薛冬晨，魯紹軍，毛松林

（北京首鋼股份有限公司能源部，北京 064404）

引言

冶金企業(yè)里，能源供應(yīng)多種多樣，高、低壓泵組眾多，并且分布廣泛，為進(jìn)一步加強(qiáng)生產(chǎn)安全管理，提升設(shè)備監(jiān)控實(shí)時(shí)性，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要，而數(shù)量之多、相對(duì)分散為監(jiān)測(cè)管理帶來(lái)困難。

隨著企業(yè)轉(zhuǎn)型提效及操檢合一工作的不斷推進(jìn)，崗位運(yùn)行人員不斷減少。為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的各種異常和故障、避免引發(fā)更為嚴(yán)重的機(jī)械或電氣事故，對(duì)部分重要電機(jī)、水泵沒(méi)有軸承溫度監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位安裝無(wú)線測(cè)溫裝置，節(jié)省了電纜敷設(shè)的人力、物力。本設(shè)計(jì)共包含7個(gè)作業(yè)區(qū)，388個(gè)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)在主控室監(jiān)控電腦對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備測(cè)點(diǎn)的無(wú)線遙測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)部分由多個(gè)探頭和一個(gè)數(shù)據(jù)采集站組成，如圖1所示。探頭可以安裝在一臺(tái)設(shè)備上，也可以安裝在多臺(tái)不同的設(shè)備上，每一個(gè)無(wú)線溫度傳感器均是一個(gè)獨(dú)立工作單元，有自己的唯一地址，安裝方便，無(wú)需布線。采集器將采集到的信號(hào)進(jìn)行分析打包處理，通過(guò)無(wú)線傳到采集機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1.1 數(shù)采無(wú)線傳輸系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由無(wú)線溫度采集器、中繼器、智能無(wú)線數(shù)傳機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等設(shè)備組成。

圖1 數(shù)采無(wú)線傳輸系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能無(wú)線數(shù)傳機(jī)和無(wú)線溫度采集器形成一個(gè)無(wú)線通信組，工作在同一頻段。采集點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的不同通過(guò)兩種方式與現(xiàn)場(chǎng)中間站進(jìn)行通信，一種采用磁力吸附方式安裝，與外界無(wú)任何電路連接是完全電氣隔離的，測(cè)量結(jié)果以無(wú)線數(shù)字傳輸方式傳送給接收設(shè)備；另一種通過(guò)六合一采集器，將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接線盒的6個(gè)預(yù)埋好的溫度采集點(diǎn)與采集器連接。采集器集成了APC300 超低功耗微功率無(wú)線傳感器發(fā)射模塊，內(nèi)置12bit 高精度ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），直接與PT1000 熱電阻連接。兩種方式均為電池供電。主要技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 溫度采集主要技術(shù)性能

智能無(wú)線數(shù)傳機(jī)采用4電平連續(xù)相位頻移鍵控調(diào)制的數(shù)傳電臺(tái)2510，數(shù)傳電臺(tái)用一體化模塊直接安裝在遠(yuǎn)程終端單元RTU上。

主站采用全向天線，為所有的遠(yuǎn)程站提供相等的覆蓋，遠(yuǎn)程站采用定向天線，把與其它用戶的互相干擾減小到最小。

系統(tǒng)有效覆蓋范圍與各站所處的環(huán)境及主站、從站天線架設(shè)高度有直接關(guān)系，當(dāng)主站與從站較遠(yuǎn)或有阻隔時(shí)，用中轉(zhuǎn)電臺(tái)是實(shí)現(xiàn)可靠通訊的唯一選擇。無(wú)線溫度采集中間站和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器接收來(lái)自個(gè)測(cè)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)，每10 個(gè)測(cè)點(diǎn)入一個(gè)采集器，中間站和采集器通過(guò)E800模擬量采集模塊將分散的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的模擬信號(hào)經(jīng)A/D 變換傳輸?shù)街鳈C(jī)。數(shù)傳電臺(tái)采集的信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換器將電流環(huán)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給服務(wù)器進(jìn)行處理。

1.2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，AT89C51 微型控制器使用溫度傳感器DS18B20 收集溫度，使用低功率CMOS 連續(xù)EEPROM AT24C02 執(zhí)行搜集數(shù)據(jù)保存，使用T6963CLCD控制器收集溫度顯示和傳輸。

1)溫度測(cè)量電路

DS18B20 是數(shù)字溫度傳感器電路的感溫元器件，DS18B20 適應(yīng)一個(gè)更寬的電壓范圍3.0V～5.5V，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)測(cè)量溫度；抗干擾能力強(qiáng)，輸出的是數(shù)字信號(hào)，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)發(fā)送給計(jì)數(shù)器1，經(jīng)運(yùn)算，溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。

2)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

由于微型控制器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的是非常必要的。采用低功率CMOS 連續(xù)EEPROM AT24C02執(zhí)行搜集數(shù)據(jù)的保存，通過(guò)SDA (串行數(shù)據(jù)線)和SCL (連續(xù)時(shí)鐘線)被連接到對(duì)調(diào)動(dòng)信息的設(shè)備之間，根據(jù)地址辨認(rèn)每個(gè)設(shè)備。

3)MCU電路設(shè)計(jì)（中間站）

在中間站內(nèi)MCU 是一個(gè)重要組分，它同傳感器之間通過(guò)12C 總線連接，占用2 條MCU 輸入輸出口線，二者之間靠軟件完成通信。本方案中，傳感器的7 位地址設(shè)定為1001000。MCU 需要訪問(wèn)傳感器時(shí)，發(fā)出一個(gè)8位寄存器指針，然后再發(fā)出傳感器的地址。主程序不斷更新傳感器配置寄存器，會(huì)使傳感器每更新一次測(cè)量一次溫度。發(fā)出單步指令后，產(chǎn)生定時(shí)中斷喚醒CPU，定時(shí)的長(zhǎng)短通過(guò)編程調(diào)整，以便適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需要。

AT89C51 作為這個(gè)設(shè)計(jì)的核心，使用了DS18B20 芯片的溫度傳感器設(shè)計(jì)，加上一條適當(dāng)?shù)耐庠陔娐罚恍枰紤]電路A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，不僅達(dá)到了測(cè)量效果，還有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性。

2 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)方式（系統(tǒng)組網(wǎng)方式和通信規(guī)約）

溫度測(cè)量數(shù)據(jù)采用TTL電平信號(hào)，通過(guò)APC300發(fā)射模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸。TTL 電平與CMOS 電平等其它信號(hào)相比具有速率高、熱損耗低、對(duì)電源要求不高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于無(wú)線探頭電池供電而言十分合適，無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)每個(gè)無(wú)線測(cè)量探頭模塊進(jìn)行線下寫(xiě)入，包括信道、中間站、傳感器地址、波特率、奇偶校驗(yàn)、空中速率、輸出功率等信息，以保證現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)對(duì)測(cè)點(diǎn)采集的一一對(duì)應(yīng)。

無(wú)需編寫(xiě)無(wú)線與傳感器部分的軟件，也不需要額外的MCU 和外圍器件。APC300 模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，可在線修改串口速率，收發(fā)頻率，發(fā)射功率，射頻速率，發(fā)射間隔以及傳感器類(lèi)型等各種參數(shù)，本次設(shè)定每10 s 輪詢一次。APC300 模塊能定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送，合理的設(shè)定采集周期。

APC300 發(fā)射模塊特點(diǎn)：1000 m傳輸距離，速率3.125 Kbps，頻 率（425～450）MHz，（863～870）MHz，（902～928）MHz 2.1～3.6 V 寬電壓工作范圍，發(fā)射電流14 mA，多頻道可設(shè)，GFSK的調(diào)制方式。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選用六合一探頭或單一探頭，對(duì)PT1000信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行分析打包處理，應(yīng)用APC300模塊傳輸給中間站。

中間站集成APC300 模塊和E820 模塊，APC300負(fù)責(zé)接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)采集器的信號(hào)，將TTL 信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232信號(hào)，又通過(guò)E820模塊傳輸給智能無(wú)線數(shù)傳機(jī)，智能無(wú)線數(shù)傳機(jī)采用一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（MAS）的通信方式，由主站和多個(gè)相關(guān)遠(yuǎn)程站組成，一個(gè)MAS網(wǎng)絡(luò)為中央主計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程終端單元RTU 或其它數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間提供通信，這樣，無(wú)線系統(tǒng)傳送原始格式的數(shù)據(jù)，不改變數(shù)據(jù)格式。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

傳感器節(jié)點(diǎn)在上電以后，進(jìn)行硬件初始化。在加入已有網(wǎng)絡(luò)后，定時(shí)向協(xié)調(diào)器或者路由設(shè)備發(fā)送溫度值。溫度信號(hào)傳輸給相應(yīng)系統(tǒng)上位機(jī)，又通過(guò)廠區(qū)內(nèi)網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖3，系統(tǒng)包含兩個(gè)軟件，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視軟件，用于崗位人員對(duì)設(shè)備的日常監(jiān)控，該軟件安裝在點(diǎn)檢電腦上；另一個(gè)是管理監(jiān)控軟件，用戶為能上內(nèi)網(wǎng)并有查看需求的管理者，實(shí)現(xiàn)對(duì)需要查看區(qū)域設(shè)備溫度的查看功能，根據(jù)管理范圍不同，設(shè)置多級(jí)權(quán)限，本作業(yè)區(qū)賬號(hào)只能查看本區(qū)域設(shè)備。

圖3 軟件流程圖

1）現(xiàn)場(chǎng)PC中心監(jiān)視軟件

每個(gè)站所的上位機(jī)應(yīng)用VB 語(yǔ)言進(jìn)行編程，對(duì)智能無(wú)線數(shù)傳機(jī)采集、轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解析，刷新速率為1 s。主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)畫(huà)面：顯示測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度、報(bào)警值設(shè)定、電池電壓；測(cè)點(diǎn)溫度趨勢(shì)曲線畫(huà)面：可選的單點(diǎn)、多點(diǎn)溫度歷史曲線查詢；報(bào)警畫(huà)面：查閱設(shè)定報(bào)警值的超限歷史記錄。軟件共有5 個(gè)基本工作畫(huà)面，對(duì)應(yīng)為6 個(gè)基本工作狀態(tài)。分別是：通信檢查狀態(tài)（主畫(huà)面）、棒圖顯示狀態(tài)、區(qū)域平面圖顯示狀態(tài)、曲線查詢狀態(tài)、歷史記錄查詢狀態(tài)和探測(cè)器組態(tài)配置狀態(tài)，如圖4。

圖4 PC中心監(jiān)視軟件設(shè)計(jì)流程圖

2）局域網(wǎng)客戶端軟件

客戶端實(shí)現(xiàn)各個(gè)作業(yè)區(qū)數(shù)據(jù)的匯總，將匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分類(lèi)保存，以便用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。在需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算機(jī)上（局域網(wǎng)用戶）安裝客戶端軟件，用戶可以在自己工作的計(jì)算機(jī)上時(shí)時(shí)了解、掌握各個(gè)作業(yè)區(qū)重要電機(jī)、水泵的溫度。

客戶端應(yīng)用C#（C Sharp）語(yǔ)言進(jìn)行編程，擁有C++的強(qiáng)大功能及VB 簡(jiǎn)易使用的特性，是一個(gè)組件向?qū)虻某绦蛘Z(yǔ)言，將現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對(duì)各個(gè)站所的數(shù)采機(jī)掃描周期為1 s，傳輸給服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)及誤差分析

經(jīng)過(guò)半年的在線試驗(yàn)，分別從系統(tǒng)可行性與最遠(yuǎn)距離傳輸穩(wěn)定性出發(fā)，進(jìn)行試驗(yàn)工作，每4 h對(duì)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位用測(cè)溫槍測(cè)試，與無(wú)線溫度數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷其準(zhǔn)確性。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，二者數(shù)值和數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，如圖5。滿足對(duì)設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)溫需要，且信號(hào)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

誤差分析：從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，紅外測(cè)溫值與熱電偶所測(cè)值相比，兩者最大相對(duì)誤差小于5%.

分析原因有以下幾點(diǎn)：

(1)測(cè)點(diǎn)接觸面磁鐵有一定厚度，并且測(cè)溫槍與固定探頭測(cè)點(diǎn)有一定距離；

(2)由于給紅外傳感器的供電電源同時(shí)還給24 V 轉(zhuǎn)5 V 的電壓轉(zhuǎn)換模塊供電.雖然電池本身的紋波很小，但系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電源的紋波比較大(達(dá)到700 mV)，這也影響了系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性；

(3)在硬件電路中對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行了一些處理，電壓信號(hào)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系是1：20，相當(dāng)于將電壓信號(hào)進(jìn)行了放大，產(chǎn)生的誤差不影響對(duì)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的整體趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控提供了有效解決方案，且經(jīng)濟(jì)有效，將數(shù)傳電臺(tái)與溫度巡檢和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)新性地應(yīng)用于重要電機(jī)、水泵設(shè)備，簡(jiǎn)化了數(shù)百甚至上千測(cè)溫系統(tǒng)所需的龐大布線系統(tǒng)，提升能源系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)水平，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械電力設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控，對(duì)于保障設(shè)備的運(yùn)行安全具有重要意義。