余丙濤，楊琳琳，邱福權(quán)

（1.河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，新鄉(xiāng) 453007；2.上海曉秋自動(dòng)化工程有限公司，上海 201620）

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高以及智能化的快速普及，工業(yè)現(xiàn)場需要布設(shè)大量的傳感器及儀表等監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行各種參數(shù)的監(jiān)測。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)主要通過電纜將傳感器或儀表等與控制系統(tǒng)連接起來，鋪設(shè)電纜及后期維護(hù)都會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，且工期很長，甚至?xí)绊懻Ｉa(chǎn)，并且當(dāng)工藝改進(jìn)或生產(chǎn)任務(wù)改變，現(xiàn)場監(jiān)測位置發(fā)生變化，或需要添加新的監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，就需要重新布線，非常麻煩[1-2]。為解決上述難題，上海曉秋自動(dòng)化工程有限公司開發(fā)出一套基于ZigBee技術(shù)[3-5]的工業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線RTU（XQ-S2000）采集現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)儀表數(shù)據(jù)，利用ZigBee無線傳輸給無線接收器（XQ-R2000-8），無線接收器可根據(jù)現(xiàn)場需要選擇變送輸出4～20 mA/1～5 V/RS485等信號，輸入到控制系統(tǒng)，本套系統(tǒng)可與現(xiàn)場已有的儀表無縫連接，很好地滿足工業(yè)現(xiàn)場對各種參數(shù)的監(jiān)測要求。本套系統(tǒng)已在寧夏某車間成功用于天然氣泄漏監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所述工業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)包括現(xiàn)場傳感器或者儀表、數(shù)據(jù)采集無線RTU、無線接收器和控制系統(tǒng)4個(gè)部分，為滿足不同工業(yè)儀器儀表數(shù)據(jù)采集需求，無線 RTU 可以采集 4～20 mA/1～5 V/RS485[6]等不同的信號，同時(shí)可與市面上所有兩線制，三線制儀表連接，最后采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞?，發(fā)送給無線接收器。無線技術(shù)[7]可根據(jù)現(xiàn)場工況和用戶需求選擇433 M、ZigBee、WiFi等，本文所述系統(tǒng)采用低功耗、安全、有國際協(xié)議規(guī)范的ZigBee技術(shù)。在數(shù)據(jù)接收端，無線接收器將接收到的數(shù)據(jù)以4～20 mA/1～5 V/RS485等形式輸出，接入現(xiàn)場控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、存儲、分析和處理，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場各種參數(shù)的監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of wireless system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線RTU

無線RTU由無線通訊模塊、電源模塊、采集接口、外供電源接口、PA（放大器）模塊組成，如圖2所示。無線模塊主要以TI支持ZigBee協(xié)議的 SoC系列芯片為核心，為實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場儀表不同數(shù)據(jù)量的采集（現(xiàn)場儀表輸出的電壓、電流信號等），無線RTU提供多種數(shù)據(jù)采集接口；無線RTU工作電壓為7～40 V DC寬電壓，標(biāo)準(zhǔn)電壓為24 V DC；考慮到現(xiàn)場供電問題，無線RTU同時(shí)提供24 V DC（標(biāo)準(zhǔn)）外供電源，無需增加現(xiàn)場電源接頭；無線RTU自身工作電源與外供電源及信號采集采用共地設(shè)計(jì)，通過不同的接入方式可滿足市面上所有兩線制、三線制儀表的需求；PA模塊為增大傳輸距離設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對單點(diǎn)視距傳輸2 km?？紤]到危險(xiǎn)工況下的監(jiān)測，無線RTU采用防爆設(shè)計(jì)，使用起來安全可靠。

圖2 無線RTU硬件Fig.2 Diagram of wireless RTU hardware structure

2.2 無線接收器

無線接收器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，接收無線RTU節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，管理各個(gè)無線RTU節(jié)點(diǎn)，并對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷、分析，轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號輸出，無縫接入到現(xiàn)場控制系統(tǒng)中，進(jìn)行后續(xù)處理，所以本系統(tǒng)中的無線接收器除了無線通訊模塊、電源模塊、信號輸出接口、PA模塊外，還有信號轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)試模塊，調(diào)試模塊主要是為了方便完成軟件的下載、調(diào)試。如圖3所示。

圖3 無線接收器硬件Fig.3 Diagram of wireless receiver hardware structure

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線RTU和無線接收器的軟件程序設(shè)計(jì)均以ZigBee協(xié)議棧[8]為依據(jù)。

3.1 無線RTU軟件設(shè)計(jì)

無線RTU采用周期主動(dòng)上報(bào)模式，根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)置周期時(shí)間間隔，時(shí)間間隔到，數(shù)據(jù)采集端從睡眠模式喚醒，對現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸。Zig-Bee數(shù)據(jù)采集端上電后首先進(jìn)行初始化，然后搜索加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，LED5點(diǎn)亮，加入網(wǎng)絡(luò)成功，然后周期采集、上傳現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)中ZigBee數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)為間歇性的工作模式，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。其工作流程如圖4所示。

圖4 無線RTU工作流程Fig.4 Flow chart of wireless RTU program

3.2 無線接收器軟件設(shè)計(jì)

無線接收器工作流程如圖5所示，設(shè)備上電，首先進(jìn)行初始化工作，然后開始建立網(wǎng)絡(luò)，LED5點(diǎn)亮，網(wǎng)絡(luò)建立成功，然后進(jìn)行信道掃描，允許同網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集端子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，然后等待數(shù)據(jù)采集端子設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)包傳來時(shí)，進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)包有效時(shí)，進(jìn)行解析，然后將數(shù)字信號DA轉(zhuǎn)換，再根據(jù)實(shí)際情況，判斷是否需要進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換，最后由信號輸出端口輸出數(shù)據(jù)信號到現(xiàn)場控制系統(tǒng)。

圖5 無線接收器工作流程Fig.5 Flow chart of wireless receiver program

4 系統(tǒng)應(yīng)用及分析

4.1 項(xiàng)目概況

某大件組裝廠3個(gè)車間內(nèi)布設(shè)有用于切割和焊接的天然氣管道，目前每個(gè)車間有8個(gè)天然氣管道連接點(diǎn)需要進(jìn)行泄漏監(jiān)測，監(jiān)測的信號需要傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的控制系統(tǒng)中進(jìn)行顯示、報(bào)警、危險(xiǎn)緊急處理等工作。由于車間內(nèi)有大型的切割機(jī)、焊機(jī)、空氣動(dòng)力源、大型的龍門塔吊等設(shè)備，環(huán)境復(fù)雜使線纜的鋪設(shè)極為困難，同時(shí)車間根據(jù)不同的生產(chǎn)任務(wù)會(huì)增減不同位置的監(jiān)測點(diǎn)。如果采用傳統(tǒng)的工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，鋪設(shè)線纜需要停產(chǎn)施工，將付出高昂的成本和很長的施工周期。此外，車間的工作環(huán)境要求無線RTU的硬件方面需符合相關(guān)防爆、防塵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 系統(tǒng)選擇

考慮到車間內(nèi)布局有很多設(shè)備，電纜鋪設(shè)麻煩及測量點(diǎn)不易移動(dòng)，最終選擇無線技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集。由于安全性、可靠性要求比較高，最后采用有國際標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線技術(shù)，ZigBee工作在全球免注冊的2.4 G ISM無線頻段，且不需要架設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，用3個(gè)不同PANID區(qū)別3個(gè)車間的不同網(wǎng)絡(luò)，避免不同網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備干擾。根據(jù)目前現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)要求，每個(gè)車間配8個(gè)易燃?xì)怏w監(jiān)測儀表，8個(gè)無線RTU和1個(gè)無線接收器和1套控制系統(tǒng)（XQ-C1000）。

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行及分析

在車間每個(gè)天然氣管道監(jiān)測點(diǎn)處安裝易燃?xì)怏w監(jiān)測儀表和無線RTU，采集易燃?xì)怏w監(jiān)測儀表的數(shù)據(jù)，發(fā)送給無線接收器，無線接收器以輪詢的方式接收8個(gè)無線RTU傳來的數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行判斷分析，數(shù)據(jù)有效，變送輸出每個(gè)通道相應(yīng)的4～20 mA信號，連接入控制系統(tǒng)中，完成天然氣管道不同連接處監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。無線系統(tǒng)中，單點(diǎn)對單點(diǎn)傳輸視距達(dá)2 km，室內(nèi)可穿3層墻壁，傳輸距離根據(jù)實(shí)際測量滿足車間數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)全覆蓋要求。

5 結(jié)語

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場要對各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，傳統(tǒng)的線纜帶來的布線復(fù)雜、移動(dòng)性差、維護(hù)困難、費(fèi)用高等問題越來越明顯，隨著生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高及無線技術(shù)的發(fā)展，越來越多的無線技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中。本文提出的工業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)距離完成現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的無線采集工作，省去布線，經(jīng)濟(jì)高效，也降低了因電纜磨損、破裂、老化等原因引發(fā)的故障發(fā)生率，尤其在石油化工等易燃易爆的危險(xiǎn)場合，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，進(jìn)一步突出了工業(yè)應(yīng)用中無線數(shù)據(jù)技術(shù)的安全、簡便、高效等優(yōu)勢。本文無線天然氣監(jiān)測系統(tǒng)自2015年4月投運(yùn)以來，性能穩(wěn)定可靠，無需任何維護(hù)，客戶反映良好。

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