電動(dòng)調(diào)節(jié)閥無線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，信息化系統(tǒng)的移動(dòng)化需求越發(fā)強(qiáng)烈，在人員大幅減少的條件下，需要設(shè)備系統(tǒng)向智能化邁進(jìn)。冶金企業(yè)排水管線較長(zhǎng)，每天操作人員需乘車進(jìn)行巡檢、操作，大部分重要區(qū)域已實(shí)現(xiàn)PLC 控制，對(duì)于操作頻率不高、操作精度要求不高、位置偏遠(yuǎn)且未接入PLC 的閥門仍需崗位人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，為減輕操作負(fù)擔(dān)，確保安全，尋求最優(yōu)解決方案，設(shè)計(jì)一種基于數(shù)傳電臺(tái)的閥門無線遙控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥之間的控制及反饋，通過4～20 mA 電流信號(hào)控制現(xiàn)場(chǎng)閥門，包括控制信號(hào)和閥位反饋信，基于數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)，通過無線發(fā)射裝置、無線接收裝置，構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程電動(dòng)設(shè)備的控制。

以單臺(tái)閥門設(shè)備為例，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入智能無線數(shù)傳機(jī)ZNWP-01，當(dāng)需要控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，從計(jì)算機(jī)給定閥位，通過信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換器將信號(hào)傳遞給智能無線數(shù)傳機(jī)，智能無線數(shù)傳機(jī)設(shè)發(fā)射、接收端，接收端將接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào)輸出給調(diào)節(jié)閥；反饋信號(hào)用硬線送到模擬量輸入端，反饋信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換后由無線電臺(tái)發(fā)送到遠(yuǎn)程主站，經(jīng)信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換器傳遞給上位機(jī)［1］。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥無線遙控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥無線遙控系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)獨(dú)立占用一個(gè)計(jì)算機(jī)串口，在計(jì)算機(jī)上加裝控制軟件。另需增加智能無線數(shù)傳機(jī)一對(duì)。遠(yuǎn)程測(cè)控分站一個(gè)，遠(yuǎn)程通信隔離轉(zhuǎn)換器一個(gè)。

本系統(tǒng)分兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：（1）監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)：設(shè)置在監(jiān)測(cè)區(qū)域，探測(cè)節(jié)點(diǎn)上的傳感器定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)閥門閥位，向TransNET 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，將模擬信號(hào)傳給信號(hào)隔離采集器、信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換器，經(jīng)RS232接口與無線傳輸模塊相連，通過數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)。（2）上位機(jī)，測(cè)控中心的TransNET 網(wǎng)絡(luò)通過全向天線接收來自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，通過RS232 接口與上位機(jī)連接，測(cè)控中心服務(wù)器接收到網(wǎng)絡(luò)終端傳來的連接申請(qǐng)，先進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過后接受傳來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)接收和處理由上位機(jī)軟件進(jìn)行管理［2］。

3 硬件配置

無線傳輸系統(tǒng)采用的是“集中管理-分散監(jiān)測(cè)”，集散式報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)由中央管理工作站（終端監(jiān)控）、無線通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)終端、現(xiàn)場(chǎng)閥門控制器等組成。

系統(tǒng)中有一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)放在管理中心，設(shè)置一臺(tái)主站，與現(xiàn)場(chǎng)分站通訊，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)閥門信號(hào)傳送到主站。

3.1 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分由信號(hào)隔離采集器和信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

信號(hào)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(hào)隔離采集。把閥位檢測(cè)輸出的4～20 mA信號(hào)接到該采集器的輸入端，提供給RS485通訊接口，可以實(shí)時(shí)采集閥位信號(hào)。

轉(zhuǎn)換器由直流24 V 供電，該轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)把RS485 信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232 信號(hào)，目的是與主站連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(shè)備、變流設(shè)備和其它裝置與供電系統(tǒng)隔離，獨(dú)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(tǒng)波動(dòng)，經(jīng)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(shè)備的安全和穩(wěn)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(hào)，每一路都獨(dú)立輸出直流24 V。

3.3 無線傳輸系統(tǒng)

無線傳輸系統(tǒng)采用的是“集中管理-分散監(jiān)測(cè)”，采用MDS900 電臺(tái)，該電臺(tái)具備跳頻擴(kuò)頻功能，傳輸距離可達(dá)到35 km，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。MDS TransNET 900 是專業(yè)的數(shù)傳電臺(tái)，工作于900～1 000 MHz 頻段，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，它的特點(diǎn)在于長(zhǎng)距離、穩(wěn)定、可靠。全雙工的工作模式，采用先進(jìn)的擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，采用了DSP 芯片，具有信道編碼，前向糾錯(cuò)功能。運(yùn)用了CPFSK 數(shù)字調(diào)制方式，相干解調(diào)，均衡軟判決等技術(shù)，大大提高了設(shè)備增益，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性，傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通數(shù)傳臺(tái)。設(shè)備本身為用戶提供一個(gè)115.2 K的串口，串口RS-232/RS-485 可選，本設(shè)計(jì)由串口RS-232接入。

3.4 全向天線

在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，在垂直方向圖上表現(xiàn)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(dòng)通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用于郊縣大區(qū)制的站型，覆蓋范圍大［3］。全向天線可以接受來自各個(gè)角度的信號(hào)并向各個(gè)角度發(fā)射信號(hào)，應(yīng)用范圍廣泛，大部分無線產(chǎn)品都是將全向天線作為設(shè)備上的標(biāo)準(zhǔn)配置。全向天線在各個(gè)方向上的延伸性是一樣的，這些信號(hào)疊加后最終組成了一個(gè)以天線為球心的球體。

3.5 上位監(jiān)控系統(tǒng)

由一臺(tái)主機(jī)來接收MDS900 主站提供的數(shù)據(jù)，通過RS232接入主機(jī)，監(jiān)測(cè)閥門檢測(cè)點(diǎn)、輸出閥位窗口、實(shí)時(shí)閥位數(shù)據(jù)反饋、人機(jī)界面、與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件基于WINDOWS 平臺(tái)，界面采用動(dòng)態(tài)畫面和區(qū)域圖動(dòng)態(tài)畫面，人機(jī)界面友好，功能強(qiáng)大，管理人員借助監(jiān)控系統(tǒng)軟件，通過區(qū)域圖界面遠(yuǎn)程操作并觀察閥位。如圖2所示。

圖2 閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)

由圖2可知，設(shè)置界面菜單有兩個(gè)二級(jí)菜單，分別是：安裝地點(diǎn)名稱設(shè)置、串口設(shè)置。

安裝地點(diǎn)名稱設(shè)置是閥門所在管網(wǎng)地理位置名稱；串口設(shè)置是接收或發(fā)送無線裝置的RS232 口設(shè)置。

實(shí)時(shí)顯示界面顯示給定數(shù)值和閥位反饋數(shù)值。操作人員能夠從遠(yuǎn)程操作閥門，并觀察閥位運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)約時(shí)間、節(jié)省人力、保證排水系統(tǒng)正常運(yùn)行［4］。

遠(yuǎn)程監(jiān)控站是專用的監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

（1）實(shí)時(shí)性——現(xiàn)場(chǎng)的氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器，每秒采集一次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，每2 s對(duì)整個(gè)管網(wǎng)所有閥門實(shí)現(xiàn)一次數(shù)據(jù)采集。

（2）實(shí)用性——操作方便，便于維護(hù)、更新、管理。

（3）應(yīng)急性——可遠(yuǎn)程操作，便于應(yīng)急指揮。

（4）安全性——有歷史數(shù)據(jù)，便于事后分析，查找隱患、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；代替人員手動(dòng)操作。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用跳頻電臺(tái)無線網(wǎng)絡(luò)，把廠區(qū)內(nèi)連續(xù)性要求不高且距離偏遠(yuǎn)、操作不頻繁的閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較強(qiáng)、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以有效節(jié)省人力物力，節(jié)約在線控制設(shè)備費(fèi)用，節(jié)省了敷設(shè)控制線纜的材料及施工費(fèi)用。該系統(tǒng)的投入使用，改變了以往依靠人工驅(qū)車進(jìn)行手動(dòng)操作的管理管理模式，實(shí)現(xiàn)了閥門控制系統(tǒng)集中監(jiān)控，極大的提高了管道區(qū)域生產(chǎn)管理水平，改善了生產(chǎn)管理模式。對(duì)于此類位置偏遠(yuǎn)、附近無PLC 等控制設(shè)備的閥門操作具有較大的實(shí)用價(jià)值。