選煤廠設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

蔡先鋒

（1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063000）

近年來，選煤工業(yè)現(xiàn)場的自動化程度越來越高，多數(shù)選煤廠生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動控制。對于高度智能化的集中控制系統(tǒng)而言，選煤工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備運行的安全性與可靠性至關(guān)重要，因此以采集關(guān)鍵設(shè)備的振動和溫度信息為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)逐漸成為生產(chǎn)運行的必要監(jiān)控環(huán)節(jié)，是生產(chǎn)管理體系不可或缺的組成部分。但是，選煤廠工況復(fù)雜，空間狹小，設(shè)備繁多，由于工業(yè)現(xiàn)場總線布線比較繁瑣、拓展局限性較大等原因，設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)難以在傳統(tǒng)硬件平臺上實現(xiàn)［1］。文章以ZigBee無線通信技術(shù)為理論依據(jù)，提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測的方案，以實現(xiàn)對選煤生產(chǎn)關(guān)鍵部位重要參數(shù)的實時監(jiān)測［2］。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks，簡稱WSN)是將控制單元、傳感器單元和無線通信模塊相結(jié)合，集數(shù)據(jù)采集、計算與傳輸于一體的綜合型嵌入式設(shè)備，通過監(jiān)控區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分工協(xié)作，實現(xiàn)實時感知周圍環(huán)境信息的多跳自組織網(wǎng)絡(luò) (圖1)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個傳感器節(jié)點都兼?zhèn)湫畔⒉杉c無線通信的功能，各測量節(jié)點在預(yù)定程序模式下進行實時數(shù)據(jù)的采集與傳輸，并將監(jiān)控信息經(jīng)路由器向協(xié)調(diào)器匯總，完成對指定區(qū)域內(nèi)目標(biāo)參數(shù)的采集工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高度的自組織性、自適應(yīng)性和健壯性，多跳路由結(jié)構(gòu)使得每個節(jié)點既是信息的發(fā)起者，也是信息的傳遞者，傳感器節(jié)點分布密集，保證了系統(tǒng)的容錯性和穩(wěn)定性［3－5］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其自身的優(yōu)越性，可用于較嚴(yán)苛的作業(yè)環(huán)境及復(fù)雜的生產(chǎn)工況之下，因而完全能夠適應(yīng)于選煤工業(yè)現(xiàn)場。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Wireless sensor network

2 設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)是由布置在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的大量低功率并具備信息感知、采集、儲存與處理及無線傳輸能力的系統(tǒng)節(jié)點通過自組織、自完善方式形成的監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)節(jié)點基于微型化的嵌入式模式，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支持平臺，通過協(xié)作采集、處理和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的傳輸實現(xiàn)對被感知對象的監(jiān)控。系統(tǒng)節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成。節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of node in the system

2.1.1 傳感器模塊設(shè)計

溫度和振動監(jiān)控是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，可通過對溫度和振動的數(shù)據(jù)信息來判斷設(shè)備的工作情況。數(shù)據(jù)采集模塊主要由溫度傳感器和振動加速度傳感器構(gòu)成，各傳感器對選煤廠內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備及其關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)信號進行信息采集，并根據(jù)其物理性質(zhì)將采集的物理信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，傳送至數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)采用了DS18B20溫度傳感器和ADXL335三軸加速度傳感器，由它們分別采集溫度信息和振動信息［6］。

2.1.2 處理器模塊選擇

系統(tǒng)以TI公司推出的兼容ZigBee2007協(xié)議的SOC芯片CC2530為硬件基礎(chǔ)。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，如:路由協(xié)議、任務(wù)管理、能耗管理、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，最主要的是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全、可靠的通信協(xié)議。CC2530芯片具有2個8位和2個16位的定時器/計數(shù)器，8個10位ADC通道和8個PWM通道，具有128 kB的Flash ROM、4 kB的SRAM及4 kB的EEPROM，還包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC、可編程看門狗定時器、具有休眠模式的定時器、片內(nèi)模擬比較器、上電監(jiān)測電路、掉電監(jiān)測電路及SPI、UART總線等接口。

2.1.3 無線通信模塊與天線電路的設(shè)計

無線通訊模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行無線組網(wǎng)和通信，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的收發(fā)和交換控制信息的任務(wù)。CC2530芯片包含 RF收發(fā)器，工作在2.4 GHz頻段，靈敏度高，最大輸出為24 dBm，最大傳送速率為250 kb/s［7］。為增加通信距離、提升射頻品質(zhì)和降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)采用全面輻射方向的倒F天線，結(jié)合帶寬、增益和駐波系數(shù)等工藝參數(shù)設(shè)計巴倫匹配電路，如圖3所示。依據(jù)大量重復(fù)性測量試驗結(jié)果表明，可有效提高信號質(zhì)量并降低數(shù)據(jù)的丟包率。

圖3 天線電路設(shè)計原理圖Fig.3 Design principle diagram of antenna circuit

2.1.4 電源模塊設(shè)計

電源模塊為系統(tǒng)節(jié)點提供運行所需的能量。對于協(xié)調(diào)器與路由器設(shè)備，可以采用5 V電源通過DC－DC變換得到3.3 V工作電壓進行工作;對于終端傳感器節(jié)點，由于供電不便且設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測需要長時間的工作，這就需要無線節(jié)點具有足夠長時間的能量供應(yīng)，一般情況電源可由3節(jié)1.5 V電池組成。為了進一步減小體積，本方案設(shè)計采用微型可充電鋰離子紐扣電池作為無線節(jié)點的能量供應(yīng)源。電源模塊電路如圖4所示。

圖4 電源模塊電路設(shè)計圖Fig.4 Design chart of power modular circuit

2.2 軟件設(shè)計

設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分建立在IEEE 802.15.4協(xié)議的PHY層和MAC子層的ZigBee協(xié)議棧之上，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的應(yīng)用。應(yīng)用層包含應(yīng)用支持子層和ZigBee設(shè)備對象。ZigBee體系結(jié)構(gòu)由定義為層的各模塊組成，每一層為其上層提供基準(zhǔn)服務(wù)，即由數(shù)據(jù)服務(wù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);管理實體提供所有的其他管理服務(wù)。每個服務(wù)實體通過相應(yīng)的服務(wù)接入點 (SAP)為其上層提供接口，每個服務(wù)接入點通過服務(wù)接口語言程序來完成相應(yīng)的功能［8］。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)設(shè)計采用C語言編輯，以TI公司的IAR Embedded Workbench集成環(huán)境為平臺，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和終端傳感器節(jié)點按各自系統(tǒng)功能不同修正系統(tǒng)函數(shù)。為增加節(jié)點間通信距離，提高射頻信號品質(zhì)，調(diào)整Z－Stack協(xié)議棧mac.radio.c中TXPOWER寄存器函數(shù)，增強RF模塊發(fā)射功率，依據(jù)系統(tǒng)通信性能測試結(jié)果，在110 m通信距離內(nèi)，信號品質(zhì)良好。上位系統(tǒng)采用VC++語言編輯［9］，可通過相應(yīng)的IP地址進行數(shù)據(jù)的訪問及相應(yīng)操作。人性化處理的交互界面為選煤廠設(shè)備日常維護提供了可靠方案。ZigBee上位管理系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of ZigBee protocol system

圖6 ZigBee上位管理系統(tǒng)界面Fig.6 Upper management interface of ZigBee

3 設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 工作模式設(shè)計

設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系，網(wǎng)絡(luò)體系由終端傳感器節(jié)點、路由器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成，采用簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。密集分布在監(jiān)測現(xiàn)場的測溫節(jié)點和加速度節(jié)點執(zhí)行溫度及振動數(shù)據(jù)的采集功能，通過基于IEEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee協(xié)議棧將數(shù)據(jù)向上一級設(shè)備進行傳輸。由于選煤廠工作環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備連續(xù)作業(yè)時間長等特點，終端傳感器節(jié)點常常位于人工不便經(jīng)常維護的位置，如何保證電池供電模式下長時間工作是決定設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)品質(zhì)高低的關(guān)鍵。依據(jù)現(xiàn)場情況，系統(tǒng)通過定義CC2530片內(nèi)睡眠定時器時間參數(shù)，控制節(jié)點進入睡眠模式，網(wǎng)絡(luò)中各功能節(jié)點在信標(biāo)模式下通過廣播與單播的通信模式，完成對終端節(jié)點的喚醒功能，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的節(jié)能化處理。程序流程圖如圖7所示。

圖7 通訊模式原理圖及調(diào)試程序流程圖Fig.7 Schematic diagram of communication mode and flow chart of debugging program

3.2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于對設(shè)備健康狀況的參數(shù)采集與監(jiān)測。由于CC2530單片機具有多路通用I/O功能，可將帶有數(shù)字量輸出功能的溫度和加速度傳感器與ZigBee模塊相接形成具有數(shù)據(jù)采集功能的終端節(jié)點。為保證通信距離和信號質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連，由路由器中的路由表實現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由，以減少消息延時，增強可靠性，并延長通信距離。通過協(xié)調(diào)器模塊的串口通訊，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器，從而構(gòu)建成B/S結(jié)構(gòu)的選煤廠設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)如圖8所示。

由協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器中，由監(jiān)控站預(yù)編程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進行分析，給出設(shè)備健康狀況報告，指導(dǎo)設(shè)備的維護方案，并建立設(shè)備運行健康狀況庫。

圖8 設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)流程圖Fig.8 Flow chart of equipment conditions monitoring system

4 設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)運行試驗測試

在山西洪豐選煤廠設(shè)立了設(shè)備健康狀況測試系統(tǒng)，系統(tǒng)由10個系統(tǒng)節(jié)點構(gòu)成簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)節(jié)點根據(jù)預(yù)先設(shè)置的邏輯類型不同，分別為8個傳感器終端節(jié)點 (4個溫度終端節(jié)點、4個振動終端節(jié)點)，1個無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和1個無線網(wǎng)絡(luò)路由器。振動加速度傳感器和溫度傳感器采用螺絲固定的方式安裝在振動篩、破碎機和離心機上。依次給協(xié)調(diào)器、路由器和無線終端節(jié)點上電后便成功組建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。各監(jiān)測點每5 s輪詢一次，每50 s數(shù)據(jù)采樣一次，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。本試驗主要是測量系統(tǒng)中的設(shè)備能否順利進行無線通信以及傳輸時的穩(wěn)定性 (即丟包率)情況。表1給出了每組試驗周期無線監(jiān)測系統(tǒng)成功收集的數(shù)據(jù)量情況。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可靠性高，并且數(shù)據(jù)延遲時間短，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示的要求，完全可滿足實際應(yīng)用要求。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量統(tǒng)計表Table 1 The statistical Table of data collection from monitoring system

5 結(jié)語

文章在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了設(shè)備健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，針對選煤廠的復(fù)雜環(huán)境，散亂的設(shè)備布局、電磁干擾等諸多影響無線通信的因素，系統(tǒng)在硬件設(shè)計、軟件規(guī)劃及節(jié)點節(jié)能策略等方面均有進一步優(yōu)化，實現(xiàn)了系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，并且成本低、功耗小，適用于選煤廠設(shè)備運行參數(shù)的監(jiān)測，可獲得設(shè)備的健康狀況，從而使存在故障隱患的設(shè)備可以及時得到維修和維護。

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