馬 昆，姚竹亭

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引 言

對(duì)高爐齒輪箱而言，一旦溫度過高，會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果，如軸承與齒輪破損、潤(rùn)滑油老化，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致高爐休風(fēng)停產(chǎn)[1]；因此，對(duì)其進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)十分必要。然而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法一般通過有線方式（RS485、CAN總線等）[2]進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這種方法成本高且可靠性差，并且在一些惡劣環(huán)境下，有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩、設(shè)備不能隨意移動(dòng)。因此，某一鋼鐵廠提出利用無(wú)線通信采集數(shù)據(jù)的改革方案，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（包括MAC層、路由、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等）[3]，通過比較多種無(wú)線通信技術(shù)最終選擇了ZigBee無(wú)線技術(shù)。該方法節(jié)點(diǎn)分布廣，能解決鋪設(shè)線路困難的問題，并且無(wú)需人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查。由此可見，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于溫度監(jiān)控中具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 下箱體溫度場(chǎng)分布

為更精確地確定傳感器放置的位置與報(bào)警溫度，將在三維軟件中已經(jīng)建好的下箱體實(shí)體模型導(dǎo)入到Ansys中對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，如圖1所示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，由于在下箱體底部有潤(rùn)滑油，所以溫度較低，箱體壁有冷卻水經(jīng)過故溫度也較低。但對(duì)于上部而言，由于有上箱體的遮蓋，散熱性較差，所以溫度較高。綜合上述分析與生產(chǎn)實(shí)際，最終將報(bào)警溫度確定為50℃，將傳感器放置在高爐齒輪箱的傾動(dòng)裝置處。

圖1 下箱體溫度場(chǎng)分析

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器、若干路由器和若干溫度傳感器節(jié)點(diǎn)組成。最下部為傳感器終端節(jié)點(diǎn)，向上依次是路由器、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)。其中，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)；路由器主要負(fù)責(zé)識(shí)別終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址并選擇合適的網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸給協(xié)調(diào)器，是建網(wǎng)的主要環(huán)節(jié)；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其進(jìn)行管理和維護(hù)，對(duì)新加入的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址并管理節(jié)點(diǎn)的加入和離開等，并且將采集的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)或者是上位機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令，協(xié)調(diào)器是建網(wǎng)的核心[4]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器模塊

本系統(tǒng)的傳感器是采用1-Wire接口的DS18B20，它與CC2530進(jìn)行通信時(shí)僅需要一個(gè)I/O口。傳感器溫度測(cè)量范圍-55~125℃，并以0.5℃遞增。以9位數(shù)字量的形式反應(yīng)器件的溫度。系統(tǒng)選擇獨(dú)立供電的方式，信號(hào)線通過一個(gè)5 kΩ的電阻上拉至VCC即3.3 V。CC2530 是基于 IEEE802.15.4 協(xié)議而開發(fā)出來(lái)的ZigBee芯片。工作在2.4GHz ISM頻段支持16個(gè)250Kb/s信道[5]。

2.1.2 協(xié)調(diào)器路由器硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器和路由器在硬件結(jié)構(gòu)上大體一致，均設(shè)計(jì)了RS-232接口。協(xié)調(diào)器通過它與上位機(jī)進(jìn)行通信，而路由器在協(xié)調(diào)器破壞時(shí)可以直接通過它與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在本系統(tǒng)中采用光電隔離式RS-232接口[6]，不僅可以保護(hù)器件免受總線上的高壓危害，同時(shí)能有效減小系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤，增強(qiáng)抗干擾能力，使通信穩(wěn)定、安全、可靠。改善了普通232接口在傳統(tǒng)采集過程中易受干擾的缺點(diǎn)。

2.2 改進(jìn)路由算法

由于終端節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的距離不一，所以采用多級(jí)跳轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖不難發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)傳遞過程中若依照傳統(tǒng)樹狀路由原則，必然導(dǎo)致路由節(jié)點(diǎn)1的能量消耗明顯大于路由節(jié)點(diǎn)2，導(dǎo)致關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（路由1）的早死。為避免這種情況，并且延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間以滿足高效生產(chǎn)的要求，故采用改進(jìn)的路由算法。這種路由相較于一般路由主要的區(qū)別在于軟件配置方面，即該路由配置有一個(gè)鄰居表。在該鄰居表中包含節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量值并計(jì)算出每個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)的能量閾值。在數(shù)據(jù)傳輸過程中各個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的剩余能量狀況判斷是否參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。針對(duì)本系統(tǒng)而言，當(dāng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（路由1）能量大于該閾值時(shí)，依傳統(tǒng)樹狀路由原則進(jìn)行路徑的選擇，當(dāng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳遞，程序內(nèi)的能量值就減少相應(yīng)的數(shù)量，當(dāng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能量接近閾值時(shí)，為了使系統(tǒng)延長(zhǎng)工作壽命，選擇其他節(jié)點(diǎn)（路由2）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]。通過假設(shè)單個(gè)傳輸路由能耗，對(duì)具有不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到平均能耗如圖3所示。

圖3 路由平均能耗

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 ZigBee組網(wǎng)

首先對(duì)放置于主控室內(nèi)直接與電腦相連的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，將其設(shè)為協(xié)調(diào)器，上電后對(duì)硬件設(shè)備初始化，協(xié)議棧初始化[8]。當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)出原語(yǔ)（NLME_NET WORK_FORMATION_request）后就意味著一個(gè)全新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)開始建立，在此之后要對(duì)可用信道進(jìn)行相應(yīng)的掃描。而路由節(jié)點(diǎn)與終端采集溫度節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)須完成兩個(gè)步驟：

1）NLME_NETWORK_DISCOVERY_request請(qǐng)求原語(yǔ)發(fā)現(xiàn)剛剛初始化成功的協(xié)調(diào)器；2）加入上一步發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，這步通過NLME_JOIN_request（參數(shù)配置為FALSE）請(qǐng)求原語(yǔ)來(lái)完成。當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后需將自身網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器進(jìn)而傳送到上位機(jī)，便于上位機(jī)依據(jù)接收到的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)出溫度數(shù)據(jù)采集指令，命令對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度采集，而后將采集到的溫度值打包發(fā)送回來(lái)。這樣便實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的連貫作業(yè)[9]。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集與分析

LabVIEW作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。因系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)所以要求監(jiān)控界面簡(jiǎn)潔明了，操作簡(jiǎn)單便于工人維護(hù)。ZigBee與上位機(jī)的通信由LabVIEW的VISA庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用VISA與ZigBee通信主要有以下步驟：首先進(jìn)行串口初始化，將二者的串口參數(shù)設(shè)置一致；向ZigBee發(fā)送節(jié)點(diǎn)查詢指令，延時(shí)一段時(shí)間，待ZigBee回復(fù)后讀取節(jié)點(diǎn)地址；進(jìn)行節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的識(shí)別。每個(gè)掃描周期重復(fù)上一步讀取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址并進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別；從串口讀取指定節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)至Excel表格[10]。在采集時(shí)為各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間間隔，避免發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)走勢(shì)，將數(shù)據(jù)記錄于表格并進(jìn)行高溫報(bào)警指示。LabVIEW監(jiān)測(cè)前面板如圖4所示。

3 PID控制

當(dāng)溫度達(dá)到所設(shè)定的報(bào)警溫度時(shí)，LabVIEW與PLC通過串口進(jìn)行通信，將采集到的溫度送入PLC進(jìn)行再次判斷。若確認(rèn)溫度過高則立即啟動(dòng)PID對(duì)冷卻水閥門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，增大冷卻水的流量，降低齒輪箱內(nèi)溫度。

通過系統(tǒng)辨識(shí)得到該高爐齒輪箱的傳遞函數(shù)為

隨后對(duì)模型進(jìn)行基于響應(yīng)曲線的參數(shù)預(yù)整定可得PID調(diào)節(jié)所需的基本參數(shù)，其中kp=16.34，Ti=40，ki=0.41，Td=10，kd=163.4。依據(jù)所得的數(shù)據(jù)對(duì)PID進(jìn)行程序編寫達(dá)到控制目的。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可依據(jù)調(diào)節(jié)曲線和工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)PID參數(shù)作進(jìn)一步修正，使調(diào)節(jié)更加理想化。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 系統(tǒng)前面板

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用CC2530芯片、DS18B20溫度傳感器與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度狀況。由實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)通信能很好地解決溫度監(jiān)測(cè)與溫度數(shù)據(jù)采集的問題，尤其是惡劣環(huán)境下有線數(shù)據(jù)采集的問題，降低了勞動(dòng)成本，在生產(chǎn)實(shí)踐中有較好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]唐翔龍，張文通，馬振軍.ZigBee在高爐爐頂齒輪箱的測(cè)溫應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（ 4）：59-61.

[2]王公堂，李艷華，楊寶.基于ZigBee的溫度濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（ 1）：63-66.

[3]劉坤朋.基于紅外協(xié)作的無(wú)線自組織視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].湖南：國(guó)防科技大學(xué)，2009.

[4]陳健.基于ZigBee的無(wú)線工業(yè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)[D].西安：西安科技大學(xué)，2007.

[5]劉外喜，胡曉，唐冬，等.基于ZigBee的無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（ 4）：69-71.

[6]幸國(guó)全，李成斌，胡生清，等.單片機(jī)系統(tǒng)的光電隔離式RS-232 接口設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2001，20（ 1）：62-64.

[7]李濤.基于能量?jī)?yōu)化的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由算法研究[D].山東：山東大學(xué)，2010.

[8]莊華勇，伍川輝.基于ZigBee的高速動(dòng)車組車內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試，2013（ 2）：85-88.

[9]李正民，張興偉，柳宏川.基于CC2530的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2013，32（ 5）：25-28.

[10]馬巧娟，鄭萍，王曉光，等.基于ZigBee和LabVIEW的多點(diǎn)無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表，2009（4）：49-52.