湛 釗，郭 剛，范曄華

(樂凱膠片股份有限公司，河北 保定 071000)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其在精細(xì)化工生產(chǎn)中，液體密封移動(dòng)罐的使用十分普及。隨著生產(chǎn)技術(shù)的革新和生產(chǎn)工序的精益化改善，對液體物料配制運(yùn)輸?shù)撵`活性和統(tǒng)一性的需求日益提升。但是，現(xiàn)有的有線式液位采集系統(tǒng)無法跟隨移動(dòng)罐移動(dòng)，使得移動(dòng)罐只具有轉(zhuǎn)運(yùn)功能，生產(chǎn)配制功能欠佳。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一套可搭配在移動(dòng)罐上使用的無線分布式液位采集系統(tǒng)的重要性突顯了出來。

1 系統(tǒng)概述

無線分布式液位采集系統(tǒng)主要包含三部分：采集終端、WiFi網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控系統(tǒng)。整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示，工業(yè)現(xiàn)場各采集終端通過無線WiFi與中央服務(wù)器進(jìn)行通信，傳輸采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)最終匯總到監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行分析、處理、顯示并提供給第三方現(xiàn)場控制系統(tǒng)，控制界面可顯示處理后各采集終端采集的液位信息。整套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰、簡單，可靠度高，實(shí)用性強(qiáng)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 采集終端設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安裝于移動(dòng)罐上的采集終端以STM32F107單片機(jī)為核心處理器，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。終端整體分為核心處理器、通信組塊、狀態(tài)組塊、供電組塊、采集組塊以及功能外設(shè)組塊六部分。核心處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理以及協(xié)調(diào)調(diào)度其他各組塊以完成預(yù)設(shè)任務(wù)；通信組塊負(fù)責(zé)無線聯(lián)網(wǎng)通信，保證采集終端與監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互；狀態(tài)組塊負(fù)責(zé)標(biāo)識移動(dòng)罐的當(dāng)前工作模式與工作地點(diǎn)；供電組塊為采集終端提供穩(wěn)定電壓，并自動(dòng)在移動(dòng)電源供電和固定電源供電之間切換；采集組塊負(fù)責(zé)對移動(dòng)罐內(nèi)液位信息的采集；功能外設(shè)組塊負(fù)責(zé)采集運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備調(diào)試、參數(shù)保存等其他附加功能[1-2]。

圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 主要模塊硬件選型

2.2.1核心處理器

核心處理器與各個(gè)組塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)發(fā)，是整個(gè)終端的核心部分。設(shè)計(jì)中采用STM32F107VCT6處理器，該款處理器是意法半導(dǎo)體推出的一款性能較強(qiáng)的微控制器。該控制器具有STANDBY和STOP兩種低功耗模式，可適應(yīng)不同情況需求；此外，它集成有多種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并應(yīng)用32位的Cortex-M3內(nèi)核，擁有72 MHz的運(yùn)行頻率，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域[3-4]。

2.2.2通信組塊

通信組塊應(yīng)用搭載TICC3200處理器的C322無線WiFi模塊。該模塊定位于工業(yè)級低功耗產(chǎn)品，能夠適應(yīng)-40 ℃到85 ℃的工業(yè)環(huán)境，串口支持高達(dá)3 Mb/s波特率數(shù)據(jù)傳輸，支持與網(wǎng)頁服務(wù)器的數(shù)據(jù)直連。同時(shí)，該模塊外形小巧且通信穩(wěn)定，工作能耗低，休眠電流低至3.5 mA，是制作移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的極佳選擇。

2.2.3采集組塊

采集組塊由ADS1256與超聲波液位傳感器組成。ADS1256是由TI公司生產(chǎn)的工業(yè)級高精度串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以提供23位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，而且還擁有30 kS/s的高采樣速率，適用于科學(xué)儀器、工業(yè)工藝控制、醫(yī)療設(shè)備等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[5]。超聲波液位傳感器選用德國E+H的FMU41一體化物位傳感器，該傳感器適用于液體、漿料和固體塊料的非接觸式物位測量，以兩線制4～20 mA信號輸出，測量精度可達(dá)1 mm。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用自定義傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)包格式如圖3所示[1,5]，數(shù)據(jù)包大小為48 B，包頭2 B，包尾2 B，IP地址12 B，數(shù)據(jù)/指令部分32 B。包頭為十六進(jìn)制數(shù)0xFF，0xFF。包尾為十六進(jìn)制數(shù)0x0D，0x0A；終端地址為十六進(jìn)制數(shù)0x00～0xFF之間的1個(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)/指令部分，當(dāng)傳輸采集到的數(shù)據(jù)信息時(shí)，該部分使用字符串形式，共占用40 B，4 B液位量化數(shù)據(jù)，14 B采樣時(shí)間信息，2 B供電電源當(dāng)前電壓，現(xiàn)場溫度值占用4 B，4 B為允許發(fā)送時(shí)間(時(shí)間以ms為單位，僅在設(shè)定或查詢時(shí)應(yīng)用)，最后2 B為采樣間隔(時(shí)間間隔以s為單位，僅在設(shè)定或查詢時(shí)應(yīng)用)；當(dāng)為傳輸指令信息時(shí)，該部分為十六進(jìn)制數(shù)，只應(yīng)用第1字節(jié)。

圖3 數(shù)據(jù)包格式

2.3.2初始化及網(wǎng)絡(luò)檢測

采集終端上電后，首先進(jìn)行初始化和網(wǎng)絡(luò)檢測。此過程中，會(huì)進(jìn)行各個(gè)模塊的功能檢驗(yàn)，并調(diào)出EEPROM中的設(shè)備參數(shù)，進(jìn)行初始配置；之后測試網(wǎng)絡(luò)的連接狀況，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送通信驗(yàn)證包，驗(yàn)證通信正常后，向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送終端正常工作信號，進(jìn)入工作狀態(tài)。初始化及網(wǎng)絡(luò)檢測流程圖如圖4所示。

圖4 初始化及網(wǎng)絡(luò)檢測流程圖

2.3.3采集程序設(shè)計(jì)

終端采集程序流程圖如圖5所示[6-8]，程序初始化完成后，先判別是否到達(dá)周期內(nèi)采樣時(shí)刻，若未允許采樣則繼續(xù)等待直至采樣標(biāo)志位置1后向下運(yùn)行，該標(biāo)志位通過定時(shí)中斷置位，用以限定采樣頻率。之后的網(wǎng)絡(luò)檢測流程通過后，檢查目前終端所處的工作模式。此處分為2種工作模式：采集模式、保持模式。若為采集模式，保持標(biāo)志位置0，并連同當(dāng)前移動(dòng)罐采集終端所處的位置代碼一同存入發(fā)送緩存數(shù)組TXBUF中，之后讀取采集到的液位信息，并判別該數(shù)據(jù)的有效性。此處，工作模式通過終端上的轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)置，位置代碼通過位置撥碼設(shè)置，而且采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)連續(xù)采集5次，選擇其中數(shù)值大小居中的數(shù)據(jù)設(shè)定為有效采樣數(shù)據(jù)向下傳遞。若為保持模式，則將保持標(biāo)志位置1存入TXBUF中，程序直接跳過采樣步驟。之后，將傳感器采樣數(shù)據(jù)、片上AD測得電源電壓數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、當(dāng)前時(shí)間數(shù)據(jù)以及此終端的IP地址添加到TXBUF中儲存。發(fā)送打包好的數(shù)據(jù)，并對發(fā)送結(jié)果進(jìn)行檢測。當(dāng)發(fā)送后間隔xms仍未收到反饋信息時(shí)代表發(fā)送故障，自動(dòng)進(jìn)行二次發(fā)送，若發(fā)送3次后仍舊未發(fā)送成功放棄本次發(fā)送動(dòng)作，并將通信故障標(biāo)志位置1，通過終端上的故障燈表示出來。

圖5 采集程序流程圖

2.3.4指令接收程序設(shè)計(jì)

終端接收指令程序流程圖如圖6所示，在連接網(wǎng)絡(luò)后，采集終端會(huì)保持與監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接，并等待接收指令中斷。中斷程序中，首先判斷接收到的包頭以及IP地址信息是否正確。若不正確則退出中斷，若正確則向下運(yùn)行。根據(jù)收到指令進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和查詢，控制指令包括查詢/校正終端時(shí)鐘芯片運(yùn)行時(shí)間、查詢/設(shè)置采樣頻率、查詢當(dāng)前采集值、查詢/設(shè)定通信等待時(shí)間等。通過指令配置的會(huì)在RAM的相關(guān)位置和外部的EEPROM中同步保存，保證掉電重啟后設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖6 接收指令程序流程圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要功能分為兩個(gè)部分：實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢。實(shí)時(shí)監(jiān)控主要包括對于現(xiàn)場各個(gè)移動(dòng)罐采集終端的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和動(dòng)態(tài)顯示，可以直觀地表現(xiàn)出液位狀態(tài)、工作狀態(tài)以及工作地點(diǎn)。功能結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，終端應(yīng)用TCP/IP協(xié)議與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。根據(jù)IP地址找到相應(yīng)的移動(dòng)罐終端，將采集時(shí)間、采樣頻率、電源電壓、環(huán)境溫度、液位信息、移動(dòng)罐位置、工作模式分別裝入，即可直觀地顯示出對應(yīng)信息。同時(shí)，對終端設(shè)備進(jìn)行控制，所發(fā)送的控制指令也通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。歷史數(shù)據(jù)查詢包括將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)按IP進(jìn)行分類保存，并可以做出各移動(dòng)罐終端的時(shí)間液位曲線圖，用來觀察罐內(nèi)液位的變化趨勢。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)束語

本文介紹的無線分布式液位采集系統(tǒng)，通過對移動(dòng)罐的配制、運(yùn)輸一體化設(shè)計(jì)，很好地解決工業(yè)生產(chǎn)中液體物料配制、運(yùn)輸不便的問題。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，設(shè)備維護(hù)便捷，具有較高的實(shí)用價(jià)值。