中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司熱電廠　楊永沖

基于zigbee技術(shù)的葉輪給煤機控制系統(tǒng)

中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司熱電廠楊永沖

在火電廠輸煤系統(tǒng)中，葉輪給煤機是一種重要的輸煤設(shè)備，但因其往往安裝于地下鐵軌上，工作環(huán)境極其惡劣：其中粉塵、噪音、濕熱嚴重影響現(xiàn)場工作人員的人身安全。傳統(tǒng)葉輪給煤機控制方法是鋪設(shè)控制電纜，在軌道上方架設(shè)拖纜，以實現(xiàn)遠程控制。本文針對某電廠輸煤系統(tǒng)葉輪給煤機設(shè)計了一種基于zigbee技術(shù)的葉輪給煤機控制器，具備防護等級高、安裝方便、組網(wǎng)便捷的優(yōu)點，同時可節(jié)省大量電纜。

zigbee；葉輪給煤機

1　引言

某電廠輸煤系統(tǒng)葉輪給煤機投入運行已近8年，部分設(shè)備故障率升高，在檢修過程中，多次發(fā)現(xiàn)控制電纜被落煤塊砸斷，或者由于拖纜接觸不良而導(dǎo)致的通訊失敗。更換電纜或者拖纜又面臨開支大，施工繁瑣等問題。維修人員在日常檢修中，同樣也面臨著工作量大、維修不便等問題。

此次葉輪給煤機控制器是將給煤機控制回路以及給煤機行走位置實時采集，通過zigbee終端傳輸至輸煤控制室，并增加至現(xiàn)有輸煤上位機監(jiān)控軟件中實時顯示。相較于傳統(tǒng)無線技術(shù)ZigBee技術(shù)具有如下特點：

1）低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

2）成本低：低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。

3）時延短： 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用。

4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要包含兩部分：現(xiàn)場級負責就地葉輪給煤機控制和zigbee無線傳輸；控制級負責對所有給煤機狀態(tài)信息的匯總與處理并與原輸煤系統(tǒng)進行通訊。

根據(jù)現(xiàn)場葉輪給煤機工作特性，主要集中于葉輪給煤機變頻器的控制和葉輪給煤機的行走控制。本文設(shè)計的控制器包含模擬量采集接口、模擬量輸出接口（4-20mA電流）、數(shù)字量輸入與輸出接口、zigbee無線通訊接口、給煤機實時位置采集接口等。

每一個葉輪給煤機控制器，分別在就地安裝具有實時顯示功能的控制器，方便現(xiàn)場巡檢人員實時查看設(shè)備運行狀況；每一臺葉輪給煤機控制器相對獨立，當系統(tǒng)需要進行維護時，無需整體隔離進行維護；采用zigbee的傳輸方式，也省去了大量的通訊電纜和拖纜，大大降低了成本。

通過位于輸煤控制室的中央處理器（具備zigbee接口）對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集匯總，將葉輪給煤機的實時位置在上位機畫面上顯示，并將葉輪給煤機運行電流和轉(zhuǎn)速實時顯現(xiàn)。操作人員亦可在上位機畫面中，設(shè)定葉輪給煤機行走區(qū)間，真正實現(xiàn)葉輪給煤機的無人值守控制。同時該控制系統(tǒng)可將現(xiàn)場的皮帶秤通訊接口整合至zigbee傳輸網(wǎng)絡(luò)，將葉輪給煤機的上煤量進行計算和統(tǒng)計，提供上位機實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的查看功能，方便操作人員、維護人員進行一系列操作與維護。

3　葉輪給煤機控制器

該控制器采用TMS2812DSP為中央處理器，包含葉輪給煤機實時位置采集模塊、變頻器控制模塊、LCD液晶顯示、zigbee通信模塊、EEPROM存儲模塊、報警模塊等。通過模擬量采集電路將葉輪給煤機運行電流與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸至AD采樣單元，DSP將測得的數(shù)據(jù)通過LCD顯示屏就地顯示，同時將該數(shù)據(jù)通過zigbee傳輸至網(wǎng)絡(luò)中繼器，并最終傳輸至上位機。而EEPROM存儲模塊可將控制器運行過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄并存儲，便于工作人員查詢、維修。

3.1DSP最小系統(tǒng)

TMS320F2812是TI公司應(yīng)用較廣的一款產(chǎn)品，具有豐富的外設(shè)接口。數(shù)據(jù)及程序存儲量及AD采樣精度都較TMS320F2407有很大提高。由于F2812具有較強的運算能力，且其最小系統(tǒng)的搭建較為快捷和精準，從而可以簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

TMS320F2812最小系統(tǒng)包括電源電路、仿真接口電路、通訊接口電路等。其中電源電路采用TPS70351電源芯片，該芯片可以輸出1.8V電壓供DSP內(nèi)核使用，亦可產(chǎn)生3.3V電壓供DSP外設(shè)及IO引腳使用。同時，該芯片具有較完善的散熱設(shè)計，保證設(shè)備整體的可靠性。

3.2葉輪給煤機實時位置采集模塊

葉輪給煤機實時位置采集模塊包旋轉(zhuǎn)編碼器、調(diào)理電路、脈沖計數(shù)電路。其中旋轉(zhuǎn)編碼器采用1024線絕對編碼器，該型傳感器測溫范圍廣、精度高、抗干擾能力強，在自動化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。調(diào)理電路可將脈沖信號去毛刺，便于脈沖計數(shù)電路采集。脈沖計數(shù)電路則選用TMS320F2812的CAP捕獲單元，該捕獲單元具備較強的抗干擾、抗浪涌能力，同時可達到較高采樣精度。

3.3變頻器控制模塊

變頻器控制模塊包含模擬量輸出電路、模擬量采集電路、調(diào)理電路等組成。在檢測過程中，模擬量采集電路須將變頻器輸出的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并送至DSP的AD采樣電路。模擬量輸出電路則是實現(xiàn)變頻器的變頻控制。

3.4LCD液晶顯示模塊

為便于現(xiàn)場巡檢人員觀察與記錄，本控制器具備LCD液晶顯示模塊。液晶顯示模塊可將葉輪給煤機運行電流、頻率、上煤量、實時位置等數(shù)據(jù)顯示，操作人員亦可通過矩陣鍵盤，進行運行區(qū)間的設(shè)定。

3.5無線通信模塊

本文采用ZIGBEE芯片和DSP芯片相結(jié)合的方式，設(shè)計了基于ZIGBEE技術(shù)的無線通信模塊。該模塊集成了符合ZIGBEE協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性；可實現(xiàn)一點對多點及多點對多點之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組成星型和MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

ZIGBEE芯片采用CC2530，通過搭建外圍電路，使其與DSP芯片的最小系統(tǒng)相連接。DSP將采集到的電流、頻率、實時位置等數(shù)據(jù)，按照標準協(xié)議打包，經(jīng)過無線鏈路，傳輸至上位機。上位機亦可將控制指令通過無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至就地的葉輪給煤機控制器，實現(xiàn)運行區(qū)間的遠程設(shè)定和地址設(shè)定。

因電廠輸煤現(xiàn)場較廣，建筑物遮擋較為嚴重，有些無線節(jié)點無法實現(xiàn)可靠通信。本文通過DSP控制核心，將中繼路由功能集成在DSP最小系統(tǒng)中，很好解決了無線信號遮擋的問題。

3.6EEPROM存儲模塊

在葉輪給煤機運行過程中，其電流和頻率的變化需要記錄并形成記錄。本文采用AT24C512非易失性存儲芯片，可將葉輪給煤機控制器的電流、頻率等過程數(shù)據(jù)存儲，可在上位機或LCD顯示模塊中，顯示歷史數(shù)據(jù)域和歷史曲線，便于后期對被測設(shè)備的運行狀況進行評估，亦可作為故障分析時的歷史參考數(shù)據(jù)。

3.7報警模塊

當測得的電流數(shù)據(jù)、頻率數(shù)據(jù)、實際運行區(qū)間超出所設(shè)定的報警閥值時，需要在就地和遠方設(shè)備上進行報警輸出。本文采用聲光報警方式，實現(xiàn)故障報警功能。報警模塊包含兩路繼電器、蜂鳴器和交流指示燈。DSP與繼電器之間采用ADUM1400磁偶隔離技術(shù)，可有效防止繼電器誤動作。兩路繼電器分別連接蜂鳴器和交流指示燈，當滿足報警條件時，DSP驅(qū)動繼電器動作，隨后繼電器開啟蜂鳴器和交流指示燈，實現(xiàn)聲光報警的輸出。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計的以Tzigbee技術(shù)為基礎(chǔ)的葉輪給煤機控制器，實現(xiàn)了葉輪給煤機相關(guān)數(shù)據(jù)的高精度采集和zigbee數(shù)據(jù)傳輸。該控制器結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、便于組網(wǎng)，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了大量人力物力。本控制器也可廣泛應(yīng)用于自動化等其他領(lǐng)域。