基于物聯網協議的烤煙自控儀設備優化

楊建春，劉余，張宗錦，曾宗粱，王輝，張波*

（1.四川省煙草公司攀枝花市公司，四川 攀枝花 617100；2.深圳市優博訊科技股份有限公司，廣東 深圳 518061）

0 引言

煙葉密集烘烤推行以來,自控儀在煙葉烘烤中發揮了重要作用,現有的單機自控儀已使用十余載，在煙葉生產實踐中已表現出明顯的不適應性，特別是新型供熱方式烤房的出現，其主要表現出自控程度低、溫度控制精確度低等問題。本文針對空氣源熱泵、生物質顆粒燃燒機等新型密集烤房和燃煤烤房烘烤供熱特點，進行基于物聯網協議的烤煙自控儀設備優化[1]。

1 背景及問題

1.1 新型自控儀的研制背景

針對傳統燃煤型密集烘烤效率低、能源不可再生、烘烤質量較差且排放物污染嚴重這一重大民生問題，開展其新型密集烤房清潔烘烤技術研究與示范，以降低烘烤排放物污染，實現資源化高效利用，改善農業和農村生態環境，實現區域經濟可持續發展。四川省煙草公司攀枝花市公司通過本項目建設解決傳統燃煤型密集烘烤效率低且排放物污染嚴重問題，建立煙葉智能化密集烘烤技術和高效清潔能源密集烘烤體系的科研創新平臺, 構建技術推廣模式與運行機制。其中，針對空氣源熱泵、生物質顆粒燃燒機等新型密集烤房和燃煤烤房烘烤供熱特點，結合烘烤過程中不同烘烤階段風速的需求，采用變頻控制、循環風機無級變頻控制、助燃風機動態PID控制、冷風進風門提升控制儀對烤房內實時溫度、濕度、風門開度、鼓風機控制、風機風速指標、圖像和循環風機轉速的精準自動控制，溫濕度控制精度不超過±1℃，并且有烘烤參數存儲功能，加裝無線智能模塊，研究優化出新型精準自控儀。

1.2 烤房現場的問題

（1）烘烤現場網絡信號不穩定，甚至沒有網絡，影響數據傳輸，數據傳輸延遲會影響遠程監測。（2）烤房的供電電壓不穩定，對設備沖擊較大，易造成設備故障影響烘烤進程，這是農村電網普遍存在的問題。（3）烤房煙葉視頻監控存在以下幾個問題：①烘烤現場網絡信號不穩定，甚至沒有網絡，無法進行圖像的傳輸；②監控設備的成品保護問題。（4）在煙葉精準烘烤遠程監控和管理平臺的建設工作中，對以后大量數據和圖片的傳輸和接收處理能力需進一步完善。

2 確定自控儀運行指標

采用基于DSP芯片為核心處理器的新型烤煙控制器，根據溫度濕度變化的大慣性滯后響應特性。采用數據插值方式PID控制算法，在保證算法結果可靠前提下避免因溫濕度響應滯后帶來的頻繁調節鼓風機和冷風風門進風量的問題。控制策略方面，根據烤房實際溫濕度要求，控制鼓風機的啟停及冷風風門以步進開閉方式，保證排濕控制的準確性，烤房內濕度控制精度在±1%以內，溫度精度在±1℃以內。

圖1 烘烤數據曲線-1（07-25）

新型控制儀能夠精確地控制溫、濕度，并且采用變頻控制技術，與循環風機變頻器形成聯動，根據烤煙過程中的不同階段對風量的要求，準確控制循環風機的轉速，從而達到風量的有效控制[2]。而老式烤煙控制器則采用定頻控制，無法達到上述精準技術。

圖2 烘烤數據曲線-2（08-08）

圖3 烘烤數據曲線-3（08-21）

在0～100%范圍內自動調節風門的開度，自動鼓風控制，精準控制溫、濕度。新型自控儀（變頻）電機采取在不同階段用不同頻率調節電機轉速，整個烘烤階段風速變化幅度應穩定在0.20～0.50m/s之間[3]。

圖4 不同烘烤階段葉縫間風速變化曲線圖

3 自控儀研制及優化過程

本次深圳市優博訊科技股份有限公司共研制4套智能自控儀樣機進行示范。

其中第1套（設備編號：3020170600003）與重慶肯佐空氣源熱泵新型烤房對接，進行下步葉烘烤。在新型烤房裝2套溫度檢測設備，1套作為控制使用，另1套備用。自控儀溫、濕度控制準確，同時青煙所安裝2套溫度檢測設備，共計6個點分布測試烤房各點溫度，所測溫度與自控儀溫度基本一致；

第2套（設備編號：3020170600001）與生物質燃燒機對接，在土烤房進行烘烤。控制正常，目前正在進行第二房煙葉烘烤中；

第3套（設備編號：3020170600002）與重慶肯佐空氣源熱泵對接，在土烤房進行烘烤。后因循環風機壞，更換3相循環風機，自控儀改裝3相變頻器，待進行下一房煙葉烘烤；

第4套（設備編號：3020170600004）安裝于土烤房，用燃煤進行烘烤。中途因風門控制出現故障，更換為老式控制儀，后檢查為風門控制極性設置相反，出現排濕的時候為關閉狀態[4]。

4 研制密集烤房遠程精準檢測系統

4.1 烘烤大數據收集

通過收集各類烤房的烘烤過程數據，以此為基礎，建立了后臺大數據中心。中國農業科學院煙草研究所根據各類數據進行有效的分析，一方面得出最適宜的煙葉烘烤參數和曲線，另一方面便于更有效的對煙葉烘烤工作進行有針對性的管理。

4.2 烤煙過程數據的保存和統計

控制器具有過程數據自動保存功能，按一炕煙7~8天的烤煙周期為一組數據計算，可以保存不少于300組數據。這些數據包括：溫度變化曲線；濕度變化曲線；冷風門步進開度曲線；循環風機轉速變化曲線；烤煙時間累計；超溫報警；低溫報警；循環風機故障；系統斷電故障等數據。通過預留的通訊接口，可以將上述數據上傳至集中控制中心的服務器，通過不斷收集各類烤房的烘烤過程數據，以此為基礎，建立后臺大數據中心。根據各類數據進行有效的分析，一方面得出最適宜的煙葉烘烤參數和曲線；另一方面便于更有效的對煙葉烘烤工作進行有針對性的管理[5]。

圖5 APP數據保存和統計界面

4.3 新型智能自控儀的遠程監控

4.3.1 遠程數據監控

四套新型智能自控儀均已安裝遠程數據傳輸模塊，實現遠程監控，手機APP端查看數據。達到遠程實時知曉烤房烘烤的狀況，準確的對烤房進行升溫、穩溫等燒火操作，確保溫濕度不出現較大弧度波動[6]。

圖6 遠程數據傳輸模塊

圖7 烤煙烤房圖像監控系統拓撲圖

圖8

4.3.2 遠程視頻監控

除此以外，還可實時查看烘烤視頻。在新型板房安裝視頻監控系統進行煙葉顏色觀察，該次安裝于烤房內部實現拍攝監控功能，設備調試完畢[7]。

5 結語

新型控制儀能夠精確地控制溫、濕度，并且采用變頻控制技術，與循環風機變頻器形成聯動，根據烤煙過程中的不同階段對風量的要求，準確控制循環風機的轉速，從而達到風量的有效控制。而老式烤煙控制器則采用定頻控制，無法達到上述精準技術[8]。

新型烤煙控制器具有自動運行功能和手動干預方式下的半自動功能。在煙葉、裝煙量及氣象條件負荷標準的情況下，可以采用自動運行模式，降低煙農的工作量，避免人為操作失誤帶來的烤壞煙情況。當存在煙葉水分超標或多雨等情況時，可以通過手動干預方式，對不同烤煙階段的溫度和時間進行調整，當手動干預結束后可以自動進入下一階段。且在控制器操作方面力求操作簡單，便于煙農掌握使用[9-11]。

利用無線通信數字技術和云服務器+智能手機終端的有效集合，通過無線遠程數據自動傳輸技術，手機終端APP可接收烤房實時數據。通過該系統的建設，已部分實現遠程烤房數據收集和分析。可以通過信息發布平臺及時發布煙葉生產過程中的各項信息，推廣煙葉種植、烤煙的成功經驗。

圖9 遠程監控攝像頭

圖10 攝像頭拍攝照片

未來計劃引入專家系統，及時解答煙農在生產過程中出現的問題，利用現代化信息平臺的優勢，打造基于國家大力倡導的“互聯網+”的現代農業管理模式。