汪鳳珠 白 焰 王仁書

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

電廠超濾系統(tǒng)低功耗無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

汪鳳珠 白 焰 王仁書

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

為克服現(xiàn)有化學(xué)水處理系統(tǒng)所存在的成本高、布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差等缺陷，提出了一種基于ZigBee的電廠鍋爐補(bǔ)給水超濾系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，并給出了詳細(xì)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程。對狀態(tài)檢測的能耗進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，利用PLC實(shí)現(xiàn)了整個無線監(jiān)測系統(tǒng)。測試表明，該設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求并且具有較低的功耗。

電廠超濾系統(tǒng) 低功耗 ZigBee 無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) CC2430 PLC

0 引言

相對于有線系統(tǒng)，工業(yè)無線傳輸系統(tǒng)既節(jié)省了電纜、簡化了安裝、縮短了維護(hù)時間、延伸了原有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制范圍，又提供了極高的靈活性和拓展性，有效地補(bǔ)充了有線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線。由于采用了擴(kuò)頻或者調(diào)頻技術(shù)，工業(yè)無線傳輸系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下也具有較強(qiáng)的抗干擾性?，F(xiàn)有的無線協(xié)議主要有WiFi、藍(lán)牙、超寬帶和ZigBee等。其中，ZigBee是一種低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率的近距離無線通信技術(shù)，尤其適合用于能量有限的工業(yè)現(xiàn)場［1］。

本文以內(nèi)蒙某電廠鍋爐補(bǔ)給水處理中的超濾系統(tǒng)為設(shè)計(jì)背景，利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)時獲取現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，并通過Profibus總線將數(shù)據(jù)上傳至PLC，利用PLC與上位計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，將設(shè)備的狀態(tài)傳遞到上位機(jī)畫面組態(tài)軟件InTouch中，以形成監(jiān)控畫面，為化學(xué)水處理系統(tǒng)的順序控制奠定基礎(chǔ)［2-3］。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

電廠鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)工藝流程為:生水箱→生水泵→疊片過濾器→超濾→超濾水箱→超濾水泵→保安過濾器→高壓泵→反滲透裝置→除碳器→淡水箱→淡水泵→一級除鹽加混床→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。其中，超濾系統(tǒng)作為原水預(yù)處理，能夠有效去除水中的懸浮物、膠體和有機(jī)大分子等雜質(zhì)，使出水水質(zhì)能夠滿足反滲透設(shè)備的進(jìn)水要求，有效地保護(hù)了反滲透膜，降低了清洗頻率。另一方面，由于超濾膜上的微孔很小，在運(yùn)行一段時間后，會有截留物質(zhì)沉聚在膜的內(nèi)表面。為維持超濾性能的長期穩(wěn)定，需要定期、短暫地從過濾的相反方向?qū)Τ瑸V膜組件進(jìn)行化學(xué)加藥清洗(即反洗，包括氣洗、全反洗、上反洗、下反洗和正沖過程)。

電廠共有4套超濾系統(tǒng)，它們連接到同一個大容量超濾水箱中。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，1#、2#超濾作為一組同時投運(yùn)，而3#、4#超濾作為另一組提供備用。超濾系統(tǒng)的程控步序包括正洗、運(yùn)行和反洗，與這些操作相關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備有生水泵、超濾反洗水泵、氧化劑計(jì)量泵、進(jìn)水閥、正排閥、反洗出水閥、出水閥、進(jìn)氣閥和反洗進(jìn)水閥。

電廠超濾系統(tǒng)由兩個建立在ISM 2.4 GHz頻段的不同信道上的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。閥門無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由1#、2#超濾系統(tǒng)(共12個閥門)和網(wǎng)關(guān)1構(gòu)成，電機(jī)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由3臺生水泵、2臺超濾反洗水泵、2臺氧化劑計(jì)量泵和網(wǎng)關(guān)2構(gòu)成。每個閥門和泵上都安裝了一個ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)時檢測設(shè)備狀態(tài)?，F(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過Profibus總線到達(dá)控制器(這里使用西門子PLC)。最后利用PLC系統(tǒng)與上位計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，所有被控設(shè)備的狀態(tài)(閥門的開關(guān)、泵的啟停)進(jìn)入上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，形成超濾系統(tǒng)的監(jiān)控畫面和歷史趨勢畫面，運(yùn)行人員就可以輕松查看鍋爐補(bǔ)給水超濾系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

本文偏重于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的軟硬件部分，不涉及控制器編程軟件 Siemens Step7和上位機(jī)畫面組態(tài)軟件InTouch的細(xì)節(jié)。電廠超濾系統(tǒng)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)如圖 1 所示［4-5］。

圖1 超濾系統(tǒng)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Wireless monitoring network in ultrafiltration system

2 硬件設(shè)計(jì)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)由1個協(xié)調(diào)器和1個以上的路由器或終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成?？紤]到現(xiàn)場閥門與閥門、泵與泵之間的距離不是很遠(yuǎn)，都處于無線個域網(wǎng)的通信范圍之內(nèi)，使用單跳網(wǎng)絡(luò)就足夠了，所以系統(tǒng)無線部分的軟硬件設(shè)計(jì)只涉及終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)

閥門終端節(jié)點(diǎn)是通過檢測閥門回信器上的常閉觸點(diǎn)K1和常開觸點(diǎn)K2來獲取自身狀態(tài)的，如圖2所示。

圖2 閥門的狀態(tài)檢測電路圖Fig.2 Circuit diagram of the state detection of valves

圖2中，CC2430模塊是狀態(tài)檢測的核心，它由CC2430芯片及其應(yīng)用電路(上電復(fù)位、32 MHz晶振、32.768 kHz晶振和天線)組成，其外圍保留了CC2430的20個引腳［6-7］。為減少功耗，當(dāng)需要檢測閥門狀態(tài)時，CC2430先置P0.4為0，以導(dǎo)通各路光耦，再從引腳P0.5、P0.7讀入 K1、K2的狀態(tài)。若 K1、K2的狀態(tài)相同，表示閥門出現(xiàn)故障;若K1閉合、K2斷開，表示閥門開啟;若K1斷開、K2閉合，表示閥門關(guān)閉。在不需要檢測閥門狀態(tài)時，CC2430置P0.4引腳為1，各路光耦截止，外圍檢測電路不耗費(fèi)能量。電機(jī)側(cè)的終端節(jié)點(diǎn)需要檢測5路開關(guān)量，分別代表泵的運(yùn)行、停止、事故跳閘、遠(yuǎn)方就地和保護(hù)設(shè)備自診斷信號。與常開觸點(diǎn)K2的檢測相類似，這 5 路信號分別從引腳 P0.5、P0.6、P1.2、P1.3和P1.4讀入。

2.2 協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關(guān)

閥門網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是相同的。網(wǎng)關(guān)底板主要由CC2430模塊、C51單片機(jī)、Profibus協(xié)議芯片VPC3+C和Profibus接口驅(qū)動芯片AMD2486構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)上的CC2430模塊作為ZigBee協(xié)調(diào)器，接收來自終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過RS-232串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給C51單片機(jī)。VPC3+C將C51提取出的有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合Profibus總線協(xié)議的數(shù)據(jù)包，并通過AMD2486將數(shù)據(jù)上傳到PLC的寄存器中。

3 軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是基于IAR集成開發(fā)環(huán)境和德州儀器ZStack-1.4.3-1.2.1的。其中ZStack符合ZigBee 2006規(guī)范，它基于操作系統(tǒng)，以任務(wù)輪詢機(jī)制完成整個協(xié)議棧的運(yùn)行。ZigBee協(xié)議棧的每一層都對應(yīng)于OSAL的一個獨(dú)立的任務(wù)，在系統(tǒng)啟動和初始化后，操作系統(tǒng)輪詢ZigBee協(xié)議棧各層的任務(wù)事件，當(dāng)某層有事件被觸發(fā)時，就執(zhí)行該層的任務(wù)事件處理函數(shù)。

3.1 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)完成以下5個任務(wù)。

①在程序設(shè)定的信道上組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

②通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收來自終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備狀態(tài)信息，并根據(jù)接收到的cluster ID區(qū)分各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)，將接收到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)組State［M］中與cluster ID對應(yīng)的字節(jié)上(其中M為ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量)。

③周期性地通過RS-232串口把現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)上的C51單片機(jī)，為協(xié)議轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

④不斷輪詢串口，當(dāng)串口接收到從控制器下傳的數(shù)據(jù)時，提取出指示當(dāng)前工況(正洗、反洗或運(yùn)行)的信息，并通過RF無線收發(fā)器發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)。

⑤定義了一個超時計(jì)數(shù)數(shù)組Count［M］，當(dāng)超過K×0.1 s沒有收到某個節(jié)點(diǎn)的消息時，就將該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)設(shè)置為0xFF，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)失效。

協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器的程序流程圖Fig.3 The program flowchart of coordinator

3.2 終端節(jié)點(diǎn)

在本文所設(shè)計(jì)的超濾系統(tǒng)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)依賴于有限電源。但由于可供選擇的電池容量小，且無法在工作現(xiàn)場頻繁更換電池，而通過能量獲取對其充電又是復(fù)雜而不穩(wěn)定的，因此，為延長無線網(wǎng)絡(luò)的壽命，節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)必須配合硬件實(shí)現(xiàn)低功耗。閥門終端節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖4所示。

在同一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，不同的終端節(jié)點(diǎn)對應(yīng)著不同的cluster ID［8］。它們在成功加入網(wǎng)絡(luò)后就利用操作系統(tǒng)定時器定時Tp(本文所有的時間單位都為s)，定時時間到就自動觸發(fā)應(yīng)用層設(shè)備狀態(tài)檢測事件，并重新定時Tp，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)的周期性檢測。當(dāng)操作系統(tǒng)輪詢發(fā)現(xiàn)該事件時，閥門終端節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入以下檢測過程。

① 首先，在引腳P0.4上輸出0，導(dǎo)通各路光耦并開始采集數(shù)據(jù)。為消除抖動，需要不斷讀取引腳P0.5和P0.7的狀態(tài)，直到每個引腳上連續(xù)3次采集的信號都一致(其中每兩次狀態(tài)讀取之間有很小的延時)，然后在引腳P0.4上輸出1，關(guān)閉光耦，結(jié)束采集。

圖4 閥門終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖Fig.4 The program flowchart of valve terminal node

②為防止錯誤的故障判斷給運(yùn)行人員帶來麻煩，如果得到閥門故障的信息，就將故障計(jì)數(shù)值加1。此時若故障計(jì)數(shù)未達(dá)到Te(該參數(shù)的選取要適中，以免影響故障反饋的及時性)就暫不處理，退出等待下一次的檢測事件;一旦故障計(jì)數(shù)達(dá)到Te，則確認(rèn)閥門為故障狀態(tài)。接下來與閥門開啟或關(guān)閉狀態(tài)的處理一致，即保存本次檢測結(jié)果并清零故障次數(shù)。

③由于無線節(jié)點(diǎn)在發(fā)送狀態(tài)的能耗是最大的，為了進(jìn)一步節(jié)省能耗，使用例外報(bào)告法，即把本次檢測獲得的閥門狀態(tài)與上一次保存的閥門狀態(tài)進(jìn)行比較:如果狀態(tài)不改變，則狀態(tài)重復(fù)計(jì)數(shù)值加1;如果狀態(tài)發(fā)生變化或者狀態(tài)重復(fù)計(jì)數(shù)達(dá)到N，則清零狀態(tài)重復(fù)計(jì)數(shù)，并將閥門狀態(tài)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器;若狀態(tài)重復(fù)計(jì)數(shù)未達(dá)到N，則不發(fā)送數(shù)據(jù)，然后都進(jìn)入Ts的PM2休眠。

電機(jī)終端節(jié)點(diǎn)的檢測過程為:按照步驟①依次采集完表征電機(jī)狀態(tài)的5個DI后，直接將5路開關(guān)量的狀態(tài)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后進(jìn)入PM2休眠模式。

另一方面，終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收來自協(xié)調(diào)器的運(yùn)行工況信息，并根據(jù)該信息改變狀態(tài)檢測參數(shù)。為了確定檢測參數(shù)在不同工況下(正洗、反洗和運(yùn)行)的選取原則，從理論上分析了參數(shù)Tp、Ts和N對終端節(jié)點(diǎn)檢測功耗的影響。

閥門開啟或關(guān)閉時、泵的狀態(tài)檢測功耗曲線分別如圖 5(a)和 5(b)所示［9］。其中，Pa、Ps分別代表CC2430在工作模式PM0和休眠模式PM2下的功耗，Pc代表光耦導(dǎo)通時外圍檢測電路的功耗，τ1、τ2分別表示CC2430從PM2到PM0和從PM0到PM2的狀態(tài)切換時間，T1+T2=Tp。

圖5 設(shè)備正常時狀態(tài)檢測的功耗曲線Fig.5 The energy consumption curves of state detection under fault-free condition

由式(1)和式(2)可以看出，為了降低功耗，應(yīng)選取大一點(diǎn)的Ts/Tp、(Tp+Ts)和N，但這同時又降低了系統(tǒng)的實(shí)時性，故參數(shù)的選取必須在實(shí)時性和低功耗之間折中。

考慮到系統(tǒng)在不同工況下對狀態(tài)反饋的實(shí)時性要求是不一樣的，一般運(yùn)行時對實(shí)時性的要求較低。因此，可以在保證實(shí)際電廠超濾系統(tǒng)實(shí)時性的前提下，根據(jù)上述分析結(jié)果分別確定正洗、反洗和運(yùn)行時的最佳檢測參數(shù)。在系統(tǒng)工作時，終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前工況動態(tài)地切換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測功耗的動態(tài)調(diào)整，從而將功耗降到最低。為提高系統(tǒng)的可靠性，在ZigBee節(jié)點(diǎn)中還加入了看門狗復(fù)位和掉網(wǎng)復(fù)位程序。

4 系統(tǒng)測試

利用所設(shè)計(jì)的ZigBee節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、西門子S7 300系列315-2 PN/DP以及上位機(jī)軟件InTouch等，構(gòu)建了電廠超濾處理的無線監(jiān)測系統(tǒng)，并選取參數(shù)Te=15、Ts=2 s、Tp=0.2 s、N=5、K=300，使用兩個開關(guān)模擬閥門回信器上的常閉觸點(diǎn)和常開觸點(diǎn)，通信距離約50 m。測試結(jié)果如下。

①系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，上位機(jī)軟件能夠準(zhǔn)確地顯示閥門狀態(tài)，閥門開啟或者關(guān)閉狀態(tài)的檢測延遲為0～2 s，故障狀態(tài)的檢測延遲為2.5～5 s，節(jié)點(diǎn)失效的檢測延遲為30～33 s，能夠滿足超濾系統(tǒng)在運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)傳輸要求。

②當(dāng)網(wǎng)關(guān)復(fù)位時，所有終端節(jié)點(diǎn)都能檢測到掉網(wǎng)，并自動復(fù)位以重新加入網(wǎng)絡(luò)。

③ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的功耗很低，將電流表串聯(lián)在終端模塊的電源電路中，測得其在PM2休眠模式下的電流為124 μA，在 PM0正常工作模式下的電流為12.4 mA(采集設(shè)備狀態(tài)時的電流為18.1 mA，RF發(fā)送時的電流為28.3 mA)。每隔8 h測量一次電池電壓，連續(xù)測量三天，發(fā)現(xiàn)電壓平均每天降低0.014 V(當(dāng)電池電壓降低到1.7 V時，CC2430無法正常工作)，兩節(jié)新的南孚五號電池串聯(lián)電壓即可以達(dá)到3.26 V，以此推斷終端節(jié)點(diǎn)可以連續(xù)工作111天，適合于沒有持續(xù)能量供給的電廠設(shè)備中。

5 結(jié)束語

本文從電廠鍋爐補(bǔ)給水的超濾系統(tǒng)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的無線狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)中引入了休眠、例外報(bào)告以及動態(tài)功耗調(diào)整等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗，并加入了看門狗復(fù)位和掉網(wǎng)復(fù)位程序，有效地提高了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

實(shí)際測試表明，所設(shè)計(jì)的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足實(shí)際需求，且具有較低的能量消耗，適用于沒有持續(xù)能量供給的電廠設(shè)備中，為電廠超濾無線順序控制系統(tǒng)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。目前已經(jīng)按照上述設(shè)計(jì)，對內(nèi)蒙某電廠現(xiàn)有的超濾系統(tǒng)進(jìn)行了無線改造，取得了較好的效果。

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Design of Low Energy Wireless Monitoring Network in Ultrafiltration System of Power Plant

In order to overcome the defects in the existing chemical water treatment system，such as high cost，complex wiring，poor expansibility，etc，on the basis of ZigBee，a design scheme of monitoring network of boiler water supply ultrafiltration system in power plant is proposed.Detailed hardware circuits and software design flow are given.The energy consumption in state detection is analyzed theoretically and calculated，and the whole wireless monitoring system is implemented with PLC.Tests show that the design features low energy consumption and meets the actual demands.

Ultrafiltration system of power plant Low energy consumption ZigBee Wireless monitoring network CC2430 PLC

TP274+.2

A

修改稿收到日期:2011-11-25。

汪鳳珠(1988-)，女，現(xiàn)為華北電力大學(xué)模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。

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