基于ZigBee的電鍍生產(chǎn)線溫度集中監(jiān)控系統(tǒng)

薛迪杰 ，陳 軍 ，陳景召 ，2

（1.鄭州西亞斯學院電子信息工程學院，河南鄭州451150；2.武漢科技大學冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北武漢430081）

在電鍍生產(chǎn)過程中，要經(jīng)過除油、水洗、酸洗浸蝕、電鍍、烘干等步驟，這些步驟往往都需要對溫度進行監(jiān)測和控制，溫度甚至是影響電鍍質(zhì)量和表面處理效率的重要因素［1］。目前，對于電鍍生產(chǎn)過程中需要溫度控制的部位，多數(shù)企業(yè)仍采用人工對溫度進行獨立調(diào)控的生產(chǎn)模式，由于溫度具有時變性、非線性和滯后性的特點，人工調(diào)控模式不僅很難實現(xiàn)溫度精準控制，而且電鍍過程中鍍液也會對人的身體造成一定程度的傷害；另外，每個需要監(jiān)控溫度的槽位，都需要鋪設(shè)線纜，尤其對于規(guī)模較大的龍門式電鍍生產(chǎn)線，需要監(jiān)控溫度的槽位較多，距離較遠，如果布置有線網(wǎng)絡(luò)，會造成現(xiàn)場線纜較多，布線較為混亂的問題，并且鋪設(shè)成本往往較高，后期可維護性和可擴展性較差［2］。

針對電鍍生產(chǎn)有線溫度測控網(wǎng)絡(luò)存在的以上問題，利用ZigBee 技術(shù)和MCGS 組態(tài)軟件對傳統(tǒng)測溫方式進行了改進，設(shè)計了一種基于ZigBee 的電鍍生產(chǎn)線無線溫度集中監(jiān)測和控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在主控制室通過計算機組態(tài)系統(tǒng)實時監(jiān)測和控制相應(yīng)槽位的溫度。

課題基于河南省科技攻關(guān)與校企合作項目，針對河南省焦作市某五金鎖具電鍍生產(chǎn)線的設(shè)備改造工程，進行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠程組態(tài)技術(shù)的應(yīng)用研究，分別完成了實驗室初試與小規(guī)模中試，并達到了預期效果。

1 系統(tǒng)構(gòu)架和實現(xiàn)原理

電鍍生產(chǎn)線無線溫度監(jiān)測和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)分上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和溫度測控終端。各溫度測控終端均與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過ZigBee 建立無線網(wǎng)絡(luò)，并進行通信，將測控終端數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再采用Modbus 協(xié)議，通過RS-485 總線，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，顯示各個測控終端的溫度［3］。用戶也可以在上位機組態(tài)系統(tǒng)上，設(shè)置各測控終端溫度，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送至各溫度測控終端，控制現(xiàn)場溫度，從而實現(xiàn)對各節(jié)點溫度的監(jiān)測和控制。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 System block diagram

2 上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

采用昆侖通態(tài)MCGS 組態(tài)軟件組建系統(tǒng)的人機交互界面。由于MCGS 中沒有預置單片機設(shè)備驅(qū)動，為了MCGS 和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中的單片機可以正常進行通信，需要對MCGS 進行配置。系統(tǒng)選用MCGS 中的莫迪康ModBusRTU 設(shè)備構(gòu)件，在MCGS中添加“串口通信父設(shè)備”，設(shè)置串口通訊端口為COM1，通訊采用9600的波特率，采用8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗功能，數(shù)據(jù)采集模式設(shè)為異步［4］。在組態(tài)系統(tǒng)界面上分別添加相關(guān)按鈕元件、指示元件、數(shù)據(jù)曲線顯示模塊、報警信息顯示模塊等，組建成一個較為完善的人機交互界面。在人機界面上可以實時顯示各個電鍍槽位的溫度，通過曲線顯示溫度的變化過程，并將這些溫度數(shù)據(jù)存儲到計算機數(shù)據(jù)庫中，方便后期查閱歷史數(shù)據(jù)。在組態(tài)系統(tǒng)中還加入了溫度設(shè)置功能，可以設(shè)置各溫度測控終端的溫度，并將設(shè)置指令和數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送至溫度測控終端，終端接收到指令后，對溫度實施恒溫控制。界面還設(shè)置有超溫度閾值報警功能，當溫度誤差超出閾值范圍，對應(yīng)槽位下邊的報警指示燈會閃爍。上位機組態(tài)系統(tǒng)界面如圖2所示。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

圖2 上位機組態(tài)系統(tǒng)界面Fig.2 Configuration system interface of host computer

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的核心，是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點，連接著上位機和溫度測控終端。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由控制芯片STM32F103ZET6 和無線ZigBee模塊CC2420組成，其主要作用是依據(jù)RS-485 總線模式，采用Modbus 協(xié)議與上位機計算機通信，接收指令發(fā)送數(shù)據(jù)。同時通過ZigBee 模塊CC2420 與溫度測控終端進行通信，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器利用STM32F103ZET6 單片機的串口實現(xiàn)與上位機的通信。由于上位機MCGS 系統(tǒng)采用的是Modbus 協(xié)議，因此單片機需要設(shè)置與上位機相兼容的Modbus 通訊協(xié)議。設(shè)計中采用STM32F103ZET6 串口的8 位異步通信方式，通訊的波特率與上位機保持一致，故設(shè)置為9600 的波特率。依據(jù)ModBus 協(xié)議，單片機在接收到上位機發(fā)出的查詢指令后，需要應(yīng)答，且應(yīng)答的數(shù)據(jù)幀也需要符合ModBus 的協(xié)議要求。上位機在接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)幀后，會對數(shù)據(jù)進行CRC-16 校驗，若上位機計算得到的校驗碼和單片機應(yīng)答的校驗碼一致，則表示數(shù)據(jù)傳輸正確，否則上位機會請求單片機重新應(yīng)答發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)計中采用查表的方式驗證循環(huán)冗余校驗碼。單片機返回數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 單片機返回數(shù)據(jù)幀Tab.1 Data frame returned by MCU

4 溫度測控終端

溫度測控終端主要對現(xiàn)場溫度進行采集和控制，并通過無線模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，主要由STM32F103ZET6 單片機、溫度傳感器和CC2420 模塊組成。

4.1 溫度測控終端硬件設(shè)計

溫度的采集使用Dallas 公司的DS18B20 溫度傳感器，其測量溫度的精度可達到±0.5 ℃，測量溫度的范圍在?55 ℃～+125 ℃，分辨率達到0.0625 ℃，完全可以滿足所有鍍種鍍液溫度的監(jiān)測要求［5］。由于DS18B20 在工作時，芯片內(nèi)部直接進行A/D 轉(zhuǎn)換，輸出的是數(shù)字量，因此不需要復雜的A/D 轉(zhuǎn)換電路，單片機就可以對數(shù)據(jù)讀取和采集。DS18B20 采用單總線方式，只需要一條數(shù)據(jù)線就可以與單片機進行通訊。實際使用中，在數(shù)據(jù)線上加一個4.7 kΩ的上拉電阻，供電采用5.0 V。

由于終端既要采集控制溫度，還要通過CC2420 與上位機通信，故要求單片機有較快的處理速度，且還要有豐富的片上資源。因此系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 單片機作為終端的控制芯片，STM32F103ZET6 是基于Cortex-M3 ARM 內(nèi)核的32位微處理器，具有性能高、功耗低、成本低的特點［6］。 STM32F103ZET6 最 高 工 作 頻 率 可 達 72 MHz，芯片自帶串口和SPI接口，非常便于組建本系統(tǒng)控制電路，運算速度也完全滿足本電路設(shè)計要求。STM32F103ZET6 控制芯片一方面通過單總線和DS18B20 溫度傳感器通信，讀取數(shù)據(jù)，采集現(xiàn)場溫度，并根據(jù)PID 算法，計算溫度偏差，通過PWM接口控制可控硅加熱，實現(xiàn)恒溫控制。另一方面通過SPI 協(xié)議和CC2420 通信，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)，并通過CC2420接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2 溫度測控終端軟件設(shè)計

終端上電后，先進行系統(tǒng)的初始化，然后發(fā)出加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)請求，若請求不成功，則繼續(xù)循環(huán)請求。若請求加入成功，則與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)上位機發(fā)出的指令，采集鍍液溫度數(shù)據(jù)，然后結(jié)合PID 算法，通過調(diào)整PWM 控制可控硅，利用加熱棒，對鍍液溫度進行恒溫控制，并將采集的鍍液溫度數(shù)據(jù)再發(fā)送給上位機，最后進行掃描檢測，判斷發(fā)送是否成功，若不成功則繼續(xù)發(fā)送。程序流程圖如圖3所示。

圖3 溫度測控終端程序流程圖Fig.3 Program flow chart of temperature measurement and control terminal

5 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與組建

系統(tǒng)采用兼容IEEE 802.15.4 協(xié)議的Zigbee CC2420 無線收發(fā)模塊搭建和組網(wǎng)，具有低成本、低功耗、抗干擾能力強的特點，CC2420 內(nèi)部設(shè)置有標準 8051 內(nèi)核，片內(nèi)設(shè)有 ROM 和 RAM，預置了 SPI 接口，可方便組網(wǎng)與拓展，實現(xiàn)遠程通信和自動控制［7］。 ZigBee 的 開 發(fā) 采 用 IAR Embedded Work-bench 7.51平臺，使用C語言進行編程。

ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊應(yīng)用于本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和溫度測控終端兩部分。系統(tǒng)利用ZStack 協(xié)議棧進行組網(wǎng)，組成星型結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)上電開始運行后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器先進行初始化，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，接著進行信道的掃描，掃描到信道后，組建網(wǎng)絡(luò)并監(jiān)測是否有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)，收到請求加入網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)地址空間的大小，決定是否允許節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)；如果允許，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將分配16 位的網(wǎng)絡(luò)地址給測控節(jié)點，形成自組織網(wǎng)絡(luò)。當以上網(wǎng)絡(luò)搭建全部完成后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)上位機的指令，向溫度測控節(jié)點發(fā)送溫度設(shè)置和采集指令，并接收來自溫度測控終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過RS-485總線，傳送給上位機計算機，數(shù)據(jù)處理后，顯示在組態(tài)系統(tǒng)上。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程圖Fig.4 Program flow chart of network coordinator

6 系統(tǒng)測試和結(jié)果分析

該系統(tǒng)已完成了實驗室初試及現(xiàn)場的小規(guī)模中試，在中試階段，系統(tǒng)部署于河南省焦作市某公司的12 及56 系列U 型鎖組件的電鍍生產(chǎn)線上。具體的操作為在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，增設(shè)了中控室，其中部署了上位機與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，二者通過RS-485進行連接并實時交互數(shù)據(jù)。此外，設(shè)置了5 個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，對電鍍生產(chǎn)線上需要恒溫控制的1 個水洗槽、1 個除油槽、3 個電鍍槽進行監(jiān)測和控制，每個節(jié)點距離網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器均在40 m以上。開機10 min 后現(xiàn)場對溫度進行實際測量，并與設(shè)置溫度和組態(tài)上采集到的溫度相對比，測試結(jié)果如表2 所示。經(jīng)測試，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)通信良好，溫度測控終端對各槽位恒溫控制穩(wěn)定，計算機組態(tài)系統(tǒng)顯示的溫度與實際鍍槽鍍液溫度一致。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.2 System test results

根據(jù)電鍍生產(chǎn)工藝和工廠生產(chǎn)需求，使上述系統(tǒng)長期工作于電鍍生產(chǎn)線上，測試結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場分布式溫度測量和控制方案，由于該系統(tǒng)溫度測控終端引入了PID 控制算法，溫度監(jiān)測及控制的準確度較之前大幅度提高。該系統(tǒng)在現(xiàn)場長期運行表現(xiàn)穩(wěn)定，Zigbee 網(wǎng)絡(luò)通信可靠，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。

7 結(jié)語

為了解決電鍍生產(chǎn)線溫度有線監(jiān)控系統(tǒng)，布線存在的局限、復雜、分散問題，采用ZigBee 無線技術(shù)，構(gòu)建了無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了電鍍生產(chǎn)線上多部位溫度的集中監(jiān)測控制。該系統(tǒng)硬件成本較低，溫度測控終端及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器單套成本在三十元左右。由于測控終端采用無線傳輸數(shù)據(jù)，不受空間位置約束，可靈活變換槽位，因此無需每個槽位都設(shè)置終端。使用過程中，可根據(jù)不同鍍種的工藝要求，僅在需要測溫的槽位設(shè)置測控終端，減少了終端設(shè)置的數(shù)量，一定程度上也降低了改造成本。整個系統(tǒng)在運行過程中功耗較低，運行成本較低，后期易于維護。該系統(tǒng)目前已在實際電鍍生產(chǎn)線上完成了小規(guī)模中試，運行效果良好，提高了電鍍表面處理效率，為電鍍提供了更加有利的條件，保障了電鍍質(zhì)量，待進一步測試后，可大規(guī)模應(yīng)用至電鍍生產(chǎn)中。該系統(tǒng)還可加入電流、電壓檢測傳感器，對電鍍過程中電流和電壓的相關(guān)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)多參數(shù)的監(jiān)控。