基于CAN和WSNs的機械制造車間智能除塵系統

彭玲玲，陳 珂

PENG Ling-ling1, CHEN Ke2

（1.長江大學，荊州 434023；2.四川大學，成都 610065）

0 引言

機械制造車間是進行鑄鍛生產、車銑刨磨加工和拋丸噴涂表面處理的重要場所，要實現其綠色制造有兩層要求[1]：1）考慮所需資源，使產品制造所取得的效益最優；2）控制廢物排放，以降低對人和環境的影響。但實際的制造過程中，優化效益成本獲取功能零件的同時，不可避免的會在車間產生大量的矽塵（SiO2、MgO等）和有毒刺激性氣體，危害員工的身體健康[2]。而為降低矽塵對員工危害，提高車間的通風除塵效果，傳統的方法是采用風量大、布置與操作簡單、效率高的氣箱脈沖袋式除塵器，但若想達到滿意的除塵效果，需要對車間進行多點監測，增加了工控現場的布線難度，另外該裝置的長期運行，也會使粉塵濃度的捕捉能力和測定精度下降，并且考慮風機的功率輸出不可控，消耗的電能也較大。

為解決這些問題，本文提出了一種基于M2M框架的車間智能除塵系統方案：利用光的Mie散射原理，選用GP2Y1010AU0F提高矽塵檢測精度，開發面向車間粉塵監測的無線傳感網絡（Wireless sensor networks，WSNs），從而解決了車間測控環境和線路敷設復雜等難題；通過ZigBee-CAN網關連接，配置風機控制終端，由粉塵濃度和負壓檢測反饋調節風機功率輸出，實現車間除塵器的智能控制。

1 制造車間的智能除塵方案

考慮制造車間內環境的復雜性以及對工作場所的除塵需求，系統采用M2M的應用框架（如圖1所示），主要包括除塵器控制終端和矽塵測控節點兩部分。

圖1 除塵方案

測控節點采集車間環境內的矽塵濃度，按GBZ 2.1-2007要求，設定矽塵限值（不大于1mg/m3），利用節點控制器處理實測值。若濃度超限，該節點的ZigBee控制模塊將位置和超限等級等信息無線發送到路由器，經其轉發給除塵控制終端網關ZigBee-CAN。控制終端利用CAN總線控制車間不同位置的除塵器，由塵降區域位置和超限等級，控制終端啟動并調節最近的除塵風機的功率輸出，確保通風帶口與除塵器內產生合適的負壓，使塵粒自車間進入除塵濾袋，并粘附在濾袋表面。多次使用后，濾袋表面累計定量的塵粒，利用除塵器設定的脈沖輸出，使濾袋氣閥得電，氣源短時間內充滿濾袋內囊引起振動，將粘附的塵粒收集到積灰斗中。

2 矽塵濃度無線檢測系統設計

2.1 光散射測量粉塵濃度

車間內粉塵粒徑一般不超過100μm，并且在該粒徑范圍內，塵粒的光散射能量主要集中在小角0～8°范圍內。根據光的Mie散射理論，散射光強在小角范圍的積分值與粉塵濃度之比為定值，而與粉塵粒徑無關[3]。因此，可利用光散射測量粉塵濃度，其原理如圖2所示。

圖2 光散射測量粉塵濃度原理

集中光束經準直透鏡變為平行光，一部分平行光經檢測通道中塵粒散射和透鏡折射，由接收管轉化為信號I2輸出，另一部分平行光透射，由接收管轉化為信號I1輸出。透射與散射光信號之差（I1- I2）作為小角范圍內散射光強，并由Mie散射計算，確定檢測通道的塵粒濃度。

2.2 測控及轉發系統設計

分散布置測控節點，由矽塵濃度調節除塵器的功率輸出，除塵器CAN控制網絡的矽塵濃度由傳感器檢測、節點控制器處理和ZigBee無線通信傳輸獲得，包括測控和轉發節點。

1）測控節點

測控節點運行時，根據對矽塵濃度的處理結果控制ZigBee模塊的收發通信。如圖3所示，該節點基于PIC16F877單片機設計，內置Flash和0.5k RAM以存儲程序數據，利用通用串行總線（USB）實現PC對節點的調試操作。矽塵濃度檢測采用Mie散射理論制成的GP2Y1010AU0F傳感器，測量結果經PIC單片機ADC模塊，存儲到外部串行Flash AT45DB021。ZigBee模塊選用JN5121芯片[4]，當PIC處理的監測數據超限，由JN5121與CAN網絡進行無線通信。

2）轉發節點

路由節點實現測控節點與ZigBee-CAN網關的無線連接和數據轉發，其結構與測控節點類似，但不具備矽塵檢測功能。供電均采用電源管理芯片TPS73250和TPS73233，為分系統PIC單片機（5V）和JN5121（3V）提供穩定電壓。

圖3 測控及轉發節點設計

3 智能除塵器終端CAN控制設計

1）ZigBee-CAN總線網關

當測控節點監測到塵降濃度超限，經路由節點轉發，ZigBee信號經CAN網關節點接收，其中，CAN控制模塊采用AT89S51+SJA1000+PCA82C250，通信控制器采用帶8051內核的AT89S51單片機，通過串行外圍接口SPI連接到ZigBee信號收發控制JN5121芯片、總線控制器SJA1000和總線收發器PCA82C250連接到CAN網絡，實現ZigBee-CAN的網絡通信，如圖4所示。

圖4 ZigBee-CAN總線網關節點設計

JN5121芯片配置掉電存儲芯片EEPROM，實時存儲分布測控及轉發數據，JN5121的外部輸出控制AT89S51的中斷，當JN5121接收到無線數據時，外部中斷啟動，AT89S51通過SPI接口將JN5121接收的無線信號發送到CAN網絡。

2）除塵器控制設計

控制器采用Cortex-M3微控制內核的STM32，配置SJA1000和82C250實現除塵器與ZigBee-CAN網絡的通信。通風帶口與除塵器內負壓檢測采用K022傳感器，由檢測負壓和ZigBee-CAN網絡傳輸的矽塵濃度，控制STM32的雙通道DAC輸出控制電壓，調節風機的功率輸出（如圖5所示）。

圖5 除塵器控制設計

表1 除塵系統多指標對比

考慮現場電磁環境的影響，負壓檢測利用數字濾波，剔除奇異點，確保采樣數據的可靠性。風機功率調節由終端控制變頻電壓輸出實現，由矽塵濃度和負壓檢測數值分析，轉化為適合當前除塵要求的變頻電源。

4 控制軟件設計

軟件采用模塊化設計，包括主程序和中斷，WSNs組網、數據采集和無線收發，ZigBee-CAN網關通信，CAN網絡控制等部分，如圖6所示。

圖6 控制軟件設計

系統初始化，ZigBee-CAN網關應用層APL向網絡層NWK發送組建ZigBee WSNs，介質層MAC和物理層PHY對信號能量、通信質量等自檢，車間范圍內測控和轉發節點申請加入ZigBee網絡，然后按系統功能設定，監測所在區域的矽塵濃度。當濃度≮1mg/m3時，PIC控制JN5121發出ZigBee信號，同時在JN5121的輸出設置中斷，啟動路由節點轉發無線信號到ZigBee-CAN網關。ZigBee-CAN網關的JN5121接收作為SPI通信的中斷，AT89S51根據采集到矽塵濃度和塵降區域，向CAN總線發出指令。終端控制器啟動，根據負壓差和矽塵濃度輸出變頻電源，控制風機功率。

5 結論

1）提出一種適用于機械制造車間的智能除塵系統，在原獨立氣箱脈沖袋式除塵的基礎上，組建ZigBee（WSNs）-CAN的監測控制網絡。通過光學Mie散射和無線測控節點的布置，提高車間內塵降的檢測精度，并利用CAN總線通信、負壓檢測和中斷控制，實現對風機功率的調節。

2）系統滿足制造車間的除塵要求（GBZ 2.1-2007）。與原設備相比（落砂#1和拋丸處理#2兩個工部車間的2臺除塵器），如表1所示，除塵效率明顯提高，#1單位時間除塵效率提高約27.6%，#2設備效率提高約14.5%，耗電平均節省約16.7%。

[1] 吳小珍,張華.制造企業綠色生產過程實施體系[J].計算機集成制造系統,2010,16(1)：70-75.

[2] 任凡,劉飛,李聰波,張文元.機械加工粉塵問題的研究現狀及體系結構框架[J].中國機械工程,2011,22(8)：994-1001.

[3] 潘琦,趙延軍,湯光華,許傳龍,王式民.一種新型激光粉塵濃度在線測量儀的研究[J].儀器儀表學報,2007,28(6)：1070-1074.

[4] ZhangQ,YangXL,ZhouYM,WangLR,GuoXS.A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology[J].Journal of Zhejiang University SCIENCE A,2007,8(10)：1584-1587.