基于ZigBee的汽輪機(jī)汽缸負(fù)荷分配監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 杰，雷 剛，施 蕓，王 濤

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽(yáng) 618000）

0 引言

大型汽輪機(jī)組在安裝過程中有一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)叫做汽缸負(fù)荷分配，即將汽缸的重力通過貓爪合理分配到各支撐面上，以保證汽機(jī)正常工作。傳統(tǒng)的負(fù)荷分配方法有貓爪垂弧法和彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量法，兩種方法均具有不夠準(zhǔn)確、不便于集中觀測(cè)和不便于存貯記錄等明顯缺點(diǎn)。筆者曾撰文介紹過一種有線信號(hào)傳輸方式的汽缸負(fù)荷分配監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，明顯優(yōu)越于垂弧法和彈簧測(cè)力計(jì)法，但由于傳感器與主機(jī)之間的連接線纜很長(zhǎng)而且各貓爪監(jiān)測(cè)點(diǎn)與主機(jī)之間的距離長(zhǎng)短不一，在現(xiàn)場(chǎng)使用中還是存在兩個(gè)方面的不足：1）線纜很容易被安裝工人損壞；2）各種干擾信號(hào)會(huì)通過線纜疊加到傳感器信號(hào)中，很難剔除干凈，影響了測(cè)量精度。

2009年，受某企業(yè)委托，設(shè)計(jì)一種高精度的汽缸負(fù)荷分配監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用作汽輪機(jī)組的產(chǎn)品中試，主要參數(shù)如下：

1）量程：0-60000千克（每個(gè)貓爪負(fù)荷監(jiān)測(cè)點(diǎn)）。

2）系統(tǒng)測(cè)量精度：系統(tǒng)精度≤0.3%FS，系統(tǒng)重復(fù)精度≤0.6‰。

3）系統(tǒng)響應(yīng)速度：系統(tǒng)測(cè)量及屏幕刷新時(shí)間≤1秒。

4）抗干擾能力強(qiáng)，可以在復(fù)雜的電磁環(huán)境下正常工作。

顯然，如果采用有線方式的負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，必須把整個(gè)傳感器信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換以及通信部分前移到傳感器端，讓各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與主機(jī)之間的線纜上傳輸壓力值的數(shù)字信號(hào)以盡量減少電磁干擾對(duì)測(cè)量精度的影響。如果要消除安裝工人無(wú)意識(shí)地?fù)p壞線纜，最好的解決方案是各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與主機(jī)之間采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健Ｒ诂F(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下保證200米視距范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，比較穩(wěn)妥的解決方案是采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)。具備以下特點(diǎn)：

1）通信可靠。ZigBee采用CSMA-CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，同時(shí)采用跳頻通信技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)。

2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)自愈功能。增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)。

3）成本低廉。設(shè)備的復(fù)雜程度低，且ZigBee協(xié)議是免費(fèi)的，使用開放的2.4GHz頻段。

4）數(shù)據(jù)安全。ZigBee提供數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法，可以滿足系統(tǒng)的安全需要。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示（圖中黑色節(jié)點(diǎn)代表網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，白色節(jié)點(diǎn)代表路由器和終端）。在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

負(fù)荷分配監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)采用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)負(fù)荷監(jiān)測(cè)點(diǎn)成為一個(gè)獨(dú)立單元，主機(jī)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PC主機(jī)通過串口和USB端口和ZigBee協(xié)調(diào)器連接，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理、數(shù)據(jù)處理以及ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立和管理。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)獨(dú)立完成各自負(fù)荷壓力數(shù)據(jù)的采集，其中由CC2530構(gòu)成的ZigBee路由器完成網(wǎng)絡(luò)的接入，監(jiān)測(cè)點(diǎn)單片機(jī)通過串口與ZigBee路由器連接，完成測(cè)試數(shù)據(jù)的上傳和主機(jī)命令的接收。主機(jī)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間使用巡檢方式進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 負(fù)荷監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 壓力傳感器與前置處理

傳感器和前置電路是系統(tǒng)測(cè)試的核心因素，直接決定了系統(tǒng)的測(cè)量精度。采用通過計(jì)量監(jiān)督部門檢測(cè)合格的傳感器及配套放大器以保證系統(tǒng)可靠性。壓力傳感器主要指標(biāo)為：測(cè)量范圍為0-60噸；電壓輸出為0-5V；測(cè)量精度為0.2級(jí)（0.2%）。傳感器與前置電路配對(duì)使用，考慮了信號(hào)的非線性補(bǔ)償問題，保證在全程測(cè)試中的線性度。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換部分

由于委托方要求測(cè)量的系統(tǒng)精度≤0.3%FS，系統(tǒng)重復(fù)精度≤0.6‰，選擇24bit積分型AD轉(zhuǎn)換器AD1224和低溫漂電壓基準(zhǔn)AD588（1.5PPM）。具體接口電路如圖3所示。

圖3 A/D接口電路圖

圖3中傳感器前置電路輸出的信號(hào)從AD1224的9腳輸入。AD轉(zhuǎn)換器AD1224通過 2、3、4引腳和單片機(jī)連接，其中SCLK和DI是A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)連接的串行數(shù)據(jù)接口；CLK是AD1224的工作時(shí)鐘。

3.3 CPU與ZigBee路由器

系統(tǒng)中，為減少每個(gè)負(fù)荷監(jiān)測(cè)點(diǎn)的功耗，使用PHILIPS低功耗P89LPC903單片機(jī)作為控制核心。該單片機(jī)采用SOP8封裝，具有內(nèi)部復(fù)位和時(shí)鐘，無(wú)需外接。LPC903具備一個(gè)全雙工的串口，可以和ZigBee路由器模塊進(jìn)行通信；另外的I/O端口用于控制AD1224。LPC9××系列單片機(jī)是1時(shí)鐘的單片機(jī)，在同等振蕩頻率條件下，具有更高的數(shù)據(jù)處理能力。

圖4 LPC903單片機(jī)和ZigBee接口

ZigBee路由器模塊使用CC2530進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，如圖5所示。CC2530 是TI 公司推出的ZigBee/ IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)芯片，采用0.18μm CMOS工藝，工作電流損耗為27mA。具備休眠模式與主動(dòng)模式超短時(shí)間轉(zhuǎn)換響應(yīng)特性，降低系統(tǒng)功耗，提高電池的使用時(shí)間。作為片上系統(tǒng) (SOC)，CC2530 集成了一個(gè)高性能的 RF 收發(fā)器和一個(gè)優(yōu)化的低功耗的 8051 微控制器內(nèi)核，8KB的RAM，32/ 64/ 128/ 256 KB 可選閃存，以及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)，允許芯片無(wú)線下載，支持系統(tǒng)編程。同時(shí)，其自帶2.4 GHz 高性能RF 收發(fā)器，需要用戶外接的主要包括32MHZ主時(shí)鐘、32K副時(shí)鐘、射頻天線輸出和用戶自定義的串行通信接口。同時(shí)，該芯片還具有很好的集成開發(fā)環(huán)境、完善的開發(fā)工具包和參考方案設(shè)計(jì)。基于該芯片開發(fā)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無(wú)線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

3.4 電源模塊和電池充放電管理

各負(fù)荷檢測(cè)點(diǎn)既可以使用外部220V交流電源供電，也可以鋰電池供電。為保證測(cè)量系統(tǒng)的精度，減小系統(tǒng)電源紋波，整個(gè)電源電路不采用開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，而選用線性穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)。使用鋰電池使用過程中，必需嚴(yán)格的對(duì)電池進(jìn)行充放電管理，否則將極大的降低電池的使用壽命。為簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，使用專用芯片MCP73862進(jìn)行充電管理。在使用電池工作期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)向主機(jī)發(fā)送電池電量和溫度信息，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

圖5 CC2530電路圖

4 PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)軟件主要由文件管理、命令參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)、濾波與顯示和幫助等模塊組成。用C++ Builder編寫，采用模塊是程序結(jié)構(gòu)，程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1）文件管理模塊。完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)入與退出，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的保存、打印與編輯。數(shù)據(jù)保存時(shí)以EXCEL表格數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出。

2）設(shè)置模塊。完成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址、測(cè)量時(shí)間和測(cè)試壓力范圍的設(shè)定。

3）監(jiān)測(cè)模塊。包含網(wǎng)絡(luò)的初始組建控制、監(jiān)測(cè)通道初值控制和監(jiān)測(cè)過程的開始控制，其中測(cè)試初值可以選擇調(diào)用上次的結(jié)果或者各監(jiān)測(cè)點(diǎn)重新測(cè)試。

4）濾波與顯示模塊。包含當(dāng)前使用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇、軟件濾波的參數(shù)設(shè)定、測(cè)試結(jié)果計(jì)算和結(jié)果顯示方式的選擇。其中軟件濾波使用萊特準(zhǔn)則加中值一平均值濾波。

在數(shù)字濾波時(shí)，首先用戶需要設(shè)定進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N（即求平均值的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)）,然會(huì)設(shè)定數(shù)據(jù)的置信區(qū)間系數(shù)K（通常情況下K取3）。用戶設(shè)定完N和K后，程序首先利用萊特準(zhǔn)則舍棄掉可疑數(shù)據(jù)，然后利用中值一平均值濾波模式計(jì)算最終的測(cè)量結(jié)果。

5）傳感器校正模塊。實(shí)現(xiàn)傳感器的校正數(shù)據(jù)讀取，校正曲線擬合計(jì)算，得出各個(gè)傳感器的特性曲線，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度。

圖6 上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

表1 在給定壓力負(fù)荷狀態(tài)下系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的汽缸負(fù)荷分配監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2010年研制成功，達(dá)到了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，已交付委托方試用了一年多，現(xiàn)場(chǎng)反饋的情況表明其工作非常穩(wěn)定，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度較有線方式有明顯提高，完全達(dá)到高精度測(cè)量的要求，受到用戶方的肯定。

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