基于ZigBee的電廠鍋爐在線監測系統

（東北電力大學 信息工程學院，吉林 132012）

《2013-2017年中國電站鍋爐行業投資分析及深度研究咨詢報告》指出，隨著我國火電行業的快速發展，將對火力電站三大主機設備之一的電廠鍋爐提出越來越高的要求。由于大鍋爐相關設備不易更換，近年來出現大大小小的問題而導致鍋爐事故頻繁發生[1-5]，給生產生活和環境帶來巨大的損失和破壞。因而設計一種能對設備狀態信息和環境參數實時監測的系統，及時將事故扼殺在搖籃中非常有必要。傳統的方案是直接采用布線方式或是工作人員定期去現場檢查，由于鍋爐的溫度很高、氣體易泄露，使得鍋爐周圍的線路很容易老化受損，這不僅給檢查故障帶來困難，同時對其它設備或環境也隱含著很大的危害[6-7]。由于ZigBee無線傳感器網絡在大功率電磁干擾下具有穩定傳輸的可靠性，使其在電廠監測中具備突出的優勢[8]。因此，本文針對SO2氣體泄漏，提出了一種基于ZigBee的電廠鍋爐在線監測系統設計，旨在解決電廠鍋爐特定環境下通過無線傳感網絡來實現數據的無線傳輸，保障電廠鍋爐穩定高效運行。

1 ZigBee技術概述

ZigBee是一種雙向無線通信技術，主要面向低速率無線個人區域網LRWPAN（low rate wireless personal area network），具有低功耗、低成本、時延短等優點，其協議是由ZigBee聯盟基于IEEE802.15.4協議標準下制定的[9]。ZigBee采用碰撞避免機制和密鑰長度為 AES128位的加密算法來保證 ZigBee設備之間通信傳輸數據高可靠的安全保密性，廣泛適合于物聯網監測行業中[10-11]，在網絡層NWK（network layer）方面，ZigBee聯盟制定了星型、族型和網狀型3種網絡拓撲結構[12]，如圖1所示。其中，ZigBee網狀（MESH）網絡 WMN（wireless mesh network）應用最廣，其采用多級跳的方式來通信，能夠具備自組網、自愈功能。依據設備在網絡中的用途，ZigBee定義了3種邏輯設備類型：網絡協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端。

圖1 ZigBee網絡拓撲結構Fig.1 ZigBee network topology

2 系統總體設計

圖2 系統總體框圖Fig.2 System overall block diagram

電廠鍋爐在線監測系統主要是由鍋爐環境檢測設備、ZigBee接收和發送設備、終端監測設備3部分組成，如圖2所示。鍋爐環境檢測設備通過傳感器采集數據并處理，并將處理后的數據由ZigBee終端模塊發送出去，再經多次ZigBee無線路由模塊轉發，最終由終端監測設備接收。本系統可以實現3個功能，即鍋爐環境狀態數據的實時檢測，鍋爐各種環境數據無線實時傳輸和終端數據分析功能。

鍋爐環境狀態數據的實時檢測功能：主要負責采集鍋爐軸承的振動、高溫溫度、風機電動機的風壓力、泄露氣體濃度等容易引起鍋爐發生故障的相關鍋爐環境參數。當溫度、振動、氣體濃度等監測參數一超過正常工作規定范圍，實時監測的終端會發來警報，很好地預防事故發生。

鍋爐數據的無線實時傳輸功能：采集并進行處理之后的數據經ZigBee模塊接收及向終端設備發送。由于ZigBee網絡具有自組網、自愈功能，當采集點與終端監測設備之間數據傳輸的距離較長，可通過增加ZigBee模塊，實現數據的穩定高效傳輸。

終端數據分析功能：數據被終端接收后，處理還原成鍋爐的狀態數據，監測中心通過分析軟件把各項鍋爐工作的環境數據以曲線的方式顯示出來，并與正常的工作鍋爐參數參考進行比較，評定鍋爐是否正常工作運行。

3 硬件設計

本系統取代傳統的鍋爐監測方式[13]，即檢測到的環境數據直接通過有線異步串口（RS-232）傳輸到終端。在原來的基礎上將有線轉為無線傳輸，硬件主要設計部分為CC2530射頻模塊電路、電源轉換模塊電路、天線模塊電路等3部分構成。

3.1 CC2530射頻模塊

Chipcon公司的CC2530是用于頻率為2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統SoC（system on chip）解決方案。其結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8 KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530系列有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256 KB的閃存。在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。提供了101 dB的鏈路質量，外設信息非常強大，支持精確的數字化RSSI/LQI，具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，AES安全協處理器，2個支持多種串行通信協議的強大USART，32 kHz睡眠定時器，IR發生電路，強大的5通道DMA等。

3.2 電源模塊

本系統由于是在鍋爐環境下進行，為保證對鍋爐的實時監測，采用3種電源供電方式：DC 5 V供電、USB接口供電、電池供電。電源模塊電路如圖3所示，可通過多路開關P4進行供電的選擇，CC2530工作方式為3.3 V，因此需要穩壓芯片轉成特定的工作電壓。

圖3 電源模塊電路Fig.3 Power supply module circuit

3.3 天線模塊

天線是無線傳輸必不可少的設備，是數據發送和接收設備的重要組成部分，天線的性能關乎數據傳輸的質量。天線輸出端阻抗的正確選擇也是數據得到最大傳輸的保障，依據傳輸線理論計算得出本系統設計的天線的阻抗匹配約為51 Ω，此阻抗下可得到較好的匹配狀態，數據能夠穩定高效的傳輸。圖4所示為天線傳輸模塊電路。

圖4 天線傳輸模塊電路Fig.4 Circuit of antenna transmission module

4 軟件設計

系統的總體設計流程如圖5所示。本系統鍋爐環境檢測設備以采集SO2為例，首先，SO2傳感器進行鍋爐數據的采集，經過A/D轉化，然后通過Zig-Bee無線傳輸模塊發送鍋爐環境數據。接著經由路由接收并發送數據，最后終端接收最近的路由發送來的數據，分析并在線監測顯示。

圖5 總體流程Fig.5 Overall process flow chart

本系統的鍋爐數據實時傳輸功能，是通過Zig-Bee軟件設計來實現的。接通電源后，檢測設備和ZigBee初始化。首先ZigBee模塊要檢查與鍋爐環境檢測設備和路由器之間的通信是否正常。若正常則ZigBee模塊開始通過函數void zb_SendDataRequest（）發送數據。然后，需要檢查ZigBee模塊發出的數據是否正確，若不正確則返回重新發送。數據發送正確后，則自動傳至終端設備，終端通過函數void SAPI_Receive DataIndication（）接收數據，由終端設備完成監測及分析功能。

5 測試結果

系統測試環境為吉林市某燃煤電廠鍋爐，在管道周圍安置5個節點，監測其周圍SO2氣體濃度，表1所示為監測系統在2014年10月19日獲取的相關數據，圖6所示為測試數據的相應曲線。

表1 監測鍋爐SO2氣體濃度數據Tab.1 SO2gas concentration data of monitoring boiler（μg/m3）

圖6 SO2氣體濃度曲線Fig.6 Gas of SO2concentration curve

根據環境空氣質量標準，二類區空氣污染物SO2氣體濃度年平均限值為60 μg/m3（日平均限值為150 μg/m3）[14]，根據該電廠實際的運行規律，設定警報閾值為90 μg/m3，一旦數據超出該標準限值，監測中心則發出警報，檢測鍋爐發生故障的原因。通過分析實驗數據，節點1、2、3、4、5周圍SO2氣體含量均在允許范圍內，且相互數據間波動較小，沒有出現異常泄露現象，說明鍋爐運行正常。

6 結語

實驗結果表明，本系統可以及時監測到關于鍋爐環境中SO2氣體濃度泄露情況，方便及時作出處理，排查鍋爐故障，使鍋爐高效率穩定安全運行。在傳輸試驗中，ZigBee克服了變電站布線難、高溫易老化、成本高的缺點，展現了良好的數據穩定傳輸能力，對所測得的鍋爐數據可以準確無誤的傳輸，可以滿足變電站自動化通信系統的要求。較傳統監測方式，本系統具有很高的實用價值。

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