污泥热泵干化机的物联网智能监控设备研发

朱建伟,盛 强,刘 威,饶宾期

(1.湖州职业技术学院 机电与汽车工程学院,浙江 湖州 313000;2.湖州市机器人系统集成与智能装备重点实验室,浙江 湖州 313000;3.中国计量大学 机电工程学院,浙江 杭州 310018)

居民生活和工业生产引发污泥量迅猛增长现象,已经一定程度上阻碍我国经济持续高质量发展,因此污泥处理设备已成为必须攻克的课题。当前国内每天需要处理数亿立方米的污水,至少产生5 000万吨(以含水率80%计算)附加污泥量急需有效处理,使得大多数污水处理厂都在超负荷运行[1-3]。国内外在污泥干燥领域,已普遍用热泵低温干化技术,避免二次污染发生。

国内外研究人员对热泵低温干化已有了相关实施经验。Kurt等[4]用太阳能储能干燥装置对污泥进行热干化,污泥含固率可提高到90%,但太阳能干化装置占地面积比较大。Al-Otoom等[5]提出了一种半联动式太阳能干燥系统,提高了污泥脱水效率,但难以实时数据采集。Zhang等[6]通过低温污泥热泵干燥系统的试验研究,发现干燥室出口湿空气温度和干燥速率随蒸发温度、冷凝温度和空气质量流量等发生变化。李荣康等[7]通过PLC提高闭式热泵污泥低温干化系统的自动化水平,研究发现了其节能效果明显优于传统的热风干化和真空干化。然而,目前污泥热泵干化设备位置布置分散,难以实时监控,不能很好地解决集群管控问题。

为此,国内学者广泛研究了物联网监控技术在热泵系统的应用[8]。傅伟良等[9]通过研究指出,污泥颗粒大小是干燥速率主要影响因素,同时需优化协调污泥内部与外部传热传质。朱志伟[10]通过WebAccess组态软件与以太网结合的方式,用PLC远程控制泵房内大型水泵和辅机设备,实现了供水泵站无人值守目标。张茹[11]对重油开采工艺及热泵组生产工艺进行分析,对软件和硬件部分进行了设计和测试,建立了泵组监控状态预估模型。韩肖侠[12]以佳木斯东区污水处理厂为例,应用物联网技术在一定程度上实现了污水处理厂的生产动态监控。

目前的研究均未能有效地解决污泥热泵干化设备的集群管控、实时检测等问题,本文将应用最新的云端物联网技术设计物联网监控系统软、硬件和污泥热泵干化物联网云平台,研究开发物联网智能监控设备,实现设备的互联性和智能化。

1 物联网监控总体方案研究

1.1 系统功能需求

以嘉兴市某公司的污泥热泵低温干化机为例,利用热泵产生的热能,通过对流热空气与污泥接触进行传热传质以蒸发污泥内水分,从而对污泥进行脱水干燥。干燥系统整体工作流程如图1。

图1 干化机工作原理

该工作系统需要实现干化机内部重要环境因子实时采集,上传到云端并进行数据可视化处理,同时利用所采集数据对干化机热泵系统、风机系统和切条机等的运行状况进行监测,实现故障联动报警、干化机远程控制和输送网带运行速度的动态调控。

1.2 总体方案设计

系统整体方案如图2,物联网监控系统采用物联网三层架构模型,多种传感器作为感知层采集环境因子,NB-IoT模组作为网络层与云端服务器进行远程通信和数据交换,Web端物联网平台与服务器通过TCP/IP通信,物联网云平台作为应用层对采集的数据进行应用。

图2 系统整体方案

1.3 监控因子选择

热风温湿度、风速、污泥厚度是对干化效果影响最大的因素,物联网监控系统需要通过传感器采集的参数间接地监测热泵干化机内各主要部件的运行状况、污泥干化效果的预测[13]。

1)热风的温湿度:由于污泥性质的复杂性、污泥进料的误差性和干化过程影响因素的多样性,本研究进行了适当简化,只考虑干化前和干化后的变化量,在出风口和回风口两个位置设置温湿度传感器。采用RS-WS-N01-MW型温湿度传感器,其具体技术参数如表1。参考热泵系统初始设计参数,出风口热风温湿度始终维持在(70 ℃/17%RH)左右,热风经过两层输送带与污泥进行传热传质,到达回风口时温湿度维持在(40 ℃/90%RH)左右。

表1 温湿度传感器技术参数

2)热风风速:热泵干化机内热风在干燥箱、热泵系统、主风机三者之间不断循环,经过两层污泥后,回风口处由于机械结构对流体的约束作用,使得热风流动方向呈水平方向。回风口的风速数据用一个RS-FS10-V型风速传感器测得,采样时间间隔是2 min,采样数据如图3。

图3 回风口风速变化

风速传感器具体技术参数如表2。由于单纯测量回风口平面内一点的风速不能代表整个平面风速值,采用网格划分测定法进行监测,将回风口均匀地划分为48个100 mm×100 mm的小正方形,用自动化夹具根据标定好的48个测量点,依次移动单个风速传感器,完成测量每个小正方形中心位置的风速并进行叠加,确定平均风速值。考虑到污泥的黏粘性,输送网带上污泥的铺设厚度会产生差异,正常运行时回风口风速在4～6 m/s范围内不断波动,如图3。

表2 风速传感器技术参数

3)污泥厚度:由于污泥的布置不均匀,用红外传感器很难准确测量污泥厚度,而超声波测距传感器主要用于平面测距。所以本系统在切条机下布置超声波测距传感器实时监测污泥的厚度,并能通过污泥厚度数据判断是否超出正常的阈值范围,如图4。

图4 污泥厚度变化

切条机正常运行状态下,污泥厚度一直在25～35 mm厚度范围内波动,通过厚度数据是否异常来判定切条机和输送网带运行状态是否正常。本文选用TELESKY公司的US-100型号超声波测距模块,将其固定安装于污泥层的正上方,其具体技术参数如表3。

表3 超声波传感器技术参数

4)继电器模块:物联网监控系统需要实现热泵干化机的远程开机和关机,并设定出泥含水率。通过STM32单片机内污泥含水率预测模型来预测含水率,当未达到设定要求时,需要控制输送网带的运行和污泥在干化机内的停留时间。因此,设置继电器模块控制干化机的开关机和输送网带的运行。

2 物联网监控系统软硬件设计

2.1 系统硬件设计

污泥热泵干化机物联网监控系统主要由数据采集系统、数据分析与计算系统、无线传输网络和物联网云平台组成。其中终端系统分为数据采集系统、数据分析与计算系统、无线传输网络三部分,是整个监控系统实现所需功能的基础部分,终端系统的硬件总体结构框图如图5。

图5 终端系统硬件结构框图

温湿度传感器采用RS485通信方式,通信协议选取Modbus-RTU,传输协议采用通用工业标准的Modbus协议,数据帧格式由地址域、功能码、数据、CRC校验组成[14],NB-IoT与STM32单片机用串口3实现异步串行通信。传感器将采集的数据发送到STM32,STM32F103芯片对数据进行预处理,动态调整输送网带运行,保证出泥含水率达到标准要求。同时单片机将数据转换成JSON格式后,通过串口3发送到NB-IoT模组,NB-IoT模组与物联网云平台通过MQTT协议进行数据交换,实现终端数据上报,云端命令接收。

1)NB-IoT电路设计:NB-IoT模组采用上海移远公司的BC26[15],其RF_ANT引脚是射频天线接口,用于连接无线通信天线,预留了SIM卡电路接口,用于读取NB-IoT专用的SIM卡信息,本系统所采用的SIM卡由中国移动通信有限公司提供。

2)继电器电路设计:本系统选用驱动电压5 V的继电器,能够对0～250 V的交流电压进行控制。继电器主要用于控制热泵干化机的开机电源和输送网带的运行,考虑到后续扩展的需要,控制板上设置了四个继电器,其原理图如图6。

图6 继电器原理图

3)MCU控制板设计:集成了STM32F103单片机的最小系统及其所需的外围器件,同时也集成了NB-IoT通信模组的BC26芯片、通信串口、通信天线、SIM卡电路和电源电路。将所有模块集成在一块板子上,布置在干化机控制柜内,便于电磁隔离。同时根据监控系统的功能需求设计了相关外设,包括三个串口通信模块、RS485通信模块、RS232通信模块、ADC/DAC模块和LED灯组等。

2.2 终端驱动软件设计

整个系统的软件设计遵循整体方案流程图,通过程序实现各项功能,并进行联合调试,使整个系统性能达到最优,整体方案流程如图7。

图7 系统软件整体方案流程图

1)NB-IoT:采用MQTT协议,内嵌了TCP/IP网络服务协议栈的NB-IoT无线通信IC。可以提供最大34 kb/s下行速率和66 kb/s上行速率的数据传输,且模块为极小尺寸LCC紧凑型封装模块[16]。主要目的是为轻量级、网络不稳定、低功耗、远程云端托管的物联网设备提供可靠的网络服务[17]。MQTT协议的运行架构如图8。

图8 MQTT协议运行架构

NB-IoT模组是整个终端系统的无线通信中继节点,通过蜂窝网络与物联网云平台建立连接。传感器数据,经过STM32单片机预处理,打包成JSON格式数据,通过MQTT协议从约定好的发布主题通道上传到云端服务器,物联网平台调用后台服务器应用数据。当物联网云平台下控制命令时,通过订阅主题通道传送到NB-IoT模块,再经串口传输给STM32单片机执行相应控制动作。

2)继电器控制软件设计:在监控系统中,继电器的作用是控制热泵干化机的开关机和输送网带的运行。为便于后续扩展开发,加了四个继电器,用PC0-PC3四个GPIO口分别控制。继电器的软件驱动用JDQ_Init()函数初始化,在main()函数内编程,JDQ=1继电器吸合,JDQ=0继电器断开。

3 污泥干化物联网云平台设计

3.1 设备接入云平台

本研究所采用阿里云物联网平台是架构在阿里云飞天系统上的云端托管平台。在产品管理页可以查看产品信息、Topic类列表、服务端订阅等信息,根据自定义功能,创建名为Wuni_nbiot的设备。

物联网云平台设备创建成功之后,自动分配给设备专用三元组(ProductKey、DeviceName、DeviceSecret)。STM32单片机编程时,将三元组嵌入到程序内部,用MQTT协议与物联网云平台连接,作为认证信息,设备连接云端开发采用阿里云提供的PythonSDK进行后端开发,实现设备ALink上云,三元组验证正确,Web端显示设备上云成功。设备上云连接完成后,即可利用发布Topic和订阅Topic进行上下行通信。

3.2 Web可视化设计

在Web可视化开发组件内,创建导航页面布局,根据需要,在监测大屏页面设计合适展示大屏,直观地展示设备地理位置分布、设备上线状况、设备消息量和日期等信息。同时可根据项目需求,自定义展示信息模块调用后台的数据API接口即可。

设备管理页面添加了设备开关机旋钮和地理定位信息窗口,用于设备的远程开关机,地理定位信息窗口调用空间可视化服务内的地理位置信息,以卫星地图的方式展示出来,如图9。

图9 物联网监控设备管理页面

通过可视化实时曲线表展示出风口和回风口的温湿度、绝对湿度和污泥含水率数据。所有数据显示和查看均可根据时间和设备名称进行选择,中间时钟组件显示当前时间,如图10。

图10 温湿度监测界面

3.3 定位与报警系统设计

由于干化设备位置固定不变,采用控制台设置干化设备所处的经纬度,终端设备所上报的出风口温度和绝对湿度数值为逻辑触发条件。用Python脚本编程对上报数据预处理,将数据流转到条件判断模块,正常运行条件是65 ℃

3.4 远程控制系统设计

物联网云平台与终端设备通过MQTT协议实现了上行和下行的双向通信,云端向终端设备下发控制命令上载到物联网云平台,调用API下发{”PowerSwitch”:1}或{”PowerSwitch”:0}命令控制干化机开、关机。终端设备会通过设备属性设置Topic:/sys/a1xgm7rxGZn/MYM{deviceName}/thi-ng/service/property/set接收到JSON格式的控制命令,需要通过JSON格式解析程序CJSON获取字段值,1:开机,0:关机。STM32单片机对下发命令做出控制继电器动作,实现干化机开关机,调试程序嵌入到旋钮开关的交互开发组件内部,实现通过Web端旋钮开关远程控制干化机的开关机动作。

4 物联网监控系统测试与分析

4.1 系统测试环境

根据污泥热泵干化特点,测试地点选择在嘉兴某公司污泥热干化处理现场,将系统的传感器放入干化机内部,进行为期5 d的测试,如图11。

图11 物联网监控测试现场

4.2 终端设备测试

主要测试温湿度传感器、风速传感器、超声波传感器与STM32单片机的通信是否正常,采集回传的数据是否正确,能否按照程序设计的采集周期进行稳定数据采集。通过不断改变外界环境,经过多次测试,传感器能够快速地进行响应,数据能在测试板的LCD屏幕上正常刷新显示,如图12。

图12 LCD数据显示

BC26入网成功后,进行测试数据上报和云端下发命令,经测试,数据上报成功,并能实时刷新。云端下发命令成功,STM32单片机能够接收下发命令,进行相应动作响应。首先在PC端安装USB转串口驱动,使用USB转串口模块连接到BC26提供串口调试,供电由单片机板子提供,如图13。

图13 BC26入网测试

4.3 物联网云平台测试

本文借助IoT Studio工具开发了系统云平台登录页面和Web可视化界面,可通过指定网址,注册账号登录系统,登录方式有账号登录和手机验证登录两种,如图14。

图14 系统登录页面

经过长时间运行,系统能够正常登录,并且可视化界面显示清晰、数据变化趋势能够直观显示。

以热泵和风机故障报警为例,在实验室环境下进行了故障报警测试。将热泵正常运行温度阈值设为0～40 ℃,绝对湿度阈值设为20～24 g/m3,超过该阈值,表明热泵出现故障。风机正常运行风速阈值为2.5～3.5 m/s,不断的改变外界环境因子,测试运行情况如图15。

图15 移动端故障报警

在阿里云RDS控台内创建名为wuni_nbiot的数据库,创建了温湿度、风速、污泥厚度、含水率数据表。在云产品流转服务中将数据进行预处理,然后流转到数据库。经过测试,数据能够正常流转到数据库,数据库的数据可直接进行分析和管理。

5 结 语

本文应用云端物联网技术设计了物联网监控系统软硬件,以STM32、NB-IoT和阿里云为核心开发了一种集数据采集、远程传输、设备上云和故障报警等功能于一体的污泥热泵干化专用智能监控设备,并进行了稳定性测试,研究结果表明如下。

1)采用物联网技术手段,利用传感器阵列组成数据采集模块,以STM32为控制核心设计了软硬件系统,完成NB-IoT模组通信,研发了一种能实现数据采集、远程传输、设备上云、数据存储、故障报警等功能的污泥热泵干化专用智能监控设备。

2)将物联网技术与传统的污泥热泵干化机结合,可以更好地远程监测设备的运行状态、控制设备运行、Web端远程监控,实现多设备的集群管理。

3)经过对污泥热泵干化的物联网监控设备在实际使用中各方面性能表现的分析,相较于过去的污泥热泵干化监控方法,该设备能够更快地完成实时数据采集和有效监控、报警,且具有操作简便、功能强、易于二次开发等优点。