工業(yè)數(shù)據(jù)無線采集在制糖過程控制實驗中的仿真與實現(xiàn)

潘澤鍇， 覃貴禮

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 制糖過程控制技術(shù)實訓(xùn)中心，南寧 530226)

工業(yè)數(shù)據(jù)無線采集在制糖過程控制實驗中的仿真與實現(xiàn)

潘澤鍇， 覃貴禮

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 制糖過程控制技術(shù)實訓(xùn)中心，南寧 530226)

制糖過程自動控制前提條件是對蔗糖煮煉過程中各種工業(yè)傳感器數(shù)據(jù)的可靠采集。依托模擬工業(yè)現(xiàn)場實際環(huán)境組建的制糖過程控制技術(shù)實訓(xùn)中心資源，完成對實驗系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，重新對傳輸數(shù)據(jù)格式編碼，雙重編碼校驗方式提高數(shù)據(jù)傳輸糾錯能力，采用多節(jié)點無線傳輸數(shù)據(jù)模式組網(wǎng)增強網(wǎng)絡(luò)容量。現(xiàn)場測試表明，該無線數(shù)據(jù)采集實驗仿真系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，對拓展實訓(xùn)課程改革建設(shè)和糖廠自動化生產(chǎn)線技術(shù)改造都起到促進作用。

制糖過程； 數(shù)據(jù)采集； 雙重編碼

0 引 言

工業(yè)制糖過程中通常伴隨著蔗糖從液體到固體復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，要實現(xiàn)制糖過程自動控制前提條件是對煮煉過程各種工業(yè)傳感器數(shù)據(jù)的可靠采集，如糖漿的濃度、錘度、糖罐真空度和汽室壓力等控制數(shù)據(jù)的采集與無線傳輸[1]。在現(xiàn)實的工業(yè)環(huán)境中，工業(yè)數(shù)據(jù)的采集受到高溫濕度、信號多徑效應(yīng)和設(shè)備運行電磁噪聲等因素影響，所以在工業(yè)數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸中需要充分考慮信號傳輸?shù)目煽啃詥栴}，采集傳輸?shù)脑O(shè)計符合工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求[2-3]。

針對工業(yè)數(shù)據(jù)在制糖過程控制中采集特點，本文依托模擬工業(yè)現(xiàn)場實際環(huán)境組建的制糖過程控制技術(shù)實訓(xùn)中心資源，先在實驗現(xiàn)場完成模擬仿真效果，同時也基于此設(shè)計適合現(xiàn)場教學(xué)、軟硬件結(jié)合的實驗教程，在拓展教學(xué)改革同時兼科研開發(fā)。在仿真實驗中，數(shù)據(jù)的采集通過各種工業(yè)數(shù)字傳感器完成，鑒于工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的狀況，數(shù)據(jù)傳輸采用無線方式實現(xiàn)，工業(yè)數(shù)據(jù)在工控機上完成接收和數(shù)據(jù)處理工作[4]。

1 實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計是在模擬工業(yè)現(xiàn)場組建的制糖過程控制技術(shù)實訓(xùn)中心上再開發(fā)，技術(shù)中心配置的現(xiàn)場儀表、控制器，均是目前工業(yè)上實際應(yīng)用的真實產(chǎn)品，可測量實際信號(如溫度、液位、流量等)、電動閥、氣動閥、電機、水泵等設(shè)備為工業(yè)制式產(chǎn)品，具備工業(yè)現(xiàn)場工作功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計包括工業(yè)數(shù)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)采集無線發(fā)射節(jié)點和工控機無線接收節(jié)點兩部分組成[5]。

1.1 工業(yè)數(shù)據(jù)采集實驗發(fā)射硬件節(jié)點設(shè)計

實驗現(xiàn)場采用的工業(yè)傳感器負(fù)責(zé)完成各個工業(yè)控制參數(shù)的采集，設(shè)計的無線數(shù)據(jù)采集發(fā)射節(jié)點包括微處理器模塊、工業(yè)數(shù)據(jù)傳感器模塊、射頻發(fā)射模塊、數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換電路和電源單元5部分構(gòu)成。圖1所示是無線數(shù)據(jù)采集發(fā)射節(jié)點架構(gòu)圖。

圖1 無線數(shù)據(jù)采集發(fā)射節(jié)點架構(gòu)

在整個發(fā)射節(jié)點設(shè)計中，微處理器處在核心地位，它的功能包括傳感器數(shù)據(jù)獲取時序控制，射頻模塊發(fā)射和無線組網(wǎng)調(diào)度，數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換處理等；射頻發(fā)射模塊與微處理器之間數(shù)據(jù)傳輸通過SPI總線實現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)編碼，同時以無線射頻的方式發(fā)射數(shù)據(jù)[6]。微處理器、工業(yè)數(shù)據(jù)傳感器和數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)總線是共用的，數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換電路是一種根據(jù)設(shè)計需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路，工業(yè)數(shù)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)可方便的通過數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換電路后送無線射頻模塊，這個過程微處理器除了必要的數(shù)據(jù)編碼處理之外，還要求對三者之間的時序進行有序控制，以避免數(shù)據(jù)總線操作沖突[7]。

1.2 工業(yè)數(shù)據(jù)采集實驗接收硬件節(jié)點設(shè)計

接收硬件節(jié)點設(shè)計功能包括發(fā)射節(jié)點數(shù)據(jù)獲取和對數(shù)據(jù)進行解碼操作。該節(jié)點組成中由微處理器、工控機、射頻接收和電源4個模塊組成。圖2是無線數(shù)據(jù)采集接收節(jié)點總體構(gòu)架。

圖2 無線數(shù)據(jù)采集接收節(jié)點構(gòu)架

在設(shè)計無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點過程中，微處理器處在控制的中心，它的功能包括控制與工控機之間電平轉(zhuǎn)換時序，射頻模塊發(fā)射和無線組網(wǎng)調(diào)度，數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換處理等；射頻發(fā)射模塊與微處理器之間數(shù)據(jù)傳輸通過SPI總線實現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)編碼，同時不斷捕獲控制的射頻信號并進行數(shù)據(jù)解碼操作。微處理器和射頻模塊通過SPI總線連接，工控機通過RS-232串口總線連接，他們之間也要求微處理器對射頻和工控機連接的操作時序進行嚴(yán)格控制，以避免數(shù)據(jù)線路操作沖突[7]。工控機標(biāo)準(zhǔn)信號輸入為RS-232電平，而射頻模塊正常工作電壓為3.3 V，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)互認(rèn)傳輸需要通過MAXIM3223進行電平轉(zhuǎn)換[8]。

1.3 實驗射頻節(jié)點硬件接口設(shè)計

在實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計中，數(shù)據(jù)的收發(fā)功能都是依賴射頻模塊完成，系統(tǒng)能量消耗也主要集中在此，所以射頻模塊選擇具有高速、功耗低、成本低的特點，綜合這些特點選用Noridc公司的nRF2401射頻芯片。而在控制器的選擇上除了要滿足功耗低的特點外，還要中斷源個數(shù)盡可能多，管腳豐富，內(nèi)存容量足夠大，處理速度符合設(shè)計要求，綜合考慮這些因素，系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT90S2313微處理器[9]。微處理器AT90S2313具有良好的性能價格比適合無線傳輸控制。AT90S2313 MCU與nRF2401射頻通信模塊主要硬件接口連接如圖3所示。

圖3 AT90S2313 MCU與nRF2401接口

設(shè)計電路圖由帶有11 MHz晶振的nRF2401模塊和帶有4 MHz的晶振的AT90S2313微處理器組成，圖3中單片機AT90S2313的PB7、PB6、PB4、PB3、PB2、PD2分別與nRF2401的PWR_UP、CE、CS、CLK1、DATA、DR1相連。當(dāng)微處理器完成傳感器數(shù)據(jù)編碼送發(fā)射模塊時，nRF2401使能端CE變成高電平，微處理器控制地址、數(shù)據(jù)總線時序同步，完成數(shù)據(jù)傳送給射頻模塊完成后返回ACK信號告知使能端CE置為低電平一段時間，利用這段時間射頻模塊可以把數(shù)據(jù)發(fā)射出去；接收模塊捕獲到發(fā)射節(jié)點的射頻信號之后，把數(shù)據(jù)接收送微處理器解碼后，通過RS-232信號線傳送到工控機上處理[10]。

2 實驗系統(tǒng)軟件設(shè)計

實驗系統(tǒng)軟件設(shè)計對控制器編程完成射頻模塊數(shù)據(jù)發(fā)送接收控制和數(shù)據(jù)編碼，這個過程第一步就是對射頻模塊實現(xiàn)初始化配置，初始化配置主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收檢測，之后才是編程完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。

2.1 數(shù)據(jù)采集實驗發(fā)射節(jié)點軟件設(shè)計

在工業(yè)現(xiàn)場高溫濕度、高硫化氣體，信號的多徑效應(yīng)，電磁噪聲干擾等多影響因素共存亂象，這些勢必造成無線信號傳輸不穩(wěn)定，傳輸亂碼，甚至信號畸變等不良后果；為了使工業(yè)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時程序具有必要的糾錯能力，在信號處理的過程中對通信協(xié)議進行了重新編碼，使數(shù)據(jù)能夠正確的發(fā)送和接收[11]。圖4為無線數(shù)據(jù)采集發(fā)射節(jié)點程序流程圖。

圖4 無線數(shù)據(jù)采集發(fā)射程序流程

在無線數(shù)據(jù)發(fā)射節(jié)點程序設(shè)計中，獲取的傳感器數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換后，再按照一定的格式進行一次編碼，編碼的數(shù)據(jù)幀包括包頭、地址、發(fā)送的數(shù)據(jù)和CRC校驗；在上述數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換中一次只能進行12位，使得數(shù)字傳輸要分2 B完成，2 B的低4位將作為校驗位存在，簡單設(shè)置從0000～1111進行加一循環(huán)；為了提高系統(tǒng)的傳輸?shù)姆€(wěn)定性，將對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行二次編碼，在編碼中對多個數(shù)據(jù)位進行校驗；在完成通信協(xié)議編碼后微控制器控制射頻節(jié)點串行口連續(xù)的發(fā)送出編碼好的數(shù)據(jù)幀[12]。

2.2 數(shù)據(jù)采集實驗接收節(jié)點軟件設(shè)計

在實驗系統(tǒng)的接收節(jié)點軟件設(shè)計中主要是完成發(fā)射節(jié)點數(shù)據(jù)的接收和解碼，并在工控機上對解碼后的數(shù)據(jù)進行處理顯示結(jié)果。在具體的程序編寫中，先初始化系統(tǒng)配置后，nRF2401射頻端口不斷監(jiān)測空中是否有數(shù)據(jù)傳輸過來，捕獲到數(shù)據(jù)后送入微處理器做解碼處理，再送RS-232串口；如果沒有捕獲到數(shù)據(jù)，則不斷循環(huán)監(jiān)測。圖5為接收節(jié)點主程序流程圖。

圖5 接收節(jié)點主程序流程圖

為了提高實驗數(shù)據(jù)接收節(jié)點糾錯能力，在軟件設(shè)計中，對接收到的數(shù)據(jù)幀都加上固定的包頭，比如說0xFF等，以此來判斷接收到數(shù)據(jù)的正確性，如果與設(shè)定好的數(shù)據(jù)編碼不一致，則認(rèn)定數(shù)據(jù)傳輸錯誤而將其遺棄不用[13]。

3 實驗采集數(shù)據(jù)編碼處理與測試

在完成實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟硬件設(shè)計后，在制糖過程控制實訓(xùn)中心實現(xiàn)現(xiàn)場測試，該中心由糖廠制糖設(shè)備模型、糖廠生產(chǎn)全過程自動控制系統(tǒng)等主要部分組成，實驗測試現(xiàn)場環(huán)境如圖6所示。

圖6 實驗現(xiàn)場測試環(huán)境

在中控室要完成各種控制命令的發(fā)送前提條件是采集到分布在前端節(jié)點上的工業(yè)傳感器數(shù)據(jù)，工業(yè)傳感器將制糖過程中采集的糖漿的濃度、錘度、糖罐真空度和汽室壓力等數(shù)據(jù)送射頻模塊發(fā)送，接有射頻接收模塊捕獲數(shù)據(jù)解析送工控機處理。

3.1 制糖過程控制實驗采集數(shù)據(jù)編碼與處理

在整個制糖過程控制實驗數(shù)據(jù)采集的過程中，設(shè)計工控機的射頻接收模塊作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點，中繼搭建路由器節(jié)點完成，各個數(shù)據(jù)傳感器節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點[14]，每個發(fā)射接收節(jié)點分配不同的物理地址，發(fā)送節(jié)點格式按照已經(jīng)規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行編碼，具體的數(shù)據(jù)幀格式定義如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)定義圖

為了提高傳輸速度，在數(shù)據(jù)收發(fā)模式中選擇DirectModeTM模式，全程通過微控制器來處理數(shù)據(jù)。在第一部分?jǐn)?shù)據(jù)幀格式中，包頭PRE-AMBLE用于在空中區(qū)分捕獲符合編碼格式的數(shù)據(jù)；物理地址ADDRESS用于區(qū)分不同射頻傳輸模塊，尤其是同一類型的傳感器用唯一的物理Mac地址區(qū)分尤為高效；被發(fā)送數(shù)據(jù)PAYLOAD主要是包含傳感器的信息，為了提高傳輸效率和可靠性進一步對數(shù)據(jù)格式重新編碼；為了提高數(shù)據(jù)收發(fā)的糾錯能力，采用CRC校驗方式[10,15]。

第二部分是對被發(fā)送數(shù)據(jù)進行重新編碼，主要是應(yīng)對在制糖過程的工業(yè)環(huán)境中惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，受到高溫、潮濕、電磁干擾和硫化氣體共存多干擾源影響嚴(yán)重，編碼再次進行校驗提高數(shù)據(jù)幀的糾錯能力，同時增強整個系統(tǒng)防丟包能力。在數(shù)據(jù)編碼中，首先再次對數(shù)據(jù)標(biāo)頭進行編碼檢驗，計算數(shù)據(jù)長度和校驗和是對數(shù)據(jù)重新編碼糾錯監(jiān)測，其中傳感器數(shù)據(jù)類型已經(jīng)做出了定義，比如說真空度為0x0A，糖膏錘度為0x0E…等，這些都通過查表的方式獲得。接收節(jié)點編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)獲取時要按照這個數(shù)據(jù)格式進行解析，不同的傳感器類型對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)位和數(shù)據(jù)，這個在設(shè)置的表格中可以查詢到。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，整個數(shù)據(jù)幀和被包含的被發(fā)送數(shù)據(jù)后1 B的低4位作為校驗位，當(dāng)數(shù)據(jù)接收不正確的時候需要重傳。定義數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)之后，因為需要無線采集的工業(yè)數(shù)據(jù)節(jié)點較多，需要多節(jié)點組網(wǎng)，以立式連續(xù)結(jié)晶罐為例，多數(shù)據(jù)采集節(jié)點組網(wǎng)模式選擇和網(wǎng)絡(luò)配置方式如圖8所示。

圖8 無線傳輸數(shù)據(jù)組網(wǎng)模式與配置

3.2 實驗數(shù)據(jù)接收測試

在工控機上接收到的數(shù)據(jù)要實現(xiàn)正常獲取和顯示，需要在工控機上編寫對應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)。在實驗中采用LabVIEW軟件來完成，針對實訓(xùn)現(xiàn)場環(huán)境，以立式連續(xù)結(jié)晶罐作為樣本分析，可以同時采集監(jiān)控4個結(jié)晶罐內(nèi)真空度、溫度、糖膏錘度等數(shù)據(jù)，多個立式連續(xù)煮糖結(jié)晶罐數(shù)據(jù)采集實驗測試數(shù)據(jù)信息顯示結(jié)果如圖9所示。

在實驗室模擬的工業(yè)環(huán)境中進行長時間的測試，可任意選取某個時間段內(nèi)煮糖過程進行監(jiān)測，在此以兩個小時為樣本空間，共收集到數(shù)據(jù)1 152個，未返回數(shù)據(jù)4個，丟包率4/1 152=0.35%，測得丟包率并不影響煮糖在線控制；此外，可通過SQL數(shù)據(jù)庫自帶工具調(diào)取歷史數(shù)據(jù)和監(jiān)測實時狀況，表1為以報表形式截取顯示實時監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)。

表中7個編號No依次表示控制節(jié)點電壓、罐內(nèi)液位高度、進糖閥門流量，原蜜閥門流量、進水閥門流量、進糖閥門汽鼓溫度和汽室溫度。通過測試表明,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葷M足現(xiàn)場的需要，數(shù)據(jù)的丟包率也在可以接受的范圍之內(nèi)。

圖9 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)界面

No1No2No3No4No5No6No71.23955.157.300119.0141.011.24255.657.200119.0341.021.24055.357.300119.0741.001.23955.157.600119.0141.011.24155.657.200119.0241.051.24055.357.100119.1141.021.24155.457.400119.0841.03

4 結(jié) 語

實驗系統(tǒng)在模擬的制糖過程工業(yè)控制基本上實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)無線采集仿真。從測試的效果看來，整個系統(tǒng)設(shè)計合理可行，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，可以應(yīng)用于課程實訓(xùn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集和無線傳輸，同時也可以應(yīng)用于工業(yè)實時過程監(jiān)測。在工業(yè)數(shù)據(jù)無線傳輸速度和可靠性不斷發(fā)展的背景下，無線收發(fā)芯片引入更加豐富的接口，如USB通用串行接口、網(wǎng)口和HDMI接口等，還有射頻芯片集成化和模塊化的設(shè)計使得無線傳輸技術(shù)在實驗實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)和工業(yè)系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用。

[1] 蘭紅星，易 捷．甘蔗糖生產(chǎn)自動化和信息化[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2013.

[2] 徐 彪,朱健銘,蔣朝陽,等.通用型工業(yè)級數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014,22(10):3192-3198.

[3] 邵惠鶴.工業(yè)過程高級控制[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2003.

[4] 潘澤鍇，朱名日，張振升.基于蔗糖結(jié)晶過程的圖像采集與控制研究[J].制造業(yè)自動化，2010(9):29-32．

[5] 王敦鋒，朱名日，庾志衡,等.基于ARM-Linux和ZigBee的自動煮糖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(1):45-48.

[6] 李建輝，廖桂平，王 訪.基于WSN的油菜生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,39(6)：675-682.

[7] 劉超偉，趙俊淋，易衛(wèi)東.基于nRF24L01的無線圖像傳感器節(jié)點設(shè)計實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2008, 31(6):136-139.

[8] 張小環(huán),王 猛,郝凱學(xué),等.低成本無源無線發(fā)射和接收開關(guān)研制[J].實驗技術(shù)與管理，2015, 32(3):110-112.

[9] 王 旭，馬汝建，王洪斌.基于nRF24E1的多點無線測溫報警系統(tǒng)設(shè)計[J].濟南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,27(4):352-357.

[10] 李才光，裴正憲，蔣洪波.基于nRF2401的無線心音遙測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].計算機科學(xué)，2013,40(8):59-62.

[11] 鄧曉剛.過程控制實驗裝置的機理建模與虛擬仿真軟件開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2015,34(10):99-103.

[12] 丁永紅，孫運強.基于nRF2401的無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2008, 27(4):45-47.

[13] 熊前柱，李 前，胡浩亮,等.電力互感器在線校準(zhǔn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研制[J].電測與儀表，2014,51(9):13-16.

[14] 李文軍,樂小琴,沈曉昱,等.工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2012,33(4):27-34.

[15] 周信東，朱 瑩，朱名日.蔗糖自動煮煉過程中計算機控制的數(shù)據(jù)處理[J].計算機工程，2010,35(9):241-245.

Simulation and Realization in Experiment of Industrial Wireless Data Collection in Controlled Generating Sugar Process

PANZekai，QINGuili

(Technology Training Center of Sugar Process Control, Guangxi Vocational and Technical College,Nanning 530226, China)

Sugar process control prerequisite is to collect reliable data of sucrose scouring process which are obtained by various industrial sensors. Using a simulated industrial environment, based on the foundation of the Control Technology Training Center, an experiment of sugar process control has been designed. The hardware and software are designed, transmission data format is re-encoded, dual encoding validation is used to improve data transfer mode and decrease the error correction capability. The multi-node wireless transmission network enhances network capacity. Field tests have shown that the simulation experiment system of wireless data acquisition system is stable and reliable, it expands the curriculum reform and can play a catalytically role for automated production line technological transformation of sugar industry.

sugar making process； data acquisition； dual coding

2016-08-08

廣西教育廳自然科學(xué)基金資助項目(KY2015YB384,20161A023)；廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)基金資助項目(161213)

潘澤鍇(1984-)，男，廣西南寧人，碩士，講師，研究方向：智能信息處理、工業(yè)自動化。

Tel.:15289668817；E-mail：panzekai@163.com

TP 271+4

A

1006-7167(2017)06-0103-05