基于ZigBee技術(shù)的鍋爐焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

侯建勤，陳俊杰

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

鍋爐制造的主要制造工藝為焊接。鍋爐筒體和管道均為全焊結(jié)構(gòu)，焊接工作量非常大，焊接的質(zhì)量將直接影響整個(gè)工程的質(zhì)量。焊接生產(chǎn)管理人員不可能到工廠時(shí)刻查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)等信息，容易造成部分設(shè)備無生產(chǎn)任務(wù)卻長(zhǎng)時(shí)間處于開機(jī)或工作狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備利用率，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，產(chǎn)品的質(zhì)量也得不到保證。這會(huì)導(dǎo)致一次成品率下降，生產(chǎn)效益降低。本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的焊接參數(shù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)采集焊機(jī)的電壓、電流、鍋爐筒體預(yù)熱溫度、層間溫度和后熱溫度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，立即觸發(fā)警報(bào)并斷開焊機(jī)電源，為焊接質(zhì)量的一致性和可追溯性提供了依據(jù)，對(duì)整個(gè)制造行業(yè)的數(shù)字化生產(chǎn)起到了極大的推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的基于ZigBee技術(shù)的鍋爐焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

傳感器有電流傳感器、紅外測(cè)溫傳感器和熱電偶測(cè)溫傳感器。電流傳感器主要負(fù)責(zé)采集大電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為0～4 V的電壓信號(hào)；紅外測(cè)溫傳感器[1]主要負(fù)責(zé)采集鍋爐筒體環(huán)縫焊接時(shí)的溫度信號(hào)并轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)；熱電偶傳感器[2]主要負(fù)責(zé)采集鍋爐縱縫筒體焊接時(shí)，其表面一直有焊劑覆蓋、用紅外測(cè)溫不準(zhǔn)的溫度信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為RS-485通信的數(shù)字信號(hào)。以上轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分別通過有線的方式與焊接參數(shù)采集設(shè)備進(jìn)行連接。焊接參數(shù)采集設(shè)備內(nèi)部集成了ZigBee終端模塊和數(shù)字輸出模塊，不但將接收的數(shù)據(jù)以ZigBee的方式通過路由設(shè)備上傳到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字輸出模塊，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)超過某段時(shí)間之后就驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器斷開焊機(jī)電源。上傳到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析之后，通過內(nèi)置的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊以以太網(wǎng)的形式上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控中心和工藝處辦公室屬于整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)管理平臺(tái)，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)分析、處理及存儲(chǔ)。用戶通過不同的權(quán)限可以查詢或者修改焊接參數(shù)的相關(guān)限值，通過輸入不同的時(shí)段，也可查看或打印歷史報(bào)表和相關(guān)報(bào)警記錄。

2 網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到焊接車間焊件的移動(dòng)非常頻繁，為了保證在焊接過程中能進(jìn)行靈活、及時(shí)地采集和分析，需要整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)具有很好的自組織性和自適應(yīng)性，以及可重構(gòu)的能力。ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有一種特殊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)。它的特征是：只要構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)足夠多，無論其具體物理位置的分布如何，皆可按照預(yù)先設(shè)定的信源和目的地，根據(jù)無線傳輸?shù)漠?dāng)前狀態(tài)，從可能的多個(gè)路徑中選擇一個(gè)不受干擾的多跳傳輸方式，從而保證子節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)加入和退出。因此，在車間內(nèi)部采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3-5]。通過三種網(wǎng)絡(luò)角色實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的傳送，傳感器與焊接參數(shù)采集設(shè)備通過有線方式連接，焊接車間與上位機(jī)管理平臺(tái)之間通過局域以太網(wǎng)的有線方式進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是指焊接參數(shù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)。為了保證設(shè)備的通用性，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。

3.1 焊接參數(shù)采集設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

焊接參數(shù)采集設(shè)備主要完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)的采集、焊機(jī)焊接電壓的采集和數(shù)據(jù)上傳功能。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)乃俣?、信?hào)的信噪比以及采集系統(tǒng)的抗干擾性能是設(shè)計(jì)該設(shè)備要考慮的主要因素。焊接參數(shù)采集設(shè)備硬件主要包括電源管理模塊、CPU處理模塊、焊接參數(shù)采集模塊、ZigBee通信模塊、RS-485通信模塊和數(shù)字輸出模塊，原理框圖如圖2所示。

圖2 焊接參數(shù)采集設(shè)備原理框圖

電源管理模塊采用100～240 VAC寬電壓的輸入范圍，能承受300 VAC輸入5 s，內(nèi)部具有短路保護(hù)功能。為了方便對(duì)電流傳感器的進(jìn)行供電，焊接參數(shù)采集設(shè)備對(duì)外輸出電壓±15 V且供電功率大于1 W。

CPU處理模塊采用ST 公司推出的、基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的微控制器STM32F103RBT6，內(nèi)置128 kB的Flash存儲(chǔ)器以及20 kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還集成了USART通信口、SPI接口等多種資源。時(shí)鐘頻率最高可以達(dá)到72 MHz，運(yùn)算速度快。復(fù)位電路包括硬件復(fù)位電路和軟件復(fù)位電路。硬件復(fù)位電路采用ADM706芯片，能保證在軟件運(yùn)行出現(xiàn)問題時(shí)可靠復(fù)位；軟件復(fù)位電路通過復(fù)位寄存器SYSRESETRQ位實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為了保證穩(wěn)定性，在核心板上加載了鐵電存儲(chǔ)器，即使在掉電的情況下，也能保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不丟失。

焊接參數(shù)采集模塊實(shí)現(xiàn)了0～100 V的電壓、4～20 mA的電流和0～4 V電壓輸入。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)電阻分壓的原理，選擇432 kΩ和18 kΩ的電阻對(duì)輸入電壓進(jìn)行分壓，結(jié)合內(nèi)部電路設(shè)計(jì)原理，可滿足輸入電壓范圍0～100 V的要求；根據(jù)電阻采樣原理，在電流輸入端并聯(lián)100 Ω電阻[9]，滿足4～20 mA電流輸入要求。為了兼容0～4 V電壓信號(hào)的輸入，電路設(shè)計(jì)時(shí)引入了撥碼開關(guān)，便于根據(jù)需求轉(zhuǎn)換。同時(shí)，在每一路分別采用高達(dá)2 kV/60 s的隔離器件，實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道的點(diǎn)點(diǎn)隔離；考慮到熱死TIG焊機(jī)，在起弧瞬間，電壓高達(dá)上萬伏，一般的電子器件難以承受。在本設(shè)計(jì)中，在電壓輸入回路中串聯(lián)兩個(gè)耐壓高達(dá)20 kV的隔離器，保證了在起弧瞬間采集設(shè)備與焊機(jī)電源的完全隔離。同時(shí)，為了保證采樣精度滿足0.1%F.S，A/D轉(zhuǎn)換采用了24位的轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)470 Hz,穩(wěn)壓器件采用了只有20×10-6/℃低溫漂器件。為了防止浪涌等大電壓信號(hào)進(jìn)入設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)，在采集輸入端口并聯(lián)了靜電放電管(electro static discharge,ESD)、瞬態(tài)二極管(transient voltage suppresor,TVS)等保護(hù)器件。

ZigBee通信模塊采用在設(shè)備中內(nèi)置ZigBee終端模塊，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)管理平臺(tái)進(jìn)行通信，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的發(fā)送和上位機(jī)管理平臺(tái)對(duì)設(shè)備焊接參數(shù)配置的接收。

以太網(wǎng)通信模塊采用一種全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器和隔離式變壓器 RJ45插座實(shí)現(xiàn)通信。

RS-485通信模塊基于主從模式，為了保證系統(tǒng)的抗干擾性能和穩(wěn)定性能，系統(tǒng)采用完全隔離性485芯片實(shí)現(xiàn)隔離傳輸。為了防止浪涌沖擊及短路情況，在A、B各自對(duì)地端接6～8 V的TVS管，在A、B線上各串接一個(gè)10 Ω的正溫度系數(shù)熱敏電阻(positive temperature coefficient，PTC)。焊接參數(shù)采集設(shè)備作為主機(jī)與熱電偶測(cè)溫儀通過RS-485總線進(jìn)行通信，同時(shí)，每個(gè)主機(jī)上可以掛載多個(gè)熱電偶測(cè)溫儀。本設(shè)計(jì)中，采用四個(gè)熱電偶探頭等間距吸附在筒體表面，每個(gè)主機(jī)上掛載四個(gè)熱電偶測(cè)溫儀。

控制模塊采用達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)機(jī)械繼電器的方式進(jìn)行輸出控制[8]，通過CPU輸出信號(hào)直接控制驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803A。ULN2803A的每個(gè)通道都具有最高500 mA電流的輸出能力，輸出電壓最大達(dá)50 V，是非常適合邏輯接口電平的數(shù)字電路和需要較高的電流/電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。 繼電器選用PCN105D3MHZ，外接負(fù)載可承受高達(dá)3 A的電流輸入，可用于控制報(bào)警設(shè)備和驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器斷開焊機(jī)電源。

3.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)主要包括電源管理模塊、CPU處理模塊、ZigBee通信模塊、RS-485通信模塊、RS-232通信模塊、USB通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊。其中，電源管理模塊、CPU處理模塊、ZigBee通信模塊、RS-485通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊延用焊接參數(shù)采集設(shè)備的硬件電路，減少研發(fā)時(shí)間。USB通信模塊采用FT8U232BM芯片，與CPU之間通過串口進(jìn)行通信，RS-232通信模塊采用MAX232芯片，用于讀取ZigBee芯片的參數(shù)配置及ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)信息。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括焊接參數(shù)采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)管理平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)三部分。

4.1 焊接參數(shù)采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

開發(fā)環(huán)境考慮到KEIL MDK5更好用、更簡(jiǎn)潔，焊接參數(shù)采集設(shè)備采用C語言進(jìn)行編程，不僅完美兼容KEIL4，安裝好以后不用任何設(shè)置即可使用以前用KEIL4做的工程，而且串行調(diào)試(serial wire debug，SWD)下載速度提升到了50 MB，可有效提升開發(fā)進(jìn)度。選用KEIL MDK5為軟件開發(fā)和調(diào)試平臺(tái)。焊接參數(shù)采集設(shè)備軟件流程如圖3所示。

圖3 焊接參數(shù)采集設(shè)備軟件流程圖

首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并打開中斷，接著ZigBee節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，當(dāng)焊接電流大于0時(shí)，啟動(dòng)電壓采集通道，讀取所有傳感器的參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示，并通過ZigBee定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。一旦電流為0，立即斷開電壓采集通道。同時(shí)，當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)異常時(shí)，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警設(shè)備，并發(fā)送錯(cuò)誤類型代碼給網(wǎng)關(guān)，以便確認(rèn)傳感器問題還是焊接參數(shù)問題。為了兼容不同傳感器，模擬通道采用標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA或者0～10 V信號(hào)輸入，RS-485通信采用Modbus-RTU協(xié)議作為設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)備的主要實(shí)現(xiàn)功能是建立無線網(wǎng)絡(luò)、分配ZigBee節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址、向ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息、接收節(jié)點(diǎn)上傳的采集信息，并將收到的數(shù)據(jù)從ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換為ModbusRTU協(xié)議[6-7]或者OPC客戶端協(xié)議。本系統(tǒng)采用Modbus協(xié)議通過以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，采用靜態(tài)管理地址綁定數(shù)組，將ZigBee中16 位短地址與Modbus 從站地址綁定，從而實(shí)現(xiàn)Modbus 主、從各節(jié)點(diǎn)之間地址定向。系統(tǒng)不適合動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，在需要?jiǎng)討B(tài)組網(wǎng)的場(chǎng)合，需要更新網(wǎng)管軟件，或采用OPC客戶端協(xié)議，可大大減少網(wǎng)關(guān)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)的代碼量。同時(shí)，為了防止軟件進(jìn)入死循環(huán)，在程序中增加了軟件看門狗功能；為了防止數(shù)據(jù)通信錯(cuò)誤，增加了數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備軟件流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)設(shè)備軟件流程圖

4.3 上位機(jī)管理平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)的鍋爐焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)管理平臺(tái)是基于組態(tài)軟件平臺(tái)開發(fā)，界面直觀、操作方便、穩(wěn)定性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括實(shí)時(shí)參數(shù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、診斷及報(bào)警、焊接參數(shù)設(shè)置、分析和報(bào)表和遠(yuǎn)程Web監(jiān)控等[6-10]。

圖5 上位機(jī)管理平臺(tái)軟件功能框圖

①實(shí)時(shí)參數(shù)采集功能：實(shí)時(shí)采集并顯示焊機(jī)的焊接電壓、電流、鍋爐筒體的預(yù)熱溫度及層間溫度，并能實(shí)時(shí)繪制曲線。

②歷史數(shù)據(jù)查詢功能：選定需要查看的變量及查看時(shí)間，就可以顯示其選定參數(shù)在選定時(shí)間內(nèi)的歷史曲線和歷史數(shù)據(jù)。

③診斷及報(bào)警功能：當(dāng)焊機(jī)的焊接電壓、電流、鍋爐筒體的預(yù)熱溫度及層間溫度超過工藝規(guī)定的要求，則實(shí)時(shí)報(bào)警，并能查詢歷史報(bào)警記錄。

④焊接參數(shù)設(shè)置功能：根據(jù)不同工藝規(guī)定要求，可靈活的設(shè)置焊接參數(shù)報(bào)警的上下限。

⑤分析和報(bào)表功能：可生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、季度報(bào)表、年報(bào)表等，便于歸檔。

⑥遠(yuǎn)程Web監(jiān)控功能：根據(jù)不同的登錄權(quán)限，開放不同的遠(yuǎn)程Web監(jiān)控功能，最高權(quán)限的賬號(hào)可以在IE瀏覽器上操作本軟件的所有功能，如同本地操作一樣。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的鍋爐焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，不僅能夠有效解決現(xiàn)場(chǎng)布線的問題，還能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控焊機(jī)的電壓、電流以及鍋爐筒體的預(yù)熱溫度、層間溫度和后熱溫度；同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以保證焊縫的質(zhì)量、減少返修率和質(zhì)檢人員成本，從而有效降低能源浪費(fèi)，提升公司的經(jīng)濟(jì)效益，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造行業(yè)的數(shù)字化生產(chǎn)起到了極大的推動(dòng)作用。