基于ZigBee的高爐齒輪箱溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

馬 昆，姚竹亭

（中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

0 引 言

對高爐齒輪箱而言，一旦溫度過高，會產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果，如軸承與齒輪破損、潤滑油老化，嚴重的可能導致高爐休風停產(chǎn)[1]；因此，對其進行溫度監(jiān)測十分必要。然而傳統(tǒng)的監(jiān)測方法一般通過有線方式（RS485、CAN總線等）[2]進行數(shù)據(jù)傳送，這種方法成本高且可靠性差，并且在一些惡劣環(huán)境下，有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩、設(shè)備不能隨意移動。因此，某一鋼鐵廠提出利用無線通信采集數(shù)據(jù)的改革方案，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要進行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（包括MAC層、路由、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等）[3]，通過比較多種無線通信技術(shù)最終選擇了ZigBee無線技術(shù)。該方法節(jié)點分布廣，能解決鋪設(shè)線路困難的問題，并且無需人員到現(xiàn)場進行排查。由此可見，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于溫度監(jiān)控中具有較好的現(xiàn)實意義和實用價值。

1 下箱體溫度場分布

為更精確地確定傳感器放置的位置與報警溫度，將在三維軟件中已經(jīng)建好的下箱體實體模型導入到Ansys中對其進行溫度場分析，如圖1所示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，由于在下箱體底部有潤滑油，所以溫度較低，箱體壁有冷卻水經(jīng)過故溫度也較低。但對于上部而言，由于有上箱體的遮蓋，散熱性較差，所以溫度較高。綜合上述分析與生產(chǎn)實際，最終將報警溫度確定為50℃，將傳感器放置在高爐齒輪箱的傾動裝置處。

圖1 下箱體溫度場分析

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，整個監(jiān)測系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器、若干路由器和若干溫度傳感器節(jié)點組成。最下部為傳感器終端節(jié)點，向上依次是路由器、協(xié)調(diào)器和上位機。其中，終端節(jié)點負責采集數(shù)據(jù)；路由器主要負責識別終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址并選擇合適的網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸給協(xié)調(diào)器，是建網(wǎng)的主要環(huán)節(jié)；協(xié)調(diào)器負責發(fā)起網(wǎng)絡(luò)并對其進行管理和維護，對新加入的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址并管理節(jié)點的加入和離開等，并且將采集的數(shù)據(jù)上傳給上位機或者是上位機對網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令，協(xié)調(diào)器是建網(wǎng)的核心[4]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 傳感器模塊

本系統(tǒng)的傳感器是采用1-Wire接口的DS18B20，它與CC2530進行通信時僅需要一個I/O口。傳感器溫度測量范圍-55~125℃，并以0.5℃遞增。以9位數(shù)字量的形式反應(yīng)器件的溫度。系統(tǒng)選擇獨立供電的方式，信號線通過一個5 kΩ的電阻上拉至VCC即3.3 V。CC2530 是基于 IEEE802.15.4 協(xié)議而開發(fā)出來的ZigBee芯片。工作在2.4GHz ISM頻段支持16個250Kb/s信道[5]。

2.1.2 協(xié)調(diào)器路由器硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器和路由器在硬件結(jié)構(gòu)上大體一致，均設(shè)計了RS-232接口。協(xié)調(diào)器通過它與上位機進行通信，而路由器在協(xié)調(diào)器破壞時可以直接通過它與上位機進行數(shù)據(jù)傳送。在本系統(tǒng)中采用光電隔離式RS-232接口[6]，不僅可以保護器件免受總線上的高壓危害，同時能有效減小系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤，增強抗干擾能力，使通信穩(wěn)定、安全、可靠。改善了普通232接口在傳統(tǒng)采集過程中易受干擾的缺點。

2.2 改進路由算法

由于終端節(jié)點與上位機之間的距離不一，所以采用多級跳轉(zhuǎn)的方式進行數(shù)據(jù)采集。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖不難發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)傳遞過程中若依照傳統(tǒng)樹狀路由原則，必然導致路由節(jié)點1的能量消耗明顯大于路由節(jié)點2，導致關(guān)鍵節(jié)點（路由1）的早死。為避免這種情況，并且延長系統(tǒng)的工作時間以滿足高效生產(chǎn)的要求，故采用改進的路由算法。這種路由相較于一般路由主要的區(qū)別在于軟件配置方面，即該路由配置有一個鄰居表。在該鄰居表中包含節(jié)點的當前能量值并計算出每個FFD節(jié)點的能量閾值。在數(shù)據(jù)傳輸過程中各個FFD節(jié)點根據(jù)自己的剩余能量狀況判斷是否參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。針對本系統(tǒng)而言，當關(guān)鍵節(jié)點（路由1）能量大于該閾值時，依傳統(tǒng)樹狀路由原則進行路徑的選擇，當關(guān)鍵節(jié)點每進行一次數(shù)據(jù)傳遞，程序內(nèi)的能量值就減少相應(yīng)的數(shù)量，當關(guān)鍵節(jié)點能量接近閾值時，為了使系統(tǒng)延長工作壽命，選擇其他節(jié)點（路由2）進行數(shù)據(jù)傳輸[7]。通過假設(shè)單個傳輸路由能耗，對具有不同節(jié)點數(shù)量的系統(tǒng)進行仿真，得到平均能耗如圖3所示。

圖3 路由平均能耗

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 ZigBee組網(wǎng)

首先對放置于主控室內(nèi)直接與電腦相連的節(jié)點進行配置，將其設(shè)為協(xié)調(diào)器，上電后對硬件設(shè)備初始化，協(xié)議棧初始化[8]。當協(xié)調(diào)器發(fā)出原語（NLME_NET WORK_FORMATION_request）后就意味著一個全新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)開始建立，在此之后要對可用信道進行相應(yīng)的掃描。而路由節(jié)點與終端采集溫度節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)須完成兩個步驟：

1）NLME_NETWORK_DISCOVERY_request請求原語發(fā)現(xiàn)剛剛初始化成功的協(xié)調(diào)器；2）加入上一步發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，這步通過NLME_JOIN_request（參數(shù)配置為FALSE）請求原語來完成。當各個節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后需將自身網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器進而傳送到上位機，便于上位機依據(jù)接收到的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)出溫度數(shù)據(jù)采集指令，命令對應(yīng)的傳感器節(jié)點進行溫度采集，而后將采集到的溫度值打包發(fā)送回來。這樣便實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的連貫作業(yè)[9]。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集與分析

LabVIEW作為上位機實現(xiàn)溫度監(jiān)測。因系統(tǒng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)所以要求監(jiān)控界面簡潔明了，操作簡單便于工人維護。ZigBee與上位機的通信由LabVIEW的VISA庫函數(shù)來實現(xiàn)。利用VISA與ZigBee通信主要有以下步驟：首先進行串口初始化，將二者的串口參數(shù)設(shè)置一致；向ZigBee發(fā)送節(jié)點查詢指令，延時一段時間，待ZigBee回復(fù)后讀取節(jié)點地址；進行節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)的識別。每個掃描周期重復(fù)上一步讀取各個節(jié)點的地址并進行數(shù)據(jù)識別；從串口讀取指定節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)至Excel表格[10]。在采集時為各個節(jié)點設(shè)置不同的發(fā)送數(shù)據(jù)時間間隔，避免發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。整個監(jiān)測系統(tǒng)能夠時監(jiān)測各個終端節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)走勢，將數(shù)據(jù)記錄于表格并進行高溫報警指示。LabVIEW監(jiān)測前面板如圖4所示。

3 PID控制

當溫度達到所設(shè)定的報警溫度時，LabVIEW與PLC通過串口進行通信，將采集到的溫度送入PLC進行再次判斷。若確認溫度過高則立即啟動PID對冷卻水閥門的開度進行調(diào)節(jié)，增大冷卻水的流量，降低齒輪箱內(nèi)溫度。

通過系統(tǒng)辨識得到該高爐齒輪箱的傳遞函數(shù)為

隨后對模型進行基于響應(yīng)曲線的參數(shù)預(yù)整定可得PID調(diào)節(jié)所需的基本參數(shù)，其中kp=16.34，Ti=40，ki=0.41，Td=10，kd=163.4。依據(jù)所得的數(shù)據(jù)對PID進行程序編寫達到控制目的。在生產(chǎn)現(xiàn)場可依據(jù)調(diào)節(jié)曲線和工作經(jīng)驗對PID參數(shù)作進一步修正，使調(diào)節(jié)更加理想化。

4 結(jié)束語

圖4 系統(tǒng)前面板

該監(jiān)測系統(tǒng)利用CC2530芯片、DS18B20溫度傳感器與上位機系統(tǒng)進行溫度數(shù)據(jù)的采集，并實時監(jiān)測溫度狀況。由實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，ZigBee無線數(shù)據(jù)通信能很好地解決溫度監(jiān)測與溫度數(shù)據(jù)采集的問題，尤其是惡劣環(huán)境下有線數(shù)據(jù)采集的問題，降低了勞動成本，在生產(chǎn)實踐中有較好的應(yīng)用價值。

[1]唐翔龍，張文通，馬振軍.ZigBee在高爐爐頂齒輪箱的測溫應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2013（ 4）：59-61.

[2]王公堂，李艷華，楊寶.基于ZigBee的溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].電子設(shè)計工程，2013，21（ 1）：63-66.

[3]劉坤朋.基于紅外協(xié)作的無線自組織視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].湖南：國防科技大學，2009.

[4]陳健.基于ZigBee的無線工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[D].西安：西安科技大學，2007.

[5]劉外喜，胡曉，唐冬，等.基于ZigBee的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（ 4）：69-71.

[6]幸國全，李成斌，胡生清，等.單片機系統(tǒng)的光電隔離式RS-232 接口設(shè)計[J].測控技術(shù)，2001，20（ 1）：62-64.

[7]李濤.基于能量優(yōu)化的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由算法研究[D].山東：山東大學，2010.

[8]莊華勇，伍川輝.基于ZigBee的高速動車組車內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國測試，2013（ 2）：85-88.

[9]李正民，張興偉，柳宏川.基于CC2530的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2013，32（ 5）：25-28.

[10]馬巧娟，鄭萍，王曉光，等.基于ZigBee和LabVIEW的多點無線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].中國儀器儀表，2009（4）：49-52.