工業(yè)無線閥門監(jiān)測器信號(hào)傳送距離的拓展技術(shù)

吳偉國

(無錫圣漢斯氣動(dòng)控制器進(jìn)出口有限公司，江蘇 無錫 214112)

構(gòu)建閥門監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，確保工業(yè)控制系統(tǒng)的上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測閥門的工作狀態(tài)，是工業(yè)管道流體自動(dòng)控制的重要組成部分。目前較為流行的工業(yè)控制系統(tǒng)，如PLC、DCS及SCADA等，均采用電纜線作為閥位信號(hào)的傳送介質(zhì)，將安裝在現(xiàn)場閥門頂端的監(jiān)測器(即限位開關(guān))接收到的單刀雙擲(SPDT)開關(guān)信號(hào)，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接線方式遠(yuǎn)程傳輸至PLC、DCS、SCADA系統(tǒng)和上位機(jī)。由于工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性，采用電纜線傳送閥位信號(hào)不僅要花費(fèi)大量資金用于電纜線、線架、控制柜及I/O等輔助設(shè)備設(shè)施的采購，還有施工布線時(shí)排線麻煩、耗時(shí)長、用工多、專業(yè)性強(qiáng)、線路老化及檢修復(fù)雜而又困難等問題，這些困難和額外的購置資金嚴(yán)重阻礙了工業(yè)管道流體自動(dòng)控制中閥位監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

早在2003年，美國Emerson公司就開始著手研發(fā)無線閥門監(jiān)控裝置，以徹底擺脫電纜線的束縛。后經(jīng)工廠測試和完善，于2006年前后開始投放市場。但由于其產(chǎn)品采用了Wireless Hart無線技術(shù)，無線裝置的價(jià)格較高，故其市場普及率受到一定的制約。2009年以來，以以色列的Eltav公司為代表的一些國外著名公司開始將價(jià)格更低的ZigBee無線技術(shù)移植到無線閥門監(jiān)測領(lǐng)域，開發(fā)了無線閥門監(jiān)測器等設(shè)備，但因其受制于干電池的供電壽命，他們采用標(biāo)配的ZigBee無線信號(hào)發(fā)射功率開發(fā)閥門監(jiān)測器在室外空曠環(huán)境中的有效傳送距離僅70m左右[1]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求，嚴(yán)重阻礙了無線技術(shù)在閥門監(jiān)測中的推廣和應(yīng)用。為此，無錫圣漢斯氣動(dòng)控制器進(jìn)出口有限公司基于ZigBee無線技術(shù)的最新研究成果[2，3]，在確保電池使用壽命的前提下，深入研究拓展無線閥門監(jiān)測器信號(hào)傳送距離的方法和途徑。

1 無線閥門監(jiān)測器信號(hào)傳送距離分析①

采用ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的無線閥門監(jiān)測器是有線閥門監(jiān)測器的技術(shù)升級(jí)產(chǎn)品，如圖1所示，無線閥門監(jiān)測器主要由外殼、凸輪、位置傳感器、鋰電池、ZigBee模塊及天線等部件組成。其中凸輪機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)檢測閥門的機(jī)械位置(開度)；位置傳感器負(fù)責(zé)將閥門的機(jī)械開度轉(zhuǎn)換成單刀單擲(SPST)信號(hào)；ZigBee模塊負(fù)責(zé)將來自傳感器的閥門開度信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)，并通過外置天線遠(yuǎn)程發(fā)送給無線主控設(shè)備。其中ZigBee模塊是無線通信的關(guān)鍵部件，無線信號(hào)的傳送距離主要取決于其技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 無線閥門監(jiān)測器結(jié)構(gòu)示意圖

ZigBee是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，在各種電子設(shè)備之間進(jìn)行低速率、低功耗傳送信號(hào)的無線通信技術(shù)。在空間環(huán)境相同的情況下，其信號(hào)傳送距離取決于發(fā)射功率，標(biāo)準(zhǔn)功率的傳送距離一般在10～100m，在增加射頻發(fā)射功率后，其傳送距離可延長至1～3km[3]。但是，過大的發(fā)射功率又會(huì)增加功耗，嚴(yán)重縮短鋰電池的使用壽命。安裝在現(xiàn)場的閥門監(jiān)測器頻繁更換電池，更會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與傳輸。顯而易見，無線閥門監(jiān)測器信號(hào)傳送距離與鋰電池的工作壽命是相互對(duì)立的，尋找其最佳平衡點(diǎn)是此次研究的重點(diǎn)。

2 增加無線閥門監(jiān)測器信號(hào)傳送距離的途徑

2.1 增加射頻發(fā)射功率

ZigBee模塊的射頻發(fā)射功率通常設(shè)置在+3dBm(2mW)，其無線信號(hào)傳送距離一般在70m左右。按照我國《關(guān)于調(diào)整2.4GHz頻段發(fā)射功率限值及有關(guān)問題的通知》的有關(guān)規(guī)定，ZigBee技術(shù)2.4GHz頻段的最高發(fā)射功率可增加至+20dBm(100mW)。通過實(shí)驗(yàn)研究(見2.2小節(jié))發(fā)現(xiàn)，如果將ZigBee模塊的射頻發(fā)射功率增加到+20dBm(100mW)，其無線信號(hào)傳送距離可拓展到200m以上，這就基本上能夠滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場的需求。但是，此時(shí)ZigBee模塊的工作電流已經(jīng)達(dá)到120mA(實(shí)測值)。以武漢孚特鋰亞硫酰氯電池(1AA，3.6V，2 700mAh)為例，按照如圖2所示的鋰電池放電特性曲線測算(25℃)，以一節(jié)鋰亞硫酰氯電池(1AA，3.6V，2 700mAh)作為供電電源，其工作壽命只有幾十小時(shí)，根本無法滿足工業(yè)設(shè)備的正常工作需求。

圖2 鋰亞硫酰氯電池放電特性曲線

2.2 優(yōu)化信號(hào)數(shù)據(jù)包并降低占空比

ZigBee技術(shù)的最大特點(diǎn)是低功耗的潛力很大，因而可以通過優(yōu)化信號(hào)數(shù)據(jù)包并降低占空比的方式來延長電池的工作壽命，具體步驟如下：

a. 通過簡化信號(hào)數(shù)據(jù)的傳送量，優(yōu)化信號(hào)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)，以縮短信號(hào)的收發(fā)時(shí)間。

從無線閥門監(jiān)測網(wǎng)和工業(yè)閥門的狀態(tài)變化來看，一個(gè)十六進(jìn)制20Bytes的數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)包由設(shè)備的地址8Bytes、設(shè)備類型1Byte、命令類型1Byte、輸入輸出開關(guān)量2Bytes、輸入輸出模擬量4Bytes、電池電壓值2Bytes和溫度值2Bytes組成)就能完整地反映閥位的狀態(tài)，由于被傳送的數(shù)據(jù)量非常小，故其收發(fā)時(shí)間完全可以控制在15ms以內(nèi)。

b. 引入“休眠叫醒”機(jī)制，最大限度地降低模塊的電流消耗。ZigBee技術(shù)允許模塊在不工作時(shí)設(shè)置為休眠模式[3]，在休眠模式下其消耗的電流僅為1.3～25.0μA(實(shí)測值)。為此，在模塊設(shè)計(jì)中引入“休眠叫醒”機(jī)制，讓無線模塊在大部分時(shí)間里處于“休眠”狀態(tài)，當(dāng)閥位開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)(SPST信號(hào)變化)，無線模塊就會(huì)被激活并立即將檢測到的閥位信號(hào)發(fā)送給接收器。如果閥位處于無變化狀態(tài)，ZigBee模塊則每間隔15min自動(dòng)激活，檢測并發(fā)送最新的閥位信號(hào)數(shù)據(jù)包。

從ZigBee模塊被激活到數(shù)據(jù)檢測和發(fā)送完畢的過程稱為模塊的工作過程，其工作時(shí)間約15ms，其他時(shí)間則為休眠時(shí)間。因此引入“休眠叫醒”機(jī)制后，模塊的占空比[3](工作時(shí)間/(工作時(shí)間+休眠時(shí)間))僅為0.02‰。如此低的占空比可極大地延長電池的使用壽命。經(jīng)估算，引入“休眠叫醒”機(jī)制后，該模塊的平均消耗電流可降至3.3～27.0μA。按照如圖2所示的電池放電特性曲線推算，一節(jié)鋰亞硫酰氯電池(1AA，3.6V，2 700mAh)供給ZigBee模塊工作，其電池使用壽命可延長至30 000h，相當(dāng)于近三年半的時(shí)間。

表1是對(duì)4個(gè)無線閥門監(jiān)測器模塊實(shí)測的鋰電池電壓衰減記錄，在每個(gè)檢測日上午，工程師用萬用表檢測電池兩端電壓并記錄；被檢監(jiān)測器每天開關(guān)動(dòng)作48次，相當(dāng)于該閥位每30min動(dòng)作一次；電池采用武漢孚特公司生產(chǎn)的鋰亞硫酰氯電池(1AA，3.6V，2 700mAh)?？梢钥闯?，兩年的時(shí)間中無線閥門監(jiān)測器的鋰電池電壓下降約0.12～0.18V(下降約3.3%～5.0%的電壓)。以此推算，假定無線閥門監(jiān)測器每天動(dòng)作30次，采用1AA，3.6V，2 700mAh標(biāo)準(zhǔn)的鋰亞硫酰氯電池供電，其連續(xù)工作3年以上不換電池是可行的。這也很好地證實(shí)了上述理論測算的正確性。

表1 無線閥門監(jiān)測器鋰電池壽命測試電壓衰減統(tǒng)計(jì) V

3 測試

為驗(yàn)證采用增強(qiáng)射頻發(fā)射功率+20dBm(100mW)并引進(jìn)“休眠叫醒”機(jī)制后，ZigBee模塊的有效無線通信距離，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算機(jī)無線閥門監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。如圖3所示，該網(wǎng)絡(luò)由計(jì)算機(jī)、微爾閥門物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件[4]、無線網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)中繼器和眾多的無線閥門監(jiān)測器組成。在圖3所示的網(wǎng)絡(luò)中，各無線設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖3 測試用計(jì)算機(jī)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)示意圖 表2 測試用計(jì)算機(jī)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中無線設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

參數(shù)無線閥門監(jiān)測器無線網(wǎng)絡(luò)中繼器無線網(wǎng)關(guān)(主控設(shè)備)供電情況鋰電池,1AA,3.6V,2 400mAh有線電源24V(DC)計(jì)算機(jī)供電有線網(wǎng)通信協(xié)議--WiV協(xié)議或Modbus RTU可選無線網(wǎng)通信協(xié)議ZigBee-WiV協(xié)議無線頻道2.4GHz at IEEE 802.15.4-2009(ZigBee 2009)傳送速率250kbit/s發(fā)射功率+20dBm(100mW)

無線閥門監(jiān)測器是計(jì)算機(jī)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的從屬設(shè)備，具有感知和無線傳送閥位信號(hào)的功能，由無線智能模塊、位置傳感器及鋰電池等組成。

網(wǎng)絡(luò)中繼器是計(jì)算機(jī)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中用于拓展信號(hào)傳送距離的中繼設(shè)備，負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與無線閥門監(jiān)測器之間相距較遠(yuǎn)或有障礙阻擋時(shí)的信號(hào)中繼。

無線網(wǎng)關(guān)是計(jì)算機(jī)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的主控設(shè)備，扮演著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，其主要功能：一是采用給定的信標(biāo)創(chuàng)建自愈合網(wǎng)狀無線網(wǎng)絡(luò)；二是與網(wǎng)絡(luò)中相同信標(biāo)的中繼器和眾多無線閥門監(jiān)測器保持實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)通信，接收閥位數(shù)據(jù)包；三是通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

微爾閥門物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件可以安裝在安裝有Windows9X、WindowsNT、Windows2000、WindowsXP、Windows7或Windows8操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，管理人員和相關(guān)的工程師通過計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的人機(jī)界面即可實(shí)施遠(yuǎn)程閥門閥位的實(shí)時(shí)檢測和診斷。

可靠的無線通信距離是無線閥門監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)，筆者以計(jì)算機(jī)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為對(duì)象，實(shí)施了3種通信距離的測試工作。

3.1 無線閥門監(jiān)測器的通信距離測試

2014年4月13日，技術(shù)人員將裝有微爾閥門物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件的筆記本電腦置于距離地面25m高處，并將無線網(wǎng)關(guān)的USB插頭接入計(jì)算機(jī)的端口。該網(wǎng)關(guān)由計(jì)算機(jī)供電，在空間自動(dòng)創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。測試中，將裝在手動(dòng)閥頂部的無線閥門監(jiān)測器置于直線距離200～400m開外的路面上，高度為1.5m，由測試員手動(dòng)閥位并電話告知觀察員。觀察員通過計(jì)算機(jī)屏幕監(jiān)測無線閥門監(jiān)測器由于閥位變動(dòng)產(chǎn)生并發(fā)送來的最新閥位信號(hào)。每個(gè)距離測試規(guī)定測試員改變閥位10次，觀察員記錄計(jì)算機(jī)接收信號(hào)次數(shù)，詳見表3。

表3 無線閥門監(jiān)測器通信距離測試

3.2 中繼器的通信距離測試

2014年10月12日，技術(shù)人員將中繼器安置于距離地面25m處，由室內(nèi)24V(DC)開關(guān)電源有線供電。將裝有微爾閥門物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件的筆記本電腦置于直線距離200～260m開外的路面上，高度為1.5m，并將無線網(wǎng)關(guān)的USB插頭接入計(jì)算機(jī)端口。該網(wǎng)關(guān)由計(jì)算機(jī)供電，在空間自動(dòng)創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。由于中繼器始終處于激活的工作狀態(tài)，可通過計(jì)算機(jī)的詢問接收到其反饋來的數(shù)據(jù)包。如果詢問后沒收到其反饋信號(hào)，說明中繼器處于失聯(lián)狀態(tài)。測試中，由觀察員通過計(jì)算機(jī)詢問中繼器然后記錄其反饋情況。每個(gè)距離測試規(guī)定觀察員詢問中繼器10次，并記錄計(jì)算機(jī)接收的反饋信號(hào)次數(shù)，詳見表4。

3.3 無線閥門監(jiān)測器通過中繼器轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的距離測試

2014年10月12日，由技術(shù)人員將中繼器置 于距離地面25m處，由室內(nèi)24V(DC)開關(guān)電源有線供電。將裝有無線網(wǎng)關(guān)和微爾閥門物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件的筆記本電腦置于西向直線距離200m外的路面上，高度為1.5m。將裝在手動(dòng)閥頂部的無線閥門監(jiān)測器置于東向直線距離200～300m開外的路面上，高度為1.5m。在這種空間布置中，網(wǎng)關(guān)和筆記本電腦與無線閥門監(jiān)測器處于同一高度，其距離超過400m且中間有大量的人行道、樹木、行人及汽車等，在沒有中繼器轉(zhuǎn)送信號(hào)時(shí)，計(jì)算機(jī)無法接收到400m外監(jiān)測器發(fā)送的信號(hào)。測試中，首先激活中繼器，然后由測試員手動(dòng)閥位并電話告知觀察員。觀察員通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測無線閥門監(jiān)測器發(fā)送來的最新閥位信號(hào)。每個(gè)距離測試規(guī)定測試員改變閥位10次，觀察員記錄計(jì)算機(jī)接收信號(hào)次數(shù)，詳見表5。

表4 中繼器通信距離測試

表5 無線閥門監(jiān)測器通過中繼器轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的距離測試

*因空間限制，中繼器至監(jiān)測器直線距離之間有墻面障礙。

由上述測試數(shù)據(jù)可知：

a. 將閥門監(jiān)測器、中繼器和網(wǎng)關(guān)的無線信號(hào)發(fā)射功率設(shè)置在+20dBm(100mW)時(shí)，其有效無線通信距離可超過200m。在一跳中繼器的介入后，其有效通信距離可延伸至400m以上。從理論上講，假設(shè)有三跳中繼器介入，則無線信號(hào)的有效傳送距離可達(dá)800m以上。這種通信距離是比較適合工業(yè)閥門的遠(yuǎn)程監(jiān)測的。

b. 無線信號(hào)在空中傳送時(shí)，中間障礙物(移動(dòng)的汽車和行人)對(duì)信號(hào)的影響較大，可將中繼器或網(wǎng)關(guān)置于高位，如3.3小節(jié)所述的第三種距離測試辦法，可十分有效地避免中間的移動(dòng)障礙物對(duì)無線信號(hào)的影響。這在組建無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須注意。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

美國WSA工程系統(tǒng)公司是業(yè)內(nèi)熟知的水處理服務(wù)公司，專業(yè)從事全自動(dòng)管刷、膠球在線清洗系統(tǒng)業(yè)務(wù)。該公司首次將上述計(jì)算機(jī)無線閥門測控系統(tǒng)運(yùn)用于膠球在線清洗系統(tǒng)，其監(jiān)控界面如圖4所示。采用了計(jì)算機(jī)無線閥門測控系統(tǒng)后，不僅省去了原設(shè)計(jì)中的大量電纜線和繼電器過程控制箱，而且系統(tǒng)安裝和調(diào)試非常便捷。該系統(tǒng)運(yùn)行至今，其監(jiān)控效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，深受WSA工程師們的好評(píng)。

圖4 膠球在線清洗系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面

常熟市華夏儀表有限公司和無錫埃費(fèi)爾智控儀器制造有限公司也相繼在其生產(chǎn)流水線上投用了計(jì)算機(jī)無線閥門監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程的大量開關(guān)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)無線監(jiān)測和診斷，均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié)束語

在工業(yè)管道流體自動(dòng)控制中，由于工業(yè)現(xiàn)場

的復(fù)雜性，采用電纜線傳送閥位信號(hào)不僅要花費(fèi)大量資金，還得面對(duì)施工布線時(shí)的各種困難和麻煩。為此，無錫圣漢斯氣動(dòng)控制器進(jìn)出口有限公司組織技術(shù)力量，對(duì)無線閥門監(jiān)測器中的ZigBee無線通信模塊的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并引入“休眠叫醒”機(jī)制，在保證ZigBee無線通信模塊干電池工作壽命達(dá)到3年以上的基礎(chǔ)上，將無線閥門監(jiān)測器的有效通信距離拓展到200m以上，提升了閥位測量技術(shù)的應(yīng)用效果和范圍。實(shí)驗(yàn)測試與工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用都表明：計(jì)算機(jī)無線閥門測控系統(tǒng)具有低成本、低功耗和高可靠性的優(yōu)勢，再加上ZigBee無線信號(hào)傳送距離拓展的新技術(shù)，必將在工業(yè)管道流體自動(dòng)控制領(lǐng)域中有良好的應(yīng)用前景。