汪鳳珠 白 焰 王仁書

(華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206)

電廠超濾系統(tǒng)低功耗無線監(jiān)測網絡的設計

汪鳳珠 白 焰 王仁書

(華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206)

為克服現(xiàn)有化學水處理系統(tǒng)所存在的成本高、布線復雜、擴展性差等缺陷，提出了一種基于ZigBee的電廠鍋爐補給水超濾系統(tǒng)監(jiān)測網絡的設計方案，并給出了詳細的硬件電路和軟件設計流程。對狀態(tài)檢測的能耗進行了理論分析和計算，利用PLC實現(xiàn)了整個無線監(jiān)測系統(tǒng)。測試表明，該設計符合實際需求并且具有較低的功耗。

電廠超濾系統(tǒng) 低功耗 ZigBee 無線監(jiān)測網絡 CC2430 PLC

0 引言

相對于有線系統(tǒng)，工業(yè)無線傳輸系統(tǒng)既節(jié)省了電纜、簡化了安裝、縮短了維護時間、延伸了原有的工業(yè)網絡的控制范圍，又提供了極高的靈活性和拓展性，有效地補充了有線網絡和現(xiàn)場總線。由于采用了擴頻或者調頻技術，工業(yè)無線傳輸系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下也具有較強的抗干擾性?，F(xiàn)有的無線協(xié)議主要有WiFi、藍牙、超寬帶和ZigBee等。其中，ZigBee是一種低成本、低功耗、低數據傳輸率的近距離無線通信技術，尤其適合用于能量有限的工業(yè)現(xiàn)場［1］。

本文以內蒙某電廠鍋爐補給水處理中的超濾系統(tǒng)為設計背景，利用ZigBee無線通信技術實時獲取現(xiàn)場設備的狀態(tài)，并通過Profibus總線將數據上傳至PLC，利用PLC與上位計算機之間的網絡連接，將設備的狀態(tài)傳遞到上位機畫面組態(tài)軟件InTouch中，以形成監(jiān)控畫面，為化學水處理系統(tǒng)的順序控制奠定基礎［2-3］。

1 系統(tǒng)整體設計思路

電廠鍋爐補給水處理系統(tǒng)工藝流程為:生水箱→生水泵→疊片過濾器→超濾→超濾水箱→超濾水泵→保安過濾器→高壓泵→反滲透裝置→除碳器→淡水箱→淡水泵→一級除鹽加混床→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。其中，超濾系統(tǒng)作為原水預處理，能夠有效去除水中的懸浮物、膠體和有機大分子等雜質，使出水水質能夠滿足反滲透設備的進水要求，有效地保護了反滲透膜，降低了清洗頻率。另一方面，由于超濾膜上的微孔很小，在運行一段時間后，會有截留物質沉聚在膜的內表面。為維持超濾性能的長期穩(wěn)定，需要定期、短暫地從過濾的相反方向對超濾膜組件進行化學加藥清洗(即反洗，包括氣洗、全反洗、上反洗、下反洗和正沖過程)。

電廠共有4套超濾系統(tǒng)，它們連接到同一個大容量超濾水箱中。當系統(tǒng)正常運行時，1#、2#超濾作為一組同時投運，而3#、4#超濾作為另一組提供備用。超濾系統(tǒng)的程控步序包括正洗、運行和反洗，與這些操作相關的現(xiàn)場設備有生水泵、超濾反洗水泵、氧化劑計量泵、進水閥、正排閥、反洗出水閥、出水閥、進氣閥和反洗進水閥。

電廠超濾系統(tǒng)由兩個建立在ISM 2.4 GHz頻段的不同信道上的無線網絡構成。閥門無線監(jiān)測網絡由1#、2#超濾系統(tǒng)(共12個閥門)和網關1構成，電機無線監(jiān)測網絡由3臺生水泵、2臺超濾反洗水泵、2臺氧化劑計量泵和網關2構成。每個閥門和泵上都安裝了一個ZigBee終端節(jié)點，用于實時檢測設備狀態(tài)?，F(xiàn)場設備的狀態(tài)數據經過ZigBee無線網絡傳輸至相應的網關上進行協(xié)議轉換后，通過Profibus總線到達控制器(這里使用西門子PLC)。最后利用PLC系統(tǒng)與上位計算機的網絡連接，所有被控設備的狀態(tài)(閥門的開關、泵的啟停)進入上位計算機的數據庫中，形成超濾系統(tǒng)的監(jiān)控畫面和歷史趨勢畫面，運行人員就可以輕松查看鍋爐補給水超濾系統(tǒng)的運行情況。

本文偏重于ZigBee無線網絡的軟硬件部分，不涉及控制器編程軟件 Siemens Step7和上位機畫面組態(tài)軟件InTouch的細節(jié)。電廠超濾系統(tǒng)無線監(jiān)測網絡如圖 1 所示［4-5］。

圖1 超濾系統(tǒng)無線監(jiān)測網絡Fig.1 Wireless monitoring network in ultrafiltration system

2 硬件設計

ZigBee無線網絡由1個協(xié)調器和1個以上的路由器或終端節(jié)點構成?？紤]到現(xiàn)場閥門與閥門、泵與泵之間的距離不是很遠，都處于無線個域網的通信范圍之內，使用單跳網絡就足夠了，所以系統(tǒng)無線部分的軟硬件設計只涉及終端節(jié)點和協(xié)調器。

2.1 終端節(jié)點

閥門終端節(jié)點是通過檢測閥門回信器上的常閉觸點K1和常開觸點K2來獲取自身狀態(tài)的，如圖2所示。

圖2 閥門的狀態(tài)檢測電路圖Fig.2 Circuit diagram of the state detection of valves

圖2中，CC2430模塊是狀態(tài)檢測的核心，它由CC2430芯片及其應用電路(上電復位、32 MHz晶振、32.768 kHz晶振和天線)組成，其外圍保留了CC2430的20個引腳［6-7］。為減少功耗，當需要檢測閥門狀態(tài)時，CC2430先置P0.4為0，以導通各路光耦，再從引腳P0.5、P0.7讀入 K1、K2的狀態(tài)。若 K1、K2的狀態(tài)相同，表示閥門出現(xiàn)故障;若K1閉合、K2斷開，表示閥門開啟;若K1斷開、K2閉合，表示閥門關閉。在不需要檢測閥門狀態(tài)時，CC2430置P0.4引腳為1，各路光耦截止，外圍檢測電路不耗費能量。電機側的終端節(jié)點需要檢測5路開關量，分別代表泵的運行、停止、事故跳閘、遠方就地和保護設備自診斷信號。與常開觸點K2的檢測相類似，這 5 路信號分別從引腳 P0.5、P0.6、P1.2、P1.3和P1.4讀入。

2.2 協(xié)調器及網關

閥門網絡和電機網絡的網關設計是相同的。網關底板主要由CC2430模塊、C51單片機、Profibus協(xié)議芯片VPC3+C和Profibus接口驅動芯片AMD2486構成。網關上的CC2430模塊作為ZigBee協(xié)調器，接收來自終端節(jié)點的設備狀態(tài)數據，并通過RS-232串口把數據發(fā)送給C51單片機。VPC3+C將C51提取出的有效數據轉換成符合Profibus總線協(xié)議的數據包，并通過AMD2486將數據上傳到PLC的寄存器中。

3 軟件設計

ZigBee網絡協(xié)調器和終端節(jié)點的軟件設計是基于IAR集成開發(fā)環(huán)境和德州儀器ZStack-1.4.3-1.2.1的。其中ZStack符合ZigBee 2006規(guī)范，它基于操作系統(tǒng)，以任務輪詢機制完成整個協(xié)議棧的運行。ZigBee協(xié)議棧的每一層都對應于OSAL的一個獨立的任務，在系統(tǒng)啟動和初始化后，操作系統(tǒng)輪詢ZigBee協(xié)議棧各層的任務事件，當某層有事件被觸發(fā)時，就執(zhí)行該層的任務事件處理函數。

3.1 協(xié)調器

協(xié)調器負責完成以下5個任務。

①在程序設定的信道上組建無線傳感器網絡。

②通過ZigBee網絡接收來自終端節(jié)點的設備狀態(tài)信息，并根據接收到的cluster ID區(qū)分各個設備節(jié)點，將接收到的數據存放在數組State［M］中與cluster ID對應的字節(jié)上(其中M為ZigBee網絡終端節(jié)點的數量)。

③周期性地通過RS-232串口把現(xiàn)場設備的狀態(tài)發(fā)送給網關上的C51單片機，為協(xié)議轉換做準備。

④不斷輪詢串口，當串口接收到從控制器下傳的數據時，提取出指示當前工況(正洗、反洗或運行)的信息，并通過RF無線收發(fā)器發(fā)送給終端節(jié)點。

⑤定義了一個超時計數數組Count［M］，當超過K×0.1 s沒有收到某個節(jié)點的消息時，就將該節(jié)點的狀態(tài)設置為0xFF，認為該節(jié)點失效。

協(xié)調器的程序流程圖如圖3所示。

圖3 協(xié)調器的程序流程圖Fig.3 The program flowchart of coordinator

3.2 終端節(jié)點

在本文所設計的超濾系統(tǒng)無線監(jiān)測網絡中，終端節(jié)點依賴于有限電源。但由于可供選擇的電池容量小，且無法在工作現(xiàn)場頻繁更換電池，而通過能量獲取對其充電又是復雜而不穩(wěn)定的，因此，為延長無線網絡的壽命，節(jié)點的軟件設計必須配合硬件實現(xiàn)低功耗。閥門終端節(jié)點的程序流程如圖4所示。

在同一個ZigBee網絡中，不同的終端節(jié)點對應著不同的cluster ID［8］。它們在成功加入網絡后就利用操作系統(tǒng)定時器定時Tp(本文所有的時間單位都為s)，定時時間到就自動觸發(fā)應用層設備狀態(tài)檢測事件，并重新定時Tp，從而實現(xiàn)了設備狀態(tài)的周期性檢測。當操作系統(tǒng)輪詢發(fā)現(xiàn)該事件時，閥門終端節(jié)點就進入以下檢測過程。

① 首先，在引腳P0.4上輸出0，導通各路光耦并開始采集數據。為消除抖動，需要不斷讀取引腳P0.5和P0.7的狀態(tài)，直到每個引腳上連續(xù)3次采集的信號都一致(其中每兩次狀態(tài)讀取之間有很小的延時)，然后在引腳P0.4上輸出1，關閉光耦，結束采集。

圖4 閥門終端節(jié)點的程序流程圖Fig.4 The program flowchart of valve terminal node

②為防止錯誤的故障判斷給運行人員帶來麻煩，如果得到閥門故障的信息，就將故障計數值加1。此時若故障計數未達到Te(該參數的選取要適中，以免影響故障反饋的及時性)就暫不處理，退出等待下一次的檢測事件;一旦故障計數達到Te，則確認閥門為故障狀態(tài)。接下來與閥門開啟或關閉狀態(tài)的處理一致，即保存本次檢測結果并清零故障次數。

③由于無線節(jié)點在發(fā)送狀態(tài)的能耗是最大的，為了進一步節(jié)省能耗，使用例外報告法，即把本次檢測獲得的閥門狀態(tài)與上一次保存的閥門狀態(tài)進行比較:如果狀態(tài)不改變，則狀態(tài)重復計數值加1;如果狀態(tài)發(fā)生變化或者狀態(tài)重復計數達到N，則清零狀態(tài)重復計數，并將閥門狀態(tài)通過ZigBee無線網絡發(fā)送給協(xié)調器;若狀態(tài)重復計數未達到N，則不發(fā)送數據，然后都進入Ts的PM2休眠。

電機終端節(jié)點的檢測過程為:按照步驟①依次采集完表征電機狀態(tài)的5個DI后，直接將5路開關量的狀態(tài)發(fā)送給協(xié)調器，然后進入PM2休眠模式。

另一方面，終端節(jié)點通過ZigBee網絡接收來自協(xié)調器的運行工況信息，并根據該信息改變狀態(tài)檢測參數。為了確定檢測參數在不同工況下(正洗、反洗和運行)的選取原則，從理論上分析了參數Tp、Ts和N對終端節(jié)點檢測功耗的影響。

閥門開啟或關閉時、泵的狀態(tài)檢測功耗曲線分別如圖 5(a)和 5(b)所示［9］。其中，Pa、Ps分別代表CC2430在工作模式PM0和休眠模式PM2下的功耗，Pc代表光耦導通時外圍檢測電路的功耗，τ1、τ2分別表示CC2430從PM2到PM0和從PM0到PM2的狀態(tài)切換時間，T1+T2=Tp。

圖5 設備正常時狀態(tài)檢測的功耗曲線Fig.5 The energy consumption curves of state detection under fault-free condition

由式(1)和式(2)可以看出，為了降低功耗，應選取大一點的Ts/Tp、(Tp+Ts)和N，但這同時又降低了系統(tǒng)的實時性，故參數的選取必須在實時性和低功耗之間折中。

考慮到系統(tǒng)在不同工況下對狀態(tài)反饋的實時性要求是不一樣的，一般運行時對實時性的要求較低。因此，可以在保證實際電廠超濾系統(tǒng)實時性的前提下，根據上述分析結果分別確定正洗、反洗和運行時的最佳檢測參數。在系統(tǒng)工作時，終端節(jié)點根據當前工況動態(tài)地切換參數，實現(xiàn)狀態(tài)檢測功耗的動態(tài)調整，從而將功耗降到最低。為提高系統(tǒng)的可靠性，在ZigBee節(jié)點中還加入了看門狗復位和掉網復位程序。

4 系統(tǒng)測試

利用所設計的ZigBee節(jié)點、網關、西門子S7 300系列315-2 PN/DP以及上位機軟件InTouch等，構建了電廠超濾處理的無線監(jiān)測系統(tǒng)，并選取參數Te=15、Ts=2 s、Tp=0.2 s、N=5、K=300，使用兩個開關模擬閥門回信器上的常閉觸點和常開觸點，通信距離約50 m。測試結果如下。

①系統(tǒng)運行穩(wěn)定，上位機軟件能夠準確地顯示閥門狀態(tài)，閥門開啟或者關閉狀態(tài)的檢測延遲為0～2 s，故障狀態(tài)的檢測延遲為2.5～5 s，節(jié)點失效的檢測延遲為30～33 s，能夠滿足超濾系統(tǒng)在運行工況下的數據傳輸要求。

②當網關復位時，所有終端節(jié)點都能檢測到掉網，并自動復位以重新加入網絡。

③ZigBee終端節(jié)點的功耗很低，將電流表串聯(lián)在終端模塊的電源電路中，測得其在PM2休眠模式下的電流為124 μA，在 PM0正常工作模式下的電流為12.4 mA(采集設備狀態(tài)時的電流為18.1 mA，RF發(fā)送時的電流為28.3 mA)。每隔8 h測量一次電池電壓，連續(xù)測量三天，發(fā)現(xiàn)電壓平均每天降低0.014 V(當電池電壓降低到1.7 V時，CC2430無法正常工作)，兩節(jié)新的南孚五號電池串聯(lián)電壓即可以達到3.26 V，以此推斷終端節(jié)點可以連續(xù)工作111天，適合于沒有持續(xù)能量供給的電廠設備中。

5 結束語

本文從電廠鍋爐補給水的超濾系統(tǒng)出發(fā)，設計了一種基于ZigBee的無線狀態(tài)監(jiān)測網絡。在設計中引入了休眠、例外報告以及動態(tài)功耗調整等機制，實現(xiàn)了傳感器節(jié)點的低功耗，并加入了看門狗復位和掉網復位程序，有效地提高了傳輸的可靠性。

實際測試表明，所設計的無線監(jiān)測網絡運行穩(wěn)定，滿足實際需求，且具有較低的能量消耗，適用于沒有持續(xù)能量供給的電廠設備中，為電廠超濾無線順序控制系統(tǒng)的研究奠定了良好的基礎。目前已經按照上述設計，對內蒙某電廠現(xiàn)有的超濾系統(tǒng)進行了無線改造，取得了較好的效果。

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Design of Low Energy Wireless Monitoring Network in Ultrafiltration System of Power Plant

In order to overcome the defects in the existing chemical water treatment system，such as high cost，complex wiring，poor expansibility，etc，on the basis of ZigBee，a design scheme of monitoring network of boiler water supply ultrafiltration system in power plant is proposed.Detailed hardware circuits and software design flow are given.The energy consumption in state detection is analyzed theoretically and calculated，and the whole wireless monitoring system is implemented with PLC.Tests show that the design features low energy consumption and meets the actual demands.

Ultrafiltration system of power plant Low energy consumption ZigBee Wireless monitoring network CC2430 PLC

TP274+.2

A

修改稿收到日期:2011-11-25。

汪鳳珠(1988-)，女，現(xiàn)為華北電力大學模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事無線傳感器網絡的研究。

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