工业无线现场总线在钢铁行业能源管理的应用研究
发布时间：2021-02-24 16:47
随着我国“十三五”能源发展规划的确定,作为传统高耗能制造业,钢铁工业迫切需要提高能源利用率,解决能源管理落后的问题。目前,我国大多中小型钢铁企业自动化水平还有待提高,对生产过程中的能源产耗情况无法形成全面的监控和调度,造成能源浪费甚至引发生产安全问题。本文以数据采集作为能源调度问题的切入点,研究以WirelessHART为典型的工业无线传感网络在钢铁企业能源管理中的应用,论文主要工作如下:首先介绍了WirelessHART协议栈结构,对信道跳频、时分多址等关键技术做出了说明。设计了基于冗余路径的路由算法和基于边着色的链路调度算法,提高了无线通信的可靠性与实时性,并使用OPNET软件对算法进行了仿真验证;然后以三维无线感知模型为基础,使用粒子群算法在钢铁生产现场部署WirelessHART节点,实现无线传感网络在监测区域的覆盖率优化;其次综合分析了钢铁生产中煤气、蒸汽、电力子系统的能耗关系,建立了钢铁联合调度目标函数和约束条件,将钢铁能源优化调度转化为多目标能源优化问题,采用多目标规划法进行了模型求解并通过实例验证了模型可行性;最后将工业无线传感网络与钢铁能源调度模型相结合,研究并开发了...
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
工业无线传感网络示意图
第二章WirelessHART无线传感网络8第二章WirelessHART无线传感网络2.1工业无线网络协议标准IEEE802.15.4[35]是短距离无线传感网络标准，适用于智能家居、智慧医疗、智能交通等多个领域，在工业无线传感网络诞生之前，已经出现ZigBee和Bluetooth[36]等无线通信标准，但是这些技术不能满足工业应用环境的严格要求。如图2-1所示，根据协议栈标准的不同，工业无线传感网络被分为ISA100.11a、WIA-PA、WirelessHART三大国际标准。图2-1工业无线传感网络示意图(1)ISA100.11a国际自动化学会(ISA)自2005年以来一直致力于工业无线标准ISA100.11a[37]的开发，于2014年9月被IEC批准为正式的国际标准IEC62734，成为第一个面向无线工业的标准协议。该协议明确工业无线设备包括传感器、执行器、手持设备等现场自动化设备，规范了与有线现场网络的兼容性，核心技术包括精确时间同步、自适应信道跳频、确定性调度等。(2)WIA-PAWIA-PA[38]是中科院沈阳自动化所牵头东北大学、浙江大学、北京科技大学等国内多家科研单位制定的最新的工业无线通信标准，于2011年正式批准为国际标准IEC62601。该协议旨在解决无线系统干扰信号多、功耗高等问题，对信道跳频、TDMA/CSMA混合接入、自动重传等技术进行了深入研究。
第二章WirelessHART无线传感网络9(3)WirelessHARTWirelessHART由HART通信基金会于2007年9月发布，是过程工业无线通信标准。该网络使用2.4GHz频段，通过扩频技术(DSSS)和跳频技术(FHSS)，保证网络低延时、高可靠、低功耗通信。在HART基金会的不断推下，WirelessHART得到了Emerson、Siemens、ABB、E+H[39]等世界主流自动化仪表厂商的支持，成为应用最广泛的工业无线协议。从当前IWSN网络的研究现状看，WirelessHART协议经过多年发展，与WIA-PA和ISA100.11a相比而言开发更加成熟，兼容的仪表厂商最多，基于工程设计需要，本文选用WirelessHART作为课题数据采集部分的研究基矗2.2WirelessHART协议栈结构HART是用于传感器高速通道远程寻址的开放式通信协议，于1986年引入智能仪表和控制器中，如图2-2所示，作为一种模拟化到数字化的过渡协议，HART在不影响4-20mA模拟回路输出的基础上叠加了数字信号，可以实现仪表与监控设备的双向通讯。图2-2工业无线传感网络示意图WirelessHART协议在兼容HART设备基础下，根据IWSN实际特点，取消了OSI(OpenSystemInterconnection)模型的表示层和会话层，设计了由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层组成的的OSI五层结构，如图2-3所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于目标覆盖感知的WSNs节点部署算法[J]. 符春. 中国电子科学研究院学报. 2019(10)
[2]能源消费对GDP的影响[J]. 田欣,陈燕. 生态经济. 2019(10)
[3]节能减排新形势下钢铁企业电系统优化[J]. 周佃民. 冶金动力. 2019(07)
[4]常用2.4Ghz无线技术的对比[J]. 冯帅博. 电子技术与软件工程. 2019(13)
[5]确保实现第一个百年奋斗目标——国家“十三五”规划实施评估（2016-2018）[J]. 姜佳莹,胡鞍钢,鄢一龙. 新疆师范大学学报(哲学社会科学版). 2019(04)
[6]一种高效的WSN感知节点部署设计[J]. 刘宽,吴翠侠,王丽萍. 信息技术. 2019(03)
[7]钢铁企业能源优化调度模型及应用[J]. 徐化岩,杨涛. 冶金自动化. 2019(02)
[8]面向实时监测的无线传感网低功耗通信策略[J]. 张铮,曹守启,朱建平,陈佳品. 仪器仪表学报. 2019(02)
[9]基于OPNET的大规模无线传感器网络的建模与仿真[J]. 王健. 计算机与数字工程. 2018(11)
[10]基于Datax的数据同步方案研究[J]. 陈宇收. 电脑编程技巧与维护. 2018(09)
硕士论文
[1]云平台下钢铁企业能源管理系统设计与实现[D]. 漆向会.大连理工大学 2019
[2]基于满足度的多目标规划方法研究[D]. 冯凯新.河北科技大学 2019
[3]无线传感网络覆盖控制算法研究[D]. 刘金顶.湖南大学 2017
[4]基于混合遗传算法的钢铁煤气系统平衡调度[D]. 熊璐.大连理工大学 2014
[5]面向无线传感器网络的三维覆盖策略研究[D]. 张磊.南京邮电大学 2013
[6]钢铁企业能源动态平衡和优化调度问题研究和系统设计[D]. 江文德.浙江大学 2006
本文编号：3049662
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
工业无线传感网络示意图
第二章WirelessHART无线传感网络8第二章WirelessHART无线传感网络2.1工业无线网络协议标准IEEE802.15.4[35]是短距离无线传感网络标准，适用于智能家居、智慧医疗、智能交通等多个领域，在工业无线传感网络诞生之前，已经出现ZigBee和Bluetooth[36]等无线通信标准，但是这些技术不能满足工业应用环境的严格要求。如图2-1所示，根据协议栈标准的不同，工业无线传感网络被分为ISA100.11a、WIA-PA、WirelessHART三大国际标准。图2-1工业无线传感网络示意图(1)ISA100.11a国际自动化学会(ISA)自2005年以来一直致力于工业无线标准ISA100.11a[37]的开发，于2014年9月被IEC批准为正式的国际标准IEC62734，成为第一个面向无线工业的标准协议。该协议明确工业无线设备包括传感器、执行器、手持设备等现场自动化设备，规范了与有线现场网络的兼容性，核心技术包括精确时间同步、自适应信道跳频、确定性调度等。(2)WIA-PAWIA-PA[38]是中科院沈阳自动化所牵头东北大学、浙江大学、北京科技大学等国内多家科研单位制定的最新的工业无线通信标准，于2011年正式批准为国际标准IEC62601。该协议旨在解决无线系统干扰信号多、功耗高等问题，对信道跳频、TDMA/CSMA混合接入、自动重传等技术进行了深入研究。
第二章WirelessHART无线传感网络9(3)WirelessHARTWirelessHART由HART通信基金会于2007年9月发布，是过程工业无线通信标准。该网络使用2.4GHz频段，通过扩频技术(DSSS)和跳频技术(FHSS)，保证网络低延时、高可靠、低功耗通信。在HART基金会的不断推下，WirelessHART得到了Emerson、Siemens、ABB、E+H[39]等世界主流自动化仪表厂商的支持，成为应用最广泛的工业无线协议。从当前IWSN网络的研究现状看，WirelessHART协议经过多年发展，与WIA-PA和ISA100.11a相比而言开发更加成熟，兼容的仪表厂商最多，基于工程设计需要，本文选用WirelessHART作为课题数据采集部分的研究基矗2.2WirelessHART协议栈结构HART是用于传感器高速通道远程寻址的开放式通信协议，于1986年引入智能仪表和控制器中，如图2-2所示，作为一种模拟化到数字化的过渡协议，HART在不影响4-20mA模拟回路输出的基础上叠加了数字信号，可以实现仪表与监控设备的双向通讯。图2-2工业无线传感网络示意图WirelessHART协议在兼容HART设备基础下，根据IWSN实际特点，取消了OSI(OpenSystemInterconnection)模型的表示层和会话层，设计了由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层组成的的OSI五层结构，如图2-3所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于目标覆盖感知的WSNs节点部署算法[J]. 符春. 中国电子科学研究院学报. 2019(10)
[2]能源消费对GDP的影响[J]. 田欣,陈燕. 生态经济. 2019(10)
[3]节能减排新形势下钢铁企业电系统优化[J]. 周佃民. 冶金动力. 2019(07)
[4]常用2.4Ghz无线技术的对比[J]. 冯帅博. 电子技术与软件工程. 2019(13)
[5]确保实现第一个百年奋斗目标——国家“十三五”规划实施评估（2016-2018）[J]. 姜佳莹,胡鞍钢,鄢一龙. 新疆师范大学学报(哲学社会科学版). 2019(04)
[6]一种高效的WSN感知节点部署设计[J]. 刘宽,吴翠侠,王丽萍. 信息技术. 2019(03)
[7]钢铁企业能源优化调度模型及应用[J]. 徐化岩,杨涛. 冶金自动化. 2019(02)
[8]面向实时监测的无线传感网低功耗通信策略[J]. 张铮,曹守启,朱建平,陈佳品. 仪器仪表学报. 2019(02)
[9]基于OPNET的大规模无线传感器网络的建模与仿真[J]. 王健. 计算机与数字工程. 2018(11)
[10]基于Datax的数据同步方案研究[J]. 陈宇收. 电脑编程技巧与维护. 2018(09)
硕士论文
[1]云平台下钢铁企业能源管理系统设计与实现[D]. 漆向会.大连理工大学 2019
[2]基于满足度的多目标规划方法研究[D]. 冯凯新.河北科技大学 2019
[3]无线传感网络覆盖控制算法研究[D]. 刘金顶.湖南大学 2017
[4]基于混合遗传算法的钢铁煤气系统平衡调度[D]. 熊璐.大连理工大学 2014
[5]面向无线传感器网络的三维覆盖策略研究[D]. 张磊.南京邮电大学 2013
[6]钢铁企业能源动态平衡和优化调度问题研究和系统设计[D]. 江文德.浙江大学 2006
本文编号：3049662
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