Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在門(mén)式起重機(jī)上的應(yīng)用

賈志平1 高天水2 賈 輝2

1 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院 2 邯鄲國(guó)際陸港有限公司

摘 要：設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的門(mén)式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警，并能提供歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，為設(shè)備的維護(hù)和修理帶來(lái)極大便利，也為管理層的實(shí)時(shí)決策提供依據(jù)，從而可實(shí)現(xiàn)港口企業(yè)的管控一體化。

關(guān)鍵詞：門(mén)式起重機(jī)； 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)； Zigbee

1 引言

門(mén)式起重機(jī)具有場(chǎng)地利用率高、適應(yīng)面廣、作業(yè)范圍大、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸及建筑施工等領(lǐng)域。隨著港口技術(shù)水平的不斷提升，對(duì)門(mén)式起重機(jī)的自動(dòng)化、智能化提出了越來(lái)越高的要求。為方便設(shè)備的管理與維修，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、安全數(shù)據(jù)及能耗參數(shù)。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種門(mén)式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在原有PLC——變頻器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，獲得了較好的使用效果。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

門(mén)式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的一部分，非獨(dú)立產(chǎn)品[1]，要同時(shí)滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)要求：

(1)系統(tǒng)需要有高可靠性。門(mén)式起重機(jī)作為特種設(shè)備，是安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，必須要保證長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)需具備一定的先進(jìn)性。隨著企業(yè)智能化的不斷提升，對(duì)起重機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性提出了越來(lái)越高的要求。起重機(jī)監(jiān)控技術(shù)采用了數(shù)據(jù)總線(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及多媒體控制技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，保證了與企業(yè)管理系統(tǒng)的融合。

(3)需具有較好的交互性。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)提供清晰的交互畫(huà)面，便于設(shè)備操作人員在較短時(shí)間內(nèi)熟悉和掌握系統(tǒng)的操作和使用方法。硬件系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，元器件布置和選型合理，便于維修更換。

(4)系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)擴(kuò)展升級(jí)方便，增加節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單，滿(mǎn)足不同的起重機(jī)的使用需求。

2.2 設(shè)計(jì)方案

本監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)獲取途徑的不同分為兩大子系統(tǒng)：Zigbee無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和起重機(jī)監(jiān)控管理(CMS)系統(tǒng)。Zigbee無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括采集模塊及物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)終端模塊，采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)具體的物理量進(jìn)行采集，并將物理量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)終端模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZIgbee協(xié)調(diào)器[2]。系統(tǒng)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備開(kāi)機(jī)后，喚醒各節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作(見(jiàn)圖1)。

CMS系統(tǒng)包括上位機(jī)、主站(西門(mén)子S7-300)、從站(西門(mén)子ET200分布模塊、4個(gè)安川H1000變頻器)。主站與從站采用PROFIBUS通信，上位機(jī)與主站采用工業(yè)以太網(wǎng)通信。上位機(jī)為工業(yè)一體機(jī)，同時(shí)具備工控機(jī)及顯示器功能，可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于查詢(xún)。

圖1 Zigbee無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 Zigbee數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用的Zigbee數(shù)據(jù)傳輸模塊是一種基于IEEE802.15.4/Zigbee技術(shù)的嵌入式無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊，具體技術(shù)參數(shù)如下：

MCU芯片：工業(yè)級(jí)Zigbee芯片

戶(hù)外通信距離：500 m

發(fā)射功率：2.82 mW(+4.5 dBm)

通信理論帶寬：250 kbps

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、對(duì)等和Mesh網(wǎng)絡(luò)

工作電壓：2.0～3.6 V

3.2 采集模塊

3.2.1 模擬及數(shù)字I/O

Zigbee子系統(tǒng)采集的模擬量主要包括力傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器等，采集的數(shù)字量包括2個(gè)起升制動(dòng)器動(dòng)作限位。每個(gè)Zigbee模塊集成5路I/O口。2路數(shù)字I/O口。3路數(shù)字量與模擬量共用I/O口，模擬量I/O采集分辨率12位，電壓采集范圍為0～5VCC。共用I/O口在使用時(shí)需配置相應(yīng)參數(shù)，并使能I/O功能，引腳命令參數(shù)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 引腳命令參數(shù)說(shuō)明

引腳命令參數(shù)說(shuō)明0不使用1模擬量輸入2數(shù)字量輸入3數(shù)字輸出低電平4數(shù)字輸出高電平5脈沖計(jì)數(shù)

3.2.2 智能電表

智能電表是智能電網(wǎng)的智能終端，除具備傳統(tǒng)電表基本用電量的計(jì)量功能以外，還繼承了電流互感器、集成計(jì)量芯片、微處理器、溫補(bǔ)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)接口設(shè)備和人機(jī)接口等功能?？梢詫?lái)自電壓分壓器、電流互感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字積分計(jì)算，從而精確地獲得有功電量和無(wú)功電量。

本系統(tǒng)采用的電表具有2個(gè)獨(dú)立的RS485串口通信口，Zigbee模塊可通過(guò)串口通信接口讀取三相電壓、三相電流、三相功率因數(shù)、用電量、電源頻率、總有功電能、總功率因數(shù)、電源頻率等能量數(shù)據(jù)。

3.3 CMS系統(tǒng)

CMS系統(tǒng)基于原有控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。原控制系統(tǒng)采用Profibus網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，由S7-300作為主站，4個(gè)變頻器及1個(gè)遠(yuǎn)程柜中的ET-200M分布模塊作為從站。工業(yè)一體機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行通信，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，便于查詢(xún)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心、多個(gè)終端傳感器為節(jié)點(diǎn)組成。終端傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)控處理任務(wù)，定時(shí)發(fā)送傳感器信號(hào)；協(xié)調(diào)器上電后組建網(wǎng)絡(luò)并添加設(shè)備，其他設(shè)備節(jié)點(diǎn)上電后自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器自動(dòng)組網(wǎng)，終端傳感器節(jié)點(diǎn)和路由器的網(wǎng)絡(luò)地址由協(xié)調(diào)器按照地址分配算法統(tǒng)一分配。

4.1 終端傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集傳感器信號(hào)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，也可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的命令。節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)，未采集時(shí)處于休眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)在休眠期間，如果有外部中斷或定時(shí)器中斷，節(jié)點(diǎn)會(huì)恢復(fù)到工作狀態(tài)，開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)。事件響應(yīng)子流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 節(jié)點(diǎn)事件響應(yīng)子流程圖

進(jìn)入事件響應(yīng)程序，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的指令信息進(jìn)行動(dòng)作，若收到協(xié)調(diào)器傳來(lái)的命令，則執(zhí)行該命令，并返回；若協(xié)調(diào)器沒(méi)有發(fā)送命令，傳感器節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集。

4.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

上電后，協(xié)調(diào)器首先對(duì)系統(tǒng)硬件及軟件進(jìn)行初始化，再信道掃描，找到一個(gè)其他網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有使用的信道，建立網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)定拓?fù)鋮?shù)。當(dāng)收到有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求時(shí)，協(xié)調(diào)器給該節(jié)點(diǎn)分配物理地址、網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器軟件流程見(jiàn)圖3。

圖3 協(xié)調(diào)器工作流程圖

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收所有節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控工控機(jī)以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。協(xié)調(diào)器也可根據(jù)上位機(jī)的指令向終端傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。終端傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后若沒(méi)有得到協(xié)調(diào)器應(yīng)答，則定時(shí)重發(fā)。協(xié)調(diào)器長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，無(wú)休眠狀態(tài)。

在協(xié)調(diào)器串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間響應(yīng)程序中，協(xié)調(diào)器判斷是否有來(lái)自終端傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收，若有，則對(duì)串口進(jìn)行初始化，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位監(jiān)控工控機(jī)。事件響應(yīng)程序流程見(jiàn)圖4。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)門(mén)式起重機(jī)設(shè)備，提出了一種基于Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能。隨著門(mén)式起重機(jī)檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，該監(jiān)控系統(tǒng)的功能會(huì)繼續(xù)提升，包括鋼結(jié)構(gòu)的壽命評(píng)估等都可以作為該系統(tǒng)的采集基礎(chǔ)。另外，若將該系統(tǒng)接入到港口的管理網(wǎng)絡(luò)，將能實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，既有利于設(shè)備的管理與維護(hù)，也為管理層的實(shí)時(shí)決策提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)港口企業(yè)的管控一體化。

圖4 事件響應(yīng)程序流程圖

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] GB/T28264-2012起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[S].

[2] 王小強(qiáng)，歐陽(yáng)俊，黃寧林.Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

賈志平： 100000，北京市海淀區(qū)西土城路8號(hào)

The Application of Wireless Sensor Networks in the Gantry Crane

Jia Zhiping1 Gao Tianshui2 Jia Hui2

1 The Ministry of Transport Water Transportation Research Institute；2 Handan International Land Port co., Ltd

Abstract：A set of monitor system based on Zigbee wireless sensor networks for gantry crane is designed, which provides real-time monitor of crane running state and fault alarm and historical data query. The system brings great convenience for maintenance and repair of equipment and the basis for the management of real time decision. The management and control integration of port enterprises is realized.

Key words：gantrycrane; wireless sensor networks; Zigbee

收稿日期：2016-09-27

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.018