当前,工业现场压缩空气的使用普遍存在以下问题:(1)压缩空气的使用处于无成本意识、无节制的状态;(2)管道中压缩空气的流量没有受到有效的监管;(3)压缩空气的泄漏量缺乏准确、有效的测量。上述问题的存在造成了压缩空气使用的严重浪费。科学、准确、可靠的流量计量管理是解决上述问题的重要手段之一。同时,建立压缩空气流量计量管理系统,可为气动系统综合信息管理及空压机群智能控制系统提供重要信息——流量信息。作者研究基于Zige无线通信网络技术的压缩空气流量计量管理系统
1. ZigBee技术简介
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术2,从诞生到现在只有几年的时间,呈现出蓬勃的发展态势,被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。
1.1 ZigBee协议架构
ZigBee协议架构建立在IEE802.15.4标准之上IEEE802.15.4标准定义了 ZigBee的物理层(PHY和媒体访问控制层(MAC); ZigBee联盟定义了zigBee协议的网络层(NwK)、应用层(APL),还定义了安全服务规范,以保证不会意外泄露其标识,而且其远距离传输不会被其他节点获得。
1.2 ZigBee网络拓扑
ZigBee网络拓扑结构主要有星状、串状、网状3种形式(如图1),每个节点的功能并非都相同。
根据无线节点分布情况的不同,可选择不同的网络拓扑结构。设计该压缩空气流量计量管理系统时,考虑到工业现场具有各种干扰无线传输的因素,为了提高无线传感器网络可靠性,采用网状拓扑结构。网状拓扑结构中每个节点都具有智能化的特点,当网络中任一节点发生故障时,附近的无线节点会自动代替该节点,继续进行信息的传输和转发,从而大大提高了系统的可靠性。
1.3 ZigBee的特点
Zig Bee技术具有低功耗、低成本、低速率、短时延、高安全、高扩展性等特点。在该压缩空气流墩计撤管理系统中应用 ZigBee无线传输技术,相对于现场总线来说,具有无需布线施工难度降低、网络结构更改与扩展方便的优势。
2.系统总体设计
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该压缩空气流量计计量管理系统总体设计方案如图2所示。在需进行流量监测的压缩空气管道中装上流量计,流量计输出的模拟信号经AD转换模块,转换成数字量输人到 ZigBee无线通信模块,这些模块在 ZigBee无线通信网络中作为终端节点,负责采集终端(流量计数据。中心节点作为无线传感器网络中的协调器,负责管理整个网络,并与工控机进行通信,在 ZigBee无线网络中,协调器是维一的。为了提高整个网络数据传输的稳定性和可靠性,根据工业现场中心节点与终端节点之间的相对位置及工况(是否有能屏蔽信号的障碍物、干扰等),在网络中适当地加若干个中继节点,这些中继节点在网络中起路由器的作用。整个网络的拓扑结构是网状拓扑结构如图1(b)示。
通过搭建 ZigBee无线传感器网络,建立流量数据采集的硬件平台。上位机软件采用广泛应用于测量与测试领域中的 LabWindows/CⅥ开发软件编写,负责完成数据请求命令的发送,数据的接收、显示、保存、统计以及其他更多的数据管理功能的实现。由ZigBee无线传感器网络具有网络结构更改与扩展方便的优点,故该网络可应用于不同个数终端节点的情况,上位机软件也只需做小范围的更改。
3.系统硬件设计
在该压缩空气流量计量管理系统中,使用以无线射频芯片CC2430为核心芯片的无线通信模块。CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMos解决方案,这种解决方案能够提高性能并满足以 ZigBee为基础的24 GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它包括了1个高性能的24 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和1个工业级小巧效率高的8051控制器CC2430集成了 ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它具有32/64/128kB可编程内存和8kB的RAM,还包括ADC、定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程LO引脚,可实现节点的微型化。CC2430无线单片机功耗非常低,待机时电流消耗仅0.2HA,在32kHz晶体时钟下运行,电流消耗小于1μA。使用小型电池寿命可以长达10年。针对该系统的应用情况,设计的CC2430应用电路主要由电源、复位电路、串口连接电路和无线收发电路组成。CC2430应用电路原理图如图3所示。
4.系统软件设计
系统软件设计包括两部分: ZigBee无线通信模块软件和上位机管理软件。
4.1无线通信网络软件设计
该系统中, ZigBee无线传感器网络采用网状网络拓扑结构,网络可以通过“多级跳”的方式来通信该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络,网络还具备自组织、自愈功能。 ZigBee路由选择基本算法如图4“所示。无线通信模块之间以及协调器与工控机的通信采用 Mod Bus通信协议。
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4.2上位机管理软件设计
上位机管理软件采用 Lab Windows/CⅥ开发软件编写。 LabWindows/CⅥI是一个全面的ANSC开发环境,用于仪器控制、自动检测、数据处理的应用软件开发。它以 ANSI C为核心,将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具有机结合起来。它的交互式开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和函数库大大增强了C语言的功能,为熟悉C语言的开发人员建立自动化检测系统、数据采集系统、过程控制系统等提供了个理想的软件开发环境。
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压缩空气流量计量管理软件流程图如图5。其中数据采集部分是一个数据采集周期的流程,该系统所取的采样周期为38。可根据实际需求并在整个无线通信网络数据响应速度的允许下采用不同的数据采样周期。数据采样周期主要由以下几方面决定:
(1)流量数值变化的快慢。数值变化快,则采样周期应该适当地取小。
(2)对累计流量(空气消耗量)的精度要求。如果精度要求较高,采样周期应该适当地取小。
(3)无线通信网络数据响应的快慢。这主要取决于单个无线通信模块数据响应快慢和整个无线网络数据传输的算法,如路由器选择算法。无限通信网络数据响应越快,所能允许的采用周期越小。
(4)终端流量计个数。从流程图数据采集部分可以看出,数据请求命令是顺序发送的,终端流量计个数越多,整个数据采集周期越长。值得指出的是,无线通信模块接到数据请求命令后,需要一定的响应时间,一般在几十毫秒到几百毫秒之间。网状拓扑结构中,协调器与终端节点之间需要经过若干个路由器,起到数据传输的“中转站”作用。所以,协调器到终端节点之间的数据响应时间应为终端节点和数据通过的路由器响应时间之和。根据该响应时间设置上位机串口超时的时间长短在数据采集部分,数据请求命令采用顺序发送的方式,使无线通信网络数据传输逻辑简单,能在一定程度上减少数据传输丢包、错包现象。缺点是随着终端节点的增多,能允许的数据采样周期增大。
(1)流量及压缩空气消耗量数据采集与保存
(2)实时流量数据显示;
(3)流量数据异常报警;
(4)实时流量曲线及历史曲线查询;
5)日流量,年、月耗气量统计及数据报表查询和打印。
5.结论与展望
压缩空气流量计量管理系统已经在工业现场投入使用。实践证明,该系统硬件稳定可靠,软件监测管理功能强大。改变了对车间或设备压编空气的使用量缺乏测量与管理的现状,能方便地看到车间或设备实时流量数据及曲线。通过测得的流量数据,与空压机站实际排气量比较,能大概估计整个工厂的压缩空气泄漏量;同时,通过年、月耗气量统计数据,可以清楚地知道各个车间或设备耗气量的大小,为工业现场压缩空气使用的管理和气动系统节能提供参考。该系统可以方便地应用在不同终端节点个数的情况,易扩展,且可以应用在其他的计量管理系统中,具有通用性。将来的研究目标是针对工业现场车间或设备用气量的数据,自学习其数据变化规律;这样,当数据异常时,能及时发现并解决问题。
气动系统综合信息管理系统的应用是发展的趋势。在气动系统综合信息管理系统中,可对压力、流量、排气温度、耗气量、露点、空压机功率、耗电量、运行时间等信息进行统一计量与管理。该流量计量管理系统的开发为其建立了基础。