作,實現干化機開關機,調試程序嵌入到旋鈕開關的交互開發組件內部,實現通過Web端旋鈕開關遠程控制干化機的開關機動作。

4 物聯網監控系統測試與分析

4.1 系統測試環境

根據污泥熱泵干化特點,測試地點選擇在嘉興某公司污泥熱干化處理現場,將系統的傳感器放入干化機內部,進行為期5 d的測試,如圖11。

圖11 物聯網監控測試現場

4.2 終端設備測試

主要測試溫濕度傳感器、風速傳感器、超聲波傳感器與STM32單片機的通信是否正常,采集回傳的數據是否正確,能否按照程序設計的采集周期進行穩定數據采集。通過不斷改變外界環境,經過多次測試,傳感器能夠快速地進行響應,數據能在測試板的LCD屏幕上正常刷新顯示,如圖12。

圖12 LCD數據顯示

BC26入網成功后,進行測試數據上報和云端下發命令,經測試,數據上報成功,并能實時刷新。云端下發命令成功,STM32單片機能夠接收下發命令,進行相應動作響應。首先在PC端安裝USB轉串口驅動,使用USB轉串口模塊連接到BC26提供串口調試,供電由單片機板子提供,如圖13。

圖13 BC26入網測試

4.3 物聯網云平臺測試

本文借助IoT Studio工具開發了系統云平臺登錄頁面和Web可視化界面,可通過指定網址,注冊賬號登錄系統,登錄方式有賬號登錄和手機驗證登錄兩種,如圖14。

圖14 系統登錄頁面

經過長時間運行,系統能夠正常登錄,并且可視化界面顯示清晰、數據變化趨勢能夠直觀顯示。

以熱泵和風機故障報警為例,在實驗室環境下進行了故障報警測試。將熱泵正常運行溫度閾值設為0～40 ℃,絕對濕度閾值設為20～24 g/m3,超過該閾值,表明熱泵出現故障。風機正常運行風速閾值為2.5～3.5 m/s,不斷的改變外界環境因子,測試運行情況如圖15。

圖15 移動端故障報警

在阿里云RDS控臺內創建名為wuni_nbiot的數據庫,創建了溫濕度、風速、污泥厚度、含水率數據表。在云產品流轉服務中將數據進行預處理,然后流轉到數據庫。經過測試,數據能夠正常流轉到數據庫,數據庫的數據可直接進行分析和管理。

5 結 語

本文應用云端物聯網技術設計了物聯網監控系統軟硬件,以STM32、NB-IoT和阿里云為核心開發了一種集數據采集、遠程傳輸、設備上云和故障報警等功能于一體的污泥熱泵干化專用智能監控設備,并進行了穩定性測試,研究結果表明如下。

1)采用物聯網技術手段,利用傳感器陣列組成數據采集模塊,以STM32為控制核心設計了軟硬件系統,完成NB-IoT模組通信,研發了一種能實現數據采集、遠程傳輸、設備上云、數據存儲、故障報警等功能的污泥熱泵干化專用智能監控設備。

2)將物聯網技術與傳統的污泥熱泵干化機結合,可以更好地遠程監測設備的運行狀態、控制設備運行、Web端遠程監控,實現多設備的集群管理。

3)經過對污泥熱泵干化的物聯網監控設備在實際使用中各方面性能表現的分析,相較于過去的污泥熱泵干化監控方法,該設備能夠更快地完成實時數據采集和有效監控、報警,且具有操作簡便、功能強、易于二次開發等優點。