基于ZigBee的汽輪機汽缸負荷分配監測系統設計

郭 杰，雷 剛，施 蕓，王 濤

（四川工程職業技術學院，德陽 618000）

0 引言

大型汽輪機組在安裝過程中有一個很重要的環節叫做汽缸負荷分配，即將汽缸的重力通過貓爪合理分配到各支撐面上，以保證汽機正常工作。傳統的負荷分配方法有貓爪垂弧法和彈簧測力計測量法，兩種方法均具有不夠準確、不便于集中觀測和不便于存貯記錄等明顯缺點。筆者曾撰文介紹過一種有線信號傳輸方式的汽缸負荷分配監測系統，明顯優越于垂弧法和彈簧測力計法，但由于傳感器與主機之間的連接線纜很長而且各貓爪監測點與主機之間的距離長短不一，在現場使用中還是存在兩個方面的不足：1）線纜很容易被安裝工人損壞；2）各種干擾信號會通過線纜疊加到傳感器信號中，很難剔除干凈，影響了測量精度。

2009年，受某企業委托，設計一種高精度的汽缸負荷分配監測系統用作汽輪機組的產品中試，主要參數如下：

1）量程：0-60000千克（每個貓爪負荷監測點）。

2）系統測量精度：系統精度≤0.3%FS，系統重復精度≤0.6‰。

3）系統響應速度：系統測量及屏幕刷新時間≤1秒。

4）抗干擾能力強，可以在復雜的電磁環境下正常工作。

顯然，如果采用有線方式的負荷監測系統，必須把整個傳感器信號調理電路、A/D轉換以及通信部分前移到傳感器端，讓各監測點與主機之間的線纜上傳輸壓力值的數字信號以盡量減少電磁干擾對測量精度的影響。如果要消除安裝工人無意識地損壞線纜，最好的解決方案是各監測點與主機之間采用無線數據傳輸的方式。要在現場復雜電磁環境下保證200米視距范圍內數據的可靠傳輸，比較穩妥的解決方案是采用ZigBee無線通信技術。

1 ZigBee技術

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術。具備以下特點：

1）通信可靠。ZigBee采用CSMA-CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突，同時采用跳頻通信技術，抗干擾能力強。

2）ZigBee網絡自愈功能。增加或者刪除一個節點，節點位置發生變動，節點發生故障等，網絡都能夠自我修復。

3）成本低廉。設備的復雜程度低，且ZigBee協議是免費的，使用開放的2.4GHz頻段。

4）數據安全。ZigBee提供數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法，可以滿足系統的安全需要。

ZigBee網絡支持星狀、樹狀和網狀三種網絡拓撲結構，如圖1所示（圖中黑色節點代表網絡協調器，白色節點代表路由器和終端）。在本監測系統使用星型網絡結構。

2 系統總體結構

負荷分配監測系統總體結構如圖2所示。系統采用ZigBee星型網絡結構，每個負荷監測點成為一個獨立單元，主機與各監測點間通過ZigBee網絡進行數據交換。

圖1 ZigBee網絡的三種拓撲結構

PC主機通過串口和USB端口和ZigBee協調器連接，實現負荷監測系統的管理、數據處理以及ZigBee無線網絡的建立和管理。各監測點獨立完成各自負荷壓力數據的采集，其中由CC2530構成的ZigBee路由器完成網絡的接入，監測點單片機通過串口與ZigBee路由器連接，完成測試數據的上傳和主機命令的接收。主機與各監測點之間使用巡檢方式進行聯絡。

圖2 系統總體結構圖

3 負荷監測點設計

3.1 壓力傳感器與前置處理

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

3.2 A/D轉換部分

由于委托方要求測量的系統精度≤0.3%FS，系統重復精度≤0.6‰，選擇24bit積分型AD轉換器AD1224和低溫漂電壓基準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從AD1224的9腳輸入。AD轉換器AD1224通過 2、3、4引腳和單片機連接，其中SCLK和DI是A/D轉換器和單片機連接的串行數據接口；CLK是AD1224的工作時鐘。

3.3 CPU與ZigBee路由器

系統中，為減少每個負荷監測點的功耗，使用PHILIPS低功耗P89LPC903單片機作為控制核心。該單片機采用SOP8封裝，具有內部復位和時鐘，無需外接。LPC903具備一個全雙工的串口，可以和ZigBee路由器模塊進行通信；另外的I/O端口用于控制AD1224。LPC9××系列單片機是1時鐘的單片機，在同等振蕩頻率條件下，具有更高的數據處理能力。

圖4 LPC903單片機和ZigBee接口

ZigBee路由器模塊使用CC2530進行電路設計，如圖5所示。CC2530 是TI 公司推出的ZigBee/ IEEE 802.15.4 標準的系統級芯片，采用0.18μm CMOS工藝，工作電流損耗為27mA。具備休眠模式與主動模式超短時間轉換響應特性，降低系統功耗，提高電池的使用時間。作為片上系統 (SOC)，CC2530 集成了一個高性能的 RF 收發器和一個優化的低功耗的 8051 微控制器內核，8KB的RAM，32/ 64/ 128/ 256 KB 可選閃存，以及其他強大的支持功能和外設，允許芯片無線下載，支持系統編程。同時，其自帶2.4 GHz 高性能RF 收發器，需要用戶外接的主要包括32MHZ主時鐘、32K副時鐘、射頻天線輸出和用戶自定義的串行通信接口。同時，該芯片還具有很好的集成開發環境、完善的開發工具包和參考方案設計?；谠撔酒_發的產品廣泛應用于汽車、工控系統和無線感應網絡等領域。

3.4 電源模塊和電池充放電管理

各負荷檢測點既可以使用外部220V交流電源供電，也可以鋰電池供電。為保證測量系統的精度，減小系統電源紋波，整個電源電路不采用開關電源結構，而選用線性穩壓電源結構。使用鋰電池使用過程中，必需嚴格的對電池進行充放電管理，否則將極大的降低電池的使用壽命。為簡化電路的設計，使用專用芯片MCP73862進行充電管理。在使用電池工作期間，監測點需要實時向主機發送電池電量和溫度信息，確保系統安全穩定。

圖5 CC2530電路圖

4 PC上位機軟件設計

PC上位機軟件主要由文件管理、命令參數設置、監測、濾波與顯示和幫助等模塊組成。用C++ Builder編寫，采用模塊是程序結構，程序結構如圖6所示。

1）文件管理模塊。完成監測系統的進入與退出，監測數據的保存、打印與編輯。數據保存時以EXCEL表格數據格式導出。

2）設置模塊。完成系統的網絡地址、測量時間和測試壓力范圍的設定。

3）監測模塊。包含網絡的初始組建控制、監測通道初值控制和監測過程的開始控制，其中測試初值可以選擇調用上次的結果或者各監測點重新測試。

4）濾波與顯示模塊。包含當前使用監測點的選擇、軟件濾波的參數設定、測試結果計算和結果顯示方式的選擇。其中軟件濾波使用萊特準則加中值一平均值濾波。

在數字濾波時，首先用戶需要設定進行處理的數據個數N（即求平均值的數據個數）,然會設定數據的置信區間系數K（通常情況下K取3）。用戶設定完N和K后，程序首先利用萊特準則舍棄掉可疑數據，然后利用中值一平均值濾波模式計算最終的測量結果。

5）傳感器校正模塊。實現傳感器的校正數據讀取，校正曲線擬合計算，得出各個傳感器的特性曲線，對測量結果進行相應補償，提高監測系統的精度。

圖6 上位機程序結構圖

表1 在給定壓力負荷狀態下系統監測點1的測試結果

5 結束語

本文所介紹的汽缸負荷分配監測系統于2010年研制成功，達到了各項設計指標，已交付委托方試用了一年多，現場反饋的情況表明其工作非常穩定，測量精度和準確度較有線方式有明顯提高，完全達到高精度測量的要求，受到用戶方的肯定。

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