畢 鋒，劉毅敏，郝 瓊

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

在我國已經(jīng)加入WTO的大背景下，鋼鐵企業(yè)要在全球鋼鐵企業(yè)中脫穎而出，就必須在產(chǎn)品成本、質(zhì)量、服務(wù)及快速響應(yīng)等方面提升自身競爭力，才能經(jīng)受來自世界先進(jìn)鋼鐵企業(yè)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而 “能源消耗”仍是產(chǎn)品競爭的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

建立生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)部嚴(yán)密、科學(xué)的能源消耗情況監(jiān)測體系是確保企業(yè)經(jīng)營有序、節(jié)約成本、快速高效的前提。而隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，基于網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的能源消耗實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。

系統(tǒng)瞄準(zhǔn)鋼鐵產(chǎn)品形成的關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)，聚焦于資源，以熱軋能源消耗成本為跟蹤目標(biāo)，采用ZigBee無線通信方式，具體研究熱軋能源消耗成本的標(biāo)準(zhǔn)化的能源消耗情況監(jiān)測管理方法。

在生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)檢測資源的消耗情況并設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測信息系統(tǒng)加以統(tǒng)計(jì)分析，形成一套生產(chǎn)區(qū)域能源消耗情況的標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測管理方法，將有助于熱軋企業(yè)對能源消耗和生產(chǎn)成本進(jìn)行核算和控制，有助于控制生產(chǎn)能源消耗情況，有助于管理層決策，從而為企業(yè)實(shí)現(xiàn)成本標(biāo)準(zhǔn)化的精細(xì)管理提供有力支持。

1 通信信道的選擇

熱軋企業(yè)的能源管理系統(tǒng)采用分布式的體系結(jié)構(gòu)，通信分為有線層和無線層。有線層是采集終端與傳輸控制器之間的通信；無線層是監(jiān)管中心與無線數(shù)據(jù)接收器之間的通信。

1）有線層的通信方案

有線層采用的是RS-485總線，RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力[1]。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器[2]。485總線由于布線簡單，被廣泛應(yīng)用于銀行監(jiān)控，視頻對講，門禁監(jiān)控等領(lǐng)域[3]。

在熱軋企業(yè)的復(fù)雜環(huán)境下，由于要克服信號衰減、信號干擾等一系列的不穩(wěn)定因素，故采用RS-485總線通信方式來完成采集終端與傳輸控制器之間的通信。

2）無線層的通信方案

無線層采用的是ZigBee傳輸協(xié)議。Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)定，底層是采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層與實(shí)體層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支援大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee相較于其他協(xié)議的最大優(yōu)勢在于低功耗和低成本，并且安全可靠[4]。它在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。最關(guān)鍵的在于ZigBee安全可靠，ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn) （AES 128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。在熱軋廠這樣的復(fù)雜區(qū)域，經(jīng)過上述對比，熱軋能源管理系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 能源管理系統(tǒng)的目標(biāo)

能源管理系統(tǒng)是一種基于WEB的現(xiàn)代化能源管理平臺，可以對熱軋企業(yè)的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、分析、統(tǒng)計(jì)、查詢，為企業(yè)的節(jié)能提供科學(xué)依據(jù)，并為進(jìn)一步優(yōu)化能源利用提供科學(xué)數(shù)據(jù)參考。在幫助企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)的同時(shí)，合理的計(jì)劃和利用能源，降低噸鋼能耗。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

熱軋企業(yè)能源管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、采集終端組成，其總計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。采集終端則將能源計(jì)量表的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并通過RS-485總線傳輸給工業(yè)PLC。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將無線采集終端的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，然后再通過局域網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器。

系統(tǒng)工作過程：各能源計(jì)量表通過表內(nèi)的傳感器將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳送至工業(yè)PLC，然后再由工業(yè)PLC將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著將處理好的數(shù)據(jù)通過ZigBee終端用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，再通過局域網(wǎng)傳輸寫入數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。在無線通訊端，采集終端將數(shù)據(jù)通過ZigBee終端傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器。由于數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器掛在互聯(lián)網(wǎng)上，各種計(jì)算機(jī)都能通過對應(yīng)的網(wǎng)址訪問到對應(yīng)權(quán)限的數(shù)據(jù)頁面。

3 監(jiān)控中心的建立

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性起著十分重要的作用。考慮到熱軋企業(yè)的能源數(shù)據(jù)傳輸量比較大，并且該監(jiān)控中心的系統(tǒng)不能破壞到原有的生產(chǎn)系統(tǒng)，在工業(yè)PLC上添加ZigBee終端，直接將數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，然后將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器中。

在無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中，首先ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備的應(yīng)用層調(diào)用NLME_NETWORK_FORMATION.request原語，發(fā)出建立網(wǎng)絡(luò)的請求，網(wǎng)絡(luò)層收到這個(gè)原語之后，就會調(diào)用MLME_SCAN.request在MAC層執(zhí)行信道的掃描并標(biāo)注可用信道，接下來進(jìn)行活動情況掃描，如果找到了合適的信道，將隨機(jī)選擇一個(gè)不與原來的沖突的PAN，然后在MAC層注冊這個(gè)ID號，接著選擇網(wǎng)絡(luò)地址，然后發(fā)送MLME_START.Request原語獲取PAN ID和信道掃描結(jié)果并通知上層[5]。由此建立起ZigBee無線通訊的網(wǎng)絡(luò)。對于子設(shè)備，子設(shè)備首先調(diào)用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原語，網(wǎng)絡(luò)層接收到這個(gè)原語，將要求MAC層執(zhí)行被動或主動的掃描，一旦完成了掃描將發(fā)送MLME-SCAN.confirm原語，告知網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層將發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm原語告知應(yīng)用層，應(yīng)用層收到該原語，從關(guān)聯(lián)表中選擇發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)加入，調(diào)用NLME-JOIN.request原語，選擇到調(diào)節(jié)器深度最低的設(shè)備，由此子設(shè)備添加進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)開始工作時(shí)，工業(yè)PLC開始運(yùn)作，將數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸并寫入到數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器，同時(shí)，無線數(shù)據(jù)接服務(wù)器將無線端接收到的數(shù)據(jù)讀取并寫入到數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器。至此，數(shù)據(jù)全部實(shí)時(shí)的不停的寫入數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器，用戶可以通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器上的網(wǎng)站來獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.2 應(yīng)用管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，對系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分解，將應(yīng)用管理系統(tǒng)細(xì)分為5個(gè)子系統(tǒng)，應(yīng)用管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于ZigBee的熱軋能源管理系統(tǒng)，具有良好的用戶交互界面，且操作使用方便。在瀏覽器中輸入相應(yīng)的網(wǎng)址，輸入相應(yīng)的用戶名和密碼，即可進(jìn)入系統(tǒng)的主界面。如圖3所示。

圖3 應(yīng)用系統(tǒng)主界面Fig.3 The homepage of application system

從圖3中可以看出，該能源管理系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)管理、報(bào)表管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫維護(hù)等菜單[6]。每個(gè)菜單下都有相應(yīng)的子菜單。該系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測與記錄現(xiàn)場的運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動生成圖表，并具有分析能力。具體如下：

1）數(shù)據(jù)管理功能。系統(tǒng)對各能源計(jì)量表的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、記錄、分析，可以自動生成各種能耗曲線、圖表、報(bào)表，得到各種分析數(shù)據(jù)，如燒損率，噸鋼能耗等，實(shí)現(xiàn)無人自動抄表。數(shù)據(jù)庫可管理維護(hù)，滿足各部門需求。

2）打印功能?？纱蛴彳垙S內(nèi)部各部門能源消耗的日、月、班報(bào)表，并根據(jù)需求對報(bào)表進(jìn)行分析處理。

3）網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能。該系統(tǒng)采用BS模式設(shè)計(jì)，各種計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)都能使用該系統(tǒng)相應(yīng)權(quán)限的功能。

4 結(jié) 論

基于ZigBee的熱軋能源管理系統(tǒng)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS無線通信技術(shù)等領(lǐng)域的最新成果，實(shí)現(xiàn)了對熱軋企業(yè)能源消耗的在線監(jiān)測和實(shí)時(shí)查詢。該系統(tǒng)的使用將為熱軋企業(yè)的能源消耗提供依據(jù)，為進(jìn)一步節(jié)能提供指導(dǎo)方案，達(dá)到優(yōu)化資源配置，降低能源消耗的目的。

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