電動調節閥無線遙控系統設計與實現

薛冬晨，魯紹軍，郭彩霞

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

引言

隨著物聯網技術的發展，信息化系統的移動化需求越發強烈，在人員大幅減少的條件下，需要設備系統向智能化邁進。冶金企業排水管線較長，每天操作人員需乘車進行巡檢、操作，大部分重要區域已實現PLC 控制，對于操作頻率不高、操作精度要求不高、位置偏遠且未接入PLC 的閥門仍需崗位人員進行現場操作，為減輕操作負擔，確保安全，尋求最優解決方案，設計一種基于數傳電臺的閥門無線遙控系統。

1 系統原理

本系統通過無線數據傳輸系統實現與現場電動調節閥之間的控制及反饋，通過4～20 mA 電流信號控制現場閥門，包括控制信號和閥位反饋信，基于數傳電臺技術，通過無線發射裝置、無線接收裝置，構成一個遠程控制系統，以實現對遠程電動設備的控制。

以單臺閥門設備為例，現場設備接入智能無線數傳機ZNWP-01，當需要控制現場設備時，從計算機給定閥位，通過信號隔離轉換器將信號傳遞給智能無線數傳機，智能無線數傳機設發射、接收端，接收端將接收的數字信號進行轉換，轉換為4～20 mA信號輸出給調節閥；反饋信號用硬線送到模擬量輸入端，反饋信號經過處理轉換后由無線電臺發送到遠程主站，經信號隔離轉換器傳遞給上位機［1］。電動調節閥無線遙控系統示意圖如圖1所示。

圖1 電動調節閥無線遙控系統示意圖

2 系統結構

系統獨立占用一個計算機串口，在計算機上加裝控制軟件。另需增加智能無線數傳機一對。遠程測控分站一個，遠程通信隔離轉換器一個。

本系統分兩個子系統構成：（1）監測傳感器網絡：設置在監測區域，探測節點上的傳感器定時采集現場閥門閥位，向TransNET 節點轉發，將模擬信號傳給信號隔離采集器、信號隔離轉換器，經RS232接口與無線傳輸模塊相連，通過數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到無線網絡。（2）上位機，測控中心的TransNET 網絡通過全向天線接收來自現場的數據，通過RS232 接口與上位機連接，測控中心服務器接收到網絡終端傳來的連接申請，先進行認證，認證通過后接受傳來的數據并進行處理。數據接收和處理由上位機軟件進行管理［2］。

3 硬件配置

無線傳輸系統采用的是“集中管理-分散監測”，集散式報警監控系統由中央管理工作站（終端監控）、無線通信網絡、現場數據終端、現場閥門控制器等組成。

系統中有一臺工業計算機放在管理中心，設置一臺主站，與現場分站通訊，負責采集現場閥門信號傳送到主站。

3.1 數據采集部分

數據采集部分由信號隔離采集器和信號隔離轉換器構成。

信號隔離采集器需要直流24 V 供電，具有模擬量采集功能，可以16路信號隔離采集。把閥位檢測輸出的4～20 mA信號接到該采集器的輸入端，提供給RS485通訊接口，可以實時采集閥位信號。

轉換器由直流24 V 供電，該轉換器負責把RS485 信號轉換成RS232 信號，目的是與主站連接，實現遠程數據的傳輸。

3.2 隔離凈化電源

隔離凈化電源的作用是讓控制設備、變流設備和其它裝置與供電系統隔離，獨立工作。外部提供的220 V 交流電，易受外界電磁干擾，造成供電系統波動，經過隔離凈化電源后，可以濾掉干擾，提供輸出干凈的直流24 V 電源，從而提高設備的安全和穩定性。凈化后的直流24 V 電源輸入到直流分配器，被分為16 路電源信號，每一路都獨立輸出直流24 V。

3.3 無線傳輸系統

無線傳輸系統采用的是“集中管理-分散監測”，采用MDS900 電臺，該電臺具備跳頻擴頻功能，傳輸距離可達到35 km，抗干擾能力強，實時采集現場的檢測數據。MDS TransNET 900 是專業的數傳電臺，工作于900～1 000 MHz 頻段，可以實現一定范圍內的點對多點通信，它的特點在于長距離、穩定、可靠。全雙工的工作模式，采用先進的擴頻跳頻技術，采用了DSP 芯片，具有信道編碼，前向糾錯功能。運用了CPFSK 數字調制方式，相干解調，均衡軟判決等技術，大大提高了設備增益，產品的穩定性、可靠性、抗干擾性，傳輸速率遠遠超過普通數傳臺。設備本身為用戶提供一個115.2 K的串口，串口RS-232/RS-485 可選，本設計由串口RS-232接入。

3.4 全向天線

在水平方向圖上表現為360°都均勻輻射，在垂直方向圖上表現為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動通信系統中一般應用于郊縣大區制的站型，覆蓋范圍大［3］。全向天線可以接受來自各個角度的信號并向各個角度發射信號，應用范圍廣泛，大部分無線產品都是將全向天線作為設備上的標準配置。全向天線在各個方向上的延伸性是一樣的，這些信號疊加后最終組成了一個以天線為球心的球體。

3.5 上位監控系統

由一臺主機來接收MDS900 主站提供的數據，通過RS232接入主機，監測閥門檢測點、輸出閥位窗口、實時閥位數據反饋、人機界面、與其他系統的數據通信。

4 軟件系統結構

系統軟件基于WINDOWS 平臺，界面采用動態畫面和區域圖動態畫面，人機界面友好，功能強大，管理人員借助監控系統軟件，通過區域圖界面遠程操作并觀察閥位。如圖2所示。

圖2 閥門遠程控制系統軟件基本結構

由圖2可知，設置界面菜單有兩個二級菜單，分別是：安裝地點名稱設置、串口設置。

安裝地點名稱設置是閥門所在管網地理位置名稱；串口設置是接收或發送無線裝置的RS232 口設置。

實時顯示界面顯示給定數值和閥位反饋數值。操作人員能夠從遠程操作閥門，并觀察閥位運行狀態，節約時間、節省人力、保證排水系統正常運行［4］。

遠程監控站是專用的監控系統，系統應具有以下功能：

（1）實時性——現場的氣體檢測數據能實時發送到監控中心服務器，每秒采集一次現場數據，每2 s對整個管網所有閥門實現一次數據采集。

（2）實用性——操作方便，便于維護、更新、管理。

（3）應急性——可遠程操作，便于應急指揮。

（4）安全性——有歷史數據，便于事后分析，查找隱患、規避風險；代替人員手動操作。

5 結語

本系統采用跳頻電臺無線網絡，把廠區內連續性要求不高且距離偏遠、操作不頻繁的閥門進行遠程控制，結構簡單、可靠性較強、精度高、實時性強，可以有效節省人力物力，節約在線控制設備費用，節省了敷設控制線纜的材料及施工費用。該系統的投入使用，改變了以往依靠人工驅車進行手動操作的管理管理模式，實現了閥門控制系統集中監控，極大的提高了管道區域生產管理水平，改善了生產管理模式。對于此類位置偏遠、附近無PLC 等控制設備的閥門操作具有較大的實用價值。