基于zigbee技術(shù)的葉輪給煤機(jī)控制系統(tǒng)

中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工（寧夏）有限公司熱電廠　楊永沖

基于zigbee技術(shù)的葉輪給煤機(jī)控制系統(tǒng)

中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工（寧夏）有限公司熱電廠楊永沖

在火電廠輸煤系統(tǒng)中，葉輪給煤機(jī)是一種重要的輸煤設(shè)備，但因其往往安裝于地下鐵軌上，工作環(huán)境極其惡劣：其中粉塵、噪音、濕熱嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全。傳統(tǒng)葉輪給煤機(jī)控制方法是鋪設(shè)控制電纜，在軌道上方架設(shè)拖纜，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本文針對(duì)某電廠輸煤系統(tǒng)葉輪給煤機(jī)設(shè)計(jì)了一種基于zigbee技術(shù)的葉輪給煤機(jī)控制器，具備防護(hù)等級(jí)高、安裝方便、組網(wǎng)便捷的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可節(jié)省大量電纜。

zigbee；葉輪給煤機(jī)

1　引言

某電廠輸煤系統(tǒng)葉輪給煤機(jī)投入運(yùn)行已近8年，部分設(shè)備故障率升高，在檢修過程中，多次發(fā)現(xiàn)控制電纜被落煤塊砸斷，或者由于拖纜接觸不良而導(dǎo)致的通訊失敗。更換電纜或者拖纜又面臨開支大，施工繁瑣等問題。維修人員在日常檢修中，同樣也面臨著工作量大、維修不便等問題。

此次葉輪給煤機(jī)控制器是將給煤機(jī)控制回路以及給煤機(jī)行走位置實(shí)時(shí)采集，通過zigbee終端傳輸至輸煤控制室，并增加至現(xiàn)有輸煤上位機(jī)監(jiān)控軟件中實(shí)時(shí)顯示。相較于傳統(tǒng)無線技術(shù)ZigBee技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1）低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

2）成本低：低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

3）時(shí)延短： 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。

4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包含兩部分：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)負(fù)責(zé)就地葉輪給煤機(jī)控制和zigbee無線傳輸；控制級(jí)負(fù)責(zé)對(duì)所有給煤機(jī)狀態(tài)信息的匯總與處理并與原輸煤系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)葉輪給煤機(jī)工作特性，主要集中于葉輪給煤機(jī)變頻器的控制和葉輪給煤機(jī)的行走控制。本文設(shè)計(jì)的控制器包含模擬量采集接口、模擬量輸出接口（4-20mA電流）、數(shù)字量輸入與輸出接口、zigbee無線通訊接口、給煤機(jī)實(shí)時(shí)位置采集接口等。

每一個(gè)葉輪給煤機(jī)控制器，分別在就地安裝具有實(shí)時(shí)顯示功能的控制器，方便現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀況；每一臺(tái)葉輪給煤機(jī)控制器相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，無需整體隔離進(jìn)行維護(hù)；采用zigbee的傳輸方式，也省去了大量的通訊電纜和拖纜，大大降低了成本。

通過位于輸煤控制室的中央處理器（具備zigbee接口）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集匯總，將葉輪給煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置在上位機(jī)畫面上顯示，并將葉輪給煤機(jī)運(yùn)行電流和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯現(xiàn)。操作人員亦可在上位機(jī)畫面中，設(shè)定葉輪給煤機(jī)行走區(qū)間，真正實(shí)現(xiàn)葉輪給煤機(jī)的無人值守控制。同時(shí)該控制系統(tǒng)可將現(xiàn)場(chǎng)的皮帶秤通訊接口整合至zigbee傳輸網(wǎng)絡(luò)，將葉輪給煤機(jī)的上煤量進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，提供上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的查看功能，方便操作人員、維護(hù)人員進(jìn)行一系列操作與維護(hù)。

3　葉輪給煤機(jī)控制器

該控制器采用TMS2812DSP為中央處理器，包含葉輪給煤機(jī)實(shí)時(shí)位置采集模塊、變頻器控制模塊、LCD液晶顯示、zigbee通信模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊等。通過模擬量采集電路將葉輪給煤機(jī)運(yùn)行電流與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸至AD采樣單元，DSP將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過LCD顯示屏就地顯示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)通過zigbee傳輸至網(wǎng)絡(luò)中繼器，并最終傳輸至上位機(jī)。而EEPROM存儲(chǔ)模塊可將控制器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄并存儲(chǔ)，便于工作人員查詢、維修。

3.1DSP最小系統(tǒng)

TMS320F2812是TI公司應(yīng)用較廣的一款產(chǎn)品，具有豐富的外設(shè)接口。數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)量及AD采樣精度都較TMS320F2407有很大提高。由于F2812具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，且其最小系統(tǒng)的搭建較為快捷和精準(zhǔn)，從而可以簡(jiǎn)化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

TMS320F2812最小系統(tǒng)包括電源電路、仿真接口電路、通訊接口電路等。其中電源電路采用TPS70351電源芯片，該芯片可以輸出1.8V電壓供DSP內(nèi)核使用，亦可產(chǎn)生3.3V電壓供DSP外設(shè)及IO引腳使用。同時(shí)，該芯片具有較完善的散熱設(shè)計(jì)，保證設(shè)備整體的可靠性。

3.2葉輪給煤機(jī)實(shí)時(shí)位置采集模塊

葉輪給煤機(jī)實(shí)時(shí)位置采集模塊包旋轉(zhuǎn)編碼器、調(diào)理電路、脈沖計(jì)數(shù)電路。其中旋轉(zhuǎn)編碼器采用1024線絕對(duì)編碼器，該型傳感器測(cè)溫范圍廣、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。調(diào)理電路可將脈沖信號(hào)去毛刺，便于脈沖計(jì)數(shù)電路采集。脈沖計(jì)數(shù)電路則選用TMS320F2812的CAP捕獲單元，該捕獲單元具備較強(qiáng)的抗干擾、抗浪涌能力，同時(shí)可達(dá)到較高采樣精度。

3.3變頻器控制模塊

變頻器控制模塊包含模擬量輸出電路、模擬量采集電路、調(diào)理電路等組成。在檢測(cè)過程中，模擬量采集電路須將變頻器輸出的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并送至DSP的AD采樣電路。模擬量輸出電路則是實(shí)現(xiàn)變頻器的變頻控制。

3.4LCD液晶顯示模塊

為便于現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員觀察與記錄，本控制器具備LCD液晶顯示模塊。液晶顯示模塊可將葉輪給煤機(jī)運(yùn)行電流、頻率、上煤量、實(shí)時(shí)位置等數(shù)據(jù)顯示，操作人員亦可通過矩陣鍵盤，進(jìn)行運(yùn)行區(qū)間的設(shè)定。

3.5無線通信模塊

本文采用ZIGBEE芯片和DSP芯片相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了基于ZIGBEE技術(shù)的無線通信模塊。該模塊集成了符合ZIGBEE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組成星型和MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

ZIGBEE芯片采用CC2530，通過搭建外圍電路，使其與DSP芯片的最小系統(tǒng)相連接。DSP將采集到的電流、頻率、實(shí)時(shí)位置等數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議打包，經(jīng)過無線鏈路，傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)亦可將控制指令通過無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至就地的葉輪給煤機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行區(qū)間的遠(yuǎn)程設(shè)定和地址設(shè)定。

因電廠輸煤現(xiàn)場(chǎng)較廣，建筑物遮擋較為嚴(yán)重，有些無線節(jié)點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)可靠通信。本文通過DSP控制核心，將中繼路由功能集成在DSP最小系統(tǒng)中，很好解決了無線信號(hào)遮擋的問題。

3.6EEPROM存儲(chǔ)模塊

在葉輪給煤機(jī)運(yùn)行過程中，其電流和頻率的變化需要記錄并形成記錄。本文采用AT24C512非易失性存儲(chǔ)芯片，可將葉輪給煤機(jī)控制器的電流、頻率等過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可在上位機(jī)或LCD顯示模塊中，顯示歷史數(shù)據(jù)域和歷史曲線，便于后期對(duì)被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估，亦可作為故障分析時(shí)的歷史參考數(shù)據(jù)。

3.7報(bào)警模塊

當(dāng)測(cè)得的電流數(shù)據(jù)、頻率數(shù)據(jù)、實(shí)際運(yùn)行區(qū)間超出所設(shè)定的報(bào)警閥值時(shí)，需要在就地和遠(yuǎn)方設(shè)備上進(jìn)行報(bào)警輸出。本文采用聲光報(bào)警方式，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能。報(bào)警模塊包含兩路繼電器、蜂鳴器和交流指示燈。DSP與繼電器之間采用ADUM1400磁偶隔離技術(shù)，可有效防止繼電器誤動(dòng)作。兩路繼電器分別連接蜂鳴器和交流指示燈，當(dāng)滿足報(bào)警條件時(shí)，DSP驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，隨后繼電器開啟蜂鳴器和交流指示燈，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的輸出。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的以Tzigbee技術(shù)為基礎(chǔ)的葉輪給煤機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)了葉輪給煤機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)的高精度采集和zigbee數(shù)據(jù)傳輸。該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、便于組網(wǎng)，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了大量人力物力。本控制器也可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化等其他領(lǐng)域。