工業(yè)電熨斗蒸汽發(fā)生器無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

薛家祥，恒功淳，龔 普，鄭照紅，陳 卓

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640）

熨燙在服裝行業(yè)對(duì)生產(chǎn)服裝的質(zhì)量十分重要。傳統(tǒng)服裝工廠熨燙工藝的高溫蒸汽都是采用集中供應(yīng)的方式，蒸汽溫度難以控制，同時(shí)也造成了大量的能源浪費(fèi)，污染環(huán)境的同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本。

在服裝廠采用獨(dú)立分散的小型電加熱蒸汽發(fā)生器能高效地使用蒸汽，節(jié)約能源、降低成本。這時(shí)各個(gè)獨(dú)立的小型蒸汽發(fā)生器的自動(dòng)控制和集中監(jiān)測(cè)對(duì)提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性就顯得十分重要。不同的布料最合適的熨燙蒸汽溫度也不同，控制蒸汽發(fā)生器的溫度對(duì)熨燙質(zhì)量有關(guān)鍵影響。

本文設(shè)計(jì)的電熨斗蒸汽發(fā)生器無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)線的各臺(tái)蒸汽發(fā)生器的工作狀態(tài)自動(dòng)控制，集中顯示，通過(guò)上位機(jī)無(wú)線設(shè)置各臺(tái)蒸汽發(fā)生器的蒸汽溫度，很好地滿足了服裝廠熨燙工藝的需求。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

電熨斗蒸汽發(fā)生器無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生器本體、自動(dòng)控制采集板、WiFi模塊、上位機(jī)4大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)Fig.1 Network communication diagram

各個(gè)獨(dú)立的小型電熨斗蒸汽發(fā)生器本體包含5 kW的加熱絲，220 V/50 Hz交流水泵和報(bào)警器3大裝置?？刂瓢逋ㄟ^(guò)繼電器控制3大裝置的工作狀態(tài)。并將狀態(tài)代碼通過(guò)WiFi模塊發(fā)送給上位機(jī)顯示。上位機(jī)可通過(guò)按鈕開(kāi)啟或關(guān)閉各蒸汽發(fā)生器是否進(jìn)入自動(dòng)控制的工作狀態(tài)及設(shè)置參考蒸汽壓力。

2 硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)電路由電源模塊、水位電極、蒸汽壓力變送器、驅(qū)動(dòng)電路、WiFi模塊和控制芯片組成?？刂菩酒捎梦⑿竟镜?位控制器PIC16F1823，該控制器通過(guò)水位檢測(cè)信號(hào)和蒸汽壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)電熨斗蒸汽發(fā)生器的自動(dòng)控制并與上位機(jī)通訊，其含有的A/D模塊、SCI模塊和I/O口數(shù)量能充分滿足控制需求，性?xún)r(jià)比高。控制板硬件整體框架如圖2所示。

圖2 控制板框架Fig.2 Control board framework chart

2.1 電源部分

220 V的交流市電經(jīng)過(guò)工頻變壓器及整流橋后產(chǎn)生24 V的直流電源。該直流電源為2線制壓力變送器及水位探針電路和繼電器電路供電；同時(shí)作為L(zhǎng)M7805L線性調(diào)壓器的輸入端產(chǎn)生5 V，1.5 A電源為PIC16F1823控制芯片[1]和運(yùn)放電路供電；5 V電壓經(jīng)過(guò)線性調(diào)壓器 ASM1173.3 產(chǎn)生 3.3 V，500 mA電源為WiFi通信模塊提供電源。

2.2 信號(hào)采樣部分

電熨斗蒸汽發(fā)生器的水位信號(hào)通過(guò)水位電極探針獲得，其簡(jiǎn)化示意圖如圖3所示。

圖3 水位檢測(cè)Fig.3 Water level detection chart

當(dāng)水位較低時(shí)探針1與探針2接通時(shí)經(jīng)過(guò)采樣整流電路1和比較電路1后A端輸出高電平，當(dāng)探針1與探針3接通時(shí)水位信號(hào)分為低水位，中水位和高水位經(jīng)過(guò)采樣整流電路2和比較電路2后B端輸出高電平?？刂菩酒ㄟ^(guò)獲得A，B端的電平信號(hào)判斷水位的狀態(tài)[2]，然后控制相應(yīng)的繼電器，改變電熨斗蒸汽發(fā)生器的工作狀態(tài)。狀態(tài)規(guī)則如表1所示。

表1 狀態(tài)規(guī)則Tab.1 State rule table

系統(tǒng)采樣用二線制壓力變送器采樣電熨斗蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽壓力。根據(jù)蒸汽壓力和蒸汽溫度的關(guān)系間接采樣出蒸汽發(fā)生器的蒸汽溫度。

蒸汽壓力和蒸汽溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系按照Antoine公式：

式中：T在290 K～500 K之間，單位為K；P單位為MPa。

變送器采用二線制壓力變送器具有線路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由電源為24 V直流電，經(jīng)變送器兩接線端與200 Ω的緊密電阻串聯(lián)，電阻兩端的電壓通過(guò)LM354運(yùn)放跟隨并限壓后由控制芯片的AD模塊采樣，轉(zhuǎn)化為蒸汽壓力信號(hào)。

2.3 無(wú)線通訊部分

控制芯片將本地電熨斗蒸汽發(fā)生器的狀態(tài)信息通過(guò)UART串口與WiFi模塊通訊。在多臺(tái)電熨斗蒸汽發(fā)生器的監(jiān)控系統(tǒng)中，將一WiFi模塊設(shè)為AP模式產(chǎn)生無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其他WiFi模塊和上位機(jī)加入該網(wǎng)絡(luò)，形成無(wú)線通訊系統(tǒng)。并將上位機(jī)設(shè)置為Severs模式，被監(jiān)控的電熨斗蒸汽發(fā)生器WiFi模塊設(shè)置為Client模式。由WiFi模塊通過(guò)透明傳輸方式將信息傳送給上位機(jī)監(jiān)控終端。WiFi模塊以ESNT公司的M12L64164A-7T為核心，外置3DB符合802.11b/g/n 協(xié)議 2.4 GHz天線，有效增大發(fā)射功率。在工廠環(huán)境條件下通信有效范圍為300 m左右，滿足生產(chǎn)需求[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制板軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制板采用PIC16F1823單片機(jī)為核心，程序編譯環(huán)境Mplab X8。下位機(jī)軟件流程如圖4所示。

圖4 控制軟件流程Fig.4 Controller software flow chart

自定義接收到WiFi數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

表2 接收指令幀數(shù)據(jù)格式Tab.2 Instruction set data format

起始字節(jié)定義為0xfe，幀尾字節(jié)定義為0x16，在工廠條件下一組系統(tǒng)最多容納9臺(tái)電熨斗蒸汽發(fā)生器，地址字節(jié)定義為0xA0，0xA1……0xAC。命令字節(jié)定義為0xC0關(guān)閉蒸汽設(shè)備工作，0xC1開(kāi)啟蒸汽設(shè)備工作。由地址字節(jié)和命令字節(jié)做或運(yùn)算后的字節(jié)作為自校驗(yàn)字節(jié)[4]。當(dāng)正確接收完整的數(shù)據(jù)時(shí)CMD＝＝0x04，如果未能正確接收數(shù)據(jù)則CMD＝＝0x00.

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)軟件采用Visual studio中的C#語(yǔ)言編寫(xiě)[5]。其可視化編程方式可以比較方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控界面。軟件基本流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件流程Fig.5 PC software flow chart

本系統(tǒng)采用輪循的方式向各下位機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，當(dāng)下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)并判斷地址位為本機(jī)地址時(shí)，通過(guò)WiFi模塊以無(wú)線的方式向本機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)幀的格式如表3所示。

PIC16F1823內(nèi)置10位ADC采樣模塊，存儲(chǔ)在2個(gè)8位寄存器中。數(shù)據(jù)1為采樣高8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)2為采樣低8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)3為本地蒸汽發(fā)生器的工作狀態(tài)。加水、加水且加熱、加熱、報(bào)警4種工作狀態(tài)分別表示為 0xc0，0xc1，0xc2，0xc3。

上位機(jī)系統(tǒng)每隔10 ms發(fā)送并接收一幀數(shù)據(jù)。根據(jù)接收數(shù)據(jù)中電熨斗蒸汽發(fā)生器的狀態(tài)信息立即更新監(jiān)控顯示界面。而對(duì)于接收到的蒸汽壓力采樣值若立即顯示，則會(huì)由于信號(hào)的干擾或者蒸汽壓力本身的輕微波動(dòng)引起顯示數(shù)據(jù)的不斷跳動(dòng)，不利于觀察和正確表達(dá)蒸汽壓力[6]。因此針對(duì)便于觀察和正確穩(wěn)定表示蒸汽壓力的需求，對(duì)下位機(jī)每收到一次上位機(jī)的信號(hào)便進(jìn)行10次壓力采樣，每次采樣結(jié)果記為Zi然后將大于1024的采樣型號(hào)剔除，剩余數(shù)值的平均值Ni發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)同樣采用平均值濾波的方式求接受到的10次信號(hào)的平均值X，蒸汽壓力值為P，k為壓力和電壓檢測(cè)電壓之間的換算系數(shù)，計(jì)算公式為

當(dāng)蒸汽壓力大于參考值5%時(shí)屏蔽蒸汽發(fā)生器的加熱功能。當(dāng)蒸汽壓力小于設(shè)定值5%時(shí)開(kāi)啟加熱功能，從而穩(wěn)定蒸汽壓力在一定的范圍內(nèi)。

對(duì)于9臺(tái)熨燙蒸汽發(fā)生器組成的監(jiān)控系統(tǒng)。每輪詢(xún)一次所需要的時(shí)間為90 ms，10次所需要的時(shí)間為0.9 s。每隔0.9 s調(diào)整一次蒸汽壓力顯示，既能滿足壓力及時(shí)正確監(jiān)控的要求，濾除了由于外界干擾引起的瞬時(shí)波動(dòng)，又能符合人性化的觀察需求。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 控制板實(shí)物

控制板實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 控制板實(shí)物圖Fig.6 Control board realy picture

該電路板采用雙層板，同時(shí)將WiFi模塊置于電路板上方方便安裝、節(jié)省空間。

4.2 上位機(jī)監(jiān)控界面

如圖7所示，該界面可同時(shí)監(jiān)控9臺(tái)電熨斗的工作狀態(tài)。每臺(tái)機(jī)器由3個(gè)狀態(tài)燈顯示其工作狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入加水狀態(tài)時(shí)加水狀態(tài)燈由灰色轉(zhuǎn)為綠色，當(dāng)進(jìn)入加熱狀態(tài)時(shí)加熱狀態(tài)燈由灰色轉(zhuǎn)為紅色，出現(xiàn)規(guī)定狀態(tài)之外的異常狀態(tài)時(shí)報(bào)警狀態(tài)由灰色轉(zhuǎn)為黃色。在輸入壓力框中輸入需要達(dá)到的蒸汽壓力，在返回?cái)?shù)據(jù)框中顯示該電熨斗實(shí)際的蒸汽壓力。

圖7 軟件監(jiān)控界面Fig.7 PC monitoring interface

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)服裝行業(yè)的熨燙工藝，設(shè)計(jì)了一套熨燙蒸汽發(fā)生器工作轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。以PIC16F1823為核心的控制板，既作為蒸汽發(fā)生器的控制器，也作為將蒸汽發(fā)生器工作狀態(tài)與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)采集器。采用WiFi模塊與控制器進(jìn)行異步串行通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，然后再通過(guò)WiFi模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊。WiFi模塊通訊穩(wěn)定，覆蓋范圍能夠滿足工廠現(xiàn)場(chǎng)通訊的環(huán)境。上位機(jī)界面簡(jiǎn)潔明了。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了服裝工廠熨燙環(huán)節(jié)的各熨燙平臺(tái)的總體控制，有利于提高生產(chǎn)效率和熨燙質(zhì)量及節(jié)約能源。測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性符合監(jiān)控要求。

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