基于ZigBee的分布式油气润滑监控系统.pdf

参l lI5 化 基于Z i g B e e 的分布式油气润滑监控系统 Moni t or i ng s y st em based on Zi gBee f or di s t r i b ut ed oi l ai r l ubr i cat i on 张宇，吕洪波，孙启国 ZHANG Yu ．L ． V Hon g ． b o．SUN Qi gu o 北方工业大学 机电工程学院，北京 1 0 0 1 4 4 摘要针对传统分布式油气润滑监控系统布线困难 、成本高、不易维护的问题 ，提出了一种基于 Z i g Be e 无线网络技术的改进方案。该方案采用卫星式分区监控 ，每个分区由一个路由节点和 多个终端节点组成。采用兼顾可靠性和经济性的网络结构，即分区内部采用星型拓扑，分区 间网状连接。这样的监控系统故障诊断方便、维护简单；分区间影响小，具有良好的扩展性 和兼容性。本文进一步基于0 C2 5 3 0 、 7 - 2 2 4 X P、实际油气润滑站以及轧辊试验台搭建了验 证系统 ，对方案可行性、可靠性和故障排除能力进行了实验。结果表明，方案可满足布式油 气润滑监控系统的需求。 关键词 Z i g B e e ；C C2 5 3 0 ；油气润滑；监控系统 中图分类号 T P 2 7 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 5 下 -0 0 8 2 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 5 下 ． 2 3 0 引言 油气润滑是一种微量润滑技术 ，由压缩气体 带动可定量控制 的润滑油至润滑点；同时 ，压缩 气体可带走润滑点的热量 ，所 以油气润滑也是一 种油气两相冷却润滑方式 。油气润滑 以其环保 、 节能、高效、可靠等特点 ，可广泛使用于冶金、 造纸 、水泥等行业⋯。2 0 世纪7 0 年代开始，油气润 滑 系统在发达 国家大量 投入 使用 。该技术在我 国起步较晚 ，目前仍处于推广使用阶段 。由于冶 金 、造纸和水泥等行业的厂房 占地面积大 、设备 分散 ，所以常常采用分布式 卫星式 油气润滑 系统 ，其监控一般以P L C为 下位 主机 ，采用 R S 一 4 8 5 或CA N等现场总线技术 。但 由于润滑点分 布广 ，布线往往较为复杂 、成本高 、可靠性低 ， 安装维护 困难 ，影响润滑系统的推广应用。 Z i g B e e 是基于I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4 标准的低复杂度、 低功耗 、低成本的无线网络技术，具有 自组网 、 高可靠、扩展性好 、功耗低 、易安装和维护简单 等特点 ，在很 多应用场合正逐步取代传统有线 总线技术。 本文面向实际应用提 出基于Z i g B e e 的分布式油 气润滑监控系统方案 ，并 以T I 公司CC 2 5 3 0 芯片为 Z i g B e e 网络核心，搭建了原理验证系统 ，验证方案 的可行性，为油气润滑的推广应用作技术储备 。 1 基于Z i g B e e 的分布式油气润滑监 控系统方案 分 布 式 润 滑 系统 润 滑 点 多 往 往 3 O 0 点 以 上 、分布范 围广 ，推荐采用卫星式分区监控方 案，也就是将润滑点分区域管理 ，某区域一定数 量的润滑 点由一个油气卫星站润滑 。油气卫星站 定量控制润滑油的输 出，并在油气混合器 中与压 缩空气进行混合 ，形 成气液两相环状流。环状流 通过 管路输 送 至润 滑点附近 后 ，再进 行油 气分 配 ，输送至各润滑点。各分区的油气卫星站相互 独立，可根据本区域润滑要求 自行调整参数 。该方 案避免了油气的长途输送，保证油气分配器的输入 环状流稳定，这是油气润滑可靠的基础条件 。 每个分区的监控 内容包括油气卫星站和润滑 点 的监控 。油气 卫 星站控 制 的量包括 油 泵 启 停、压缩 空气开关 、油压控制和润滑 油加热等， 监 测的量包括油压 、气压 、递进式分配器动作 次数和润滑油温度等 。对于润滑点，一般 只需要 监测润滑腔压力和润滑点外壳温度 。所 以，根据 润滑点的数量和空间分布情况 ，每个分区可选择 单 路 由器 、多终端 结 点的星 型拓 扑结构 。即油 气卫星站上 安装Z i g B e e 网络路 由器 ，润滑点安装 Z i g B e e 网络终端结点。而路 由器与路 由器之 间采 用网状拓扑结构，保证某路 由器故 障时 ，不影响 收稿日期2 0 1 3 0 3 2 2 基金项目北京市属高等学校人才强教计划资助项 目 P H R 2 0 1 1 0 7 1 0 9 作者简介张宇 1 9 8 8一，男，北京人，硕士研究生，研究方向为机电产品设计制造。 [ 8 2 1 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 0 5 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和数 据链路层架构 。层与层之 间通过服务访问点 S A P S e r v i c e A c c e s s P o i n t 连接，每一层可通过本层 与其下层相连的S AP 调用下层为本层提供服务 。 Z S T ACK协议栈 向开发人 员提 供了完善的AP I 接 口，用户 只需实现应用层程序框架即可实现组 网 功能，减小了开发难度 ，提高系统稳定性。 应用层 网 络层 z i g B e e 数据链路层 M A C 层 L I E E E 8 0 2 I 5 物理层 图5 Z i g B e e 协议栈模型 图6 协调器程序流程图 下面 以协调器节点程序为例 ，说 明软 件设计 的要点 。Z i g Be e 网络 中，协调器 负责整个网络 的 组建 与管理 ，负责将 网络 中发送来的数据传递给 P L C，并读取P L C中的控制指令将其发送到相应 节 点 ，协调器程 序流程图如 图6 N 示 。程序运行 过程 中，网络的建立与新 的节点加入 由ZS T AcK 协 议栈 完成 ，关键 是如 何根 据具 体应 用设 定 网 络参数 。协调器和S 7 2 0 0 P L C的通信也是一个要 点 。如果用 自由 口通信 ，会影 响编程软 件S T E P 7 一 Mi c r o ／ WI N的在线调试功能 ，给复杂程序 的调 试带来 困难 。考虑到分布式油气润 滑系统 的P L C 程序往往较为复杂，推荐基于P P I 协议进行通信 。 但是，西 门子的P P I 通信协议是不公开的，为此我 们对P P I 协议进行 了分析 ，并在验证 系统 中成功实 现将接收到的节点数据以P P I 协议格式进行封 装 ，将不 同节点的数据写入到相应的P L C存储区 中；同时周期性的以P P I 协议方式读取P L C 所发 出 的控制指令 ，并对指令进行解析 ，确定指令要发 【 8 4 】 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 0 5 下 送到的目标节点，将指令发送至该节点。 2 。 3 测试实验 基于上述平台 ，分别针对可行性 、可靠性 和 故障报警测试进行了实验 。 在可行性实验中，设定终端节 点以2 s 为周期 将油压、气压，油温等数据发送给路 由器，再 经 协调器写入到P L C，最后用触摸屏观察P L C内数 据 ，结果表明3 个分区的显示值与传感器实测值吻 合；让系统连续运行4 8 h 后继续观察，系统并未出 现问题，方案可行性达到设计要求。 在可靠性实验中，主要测试 了无线传输 的误 码率，实验结果如表1 所示 。在无障碍物条件下， 当节 点 间距 离小于5 5 m时 ，误 码率保持 在1 ％以 下 ，网络工作稳定；当节点间距离大于6 0 m时，误 码率开始增大，信号传输不稳定，且 网络容易发 生 中断 。在有障碍物条件下，障碍物选择 实验 室 的水泥墙，厚度约为3 0 c m。由表1 可知，当通信距 离小于2 0 m时，误码率保持在0 ． 5 ％以下，节点问通 信正常；当通信距离大于2 5 m时，信号开始传输不 稳定 ，误码率增大 。对于这种情况 。实际应用中 可 引入路 由节点接力传输数 据，保证 系统工作 在 稳定范围。 表1 误码率测试实验 在故障报警测试实验中，手动调节分区1 油路 的溢流阀将 系统油压降3 Mp a 以下 P L C程序 中设 定油压不得小于3 Mp a ，观察到分区1 路由器节点 故障报警指示灯闪烁，同时触摸屏显示分区1 油压 过低信息；同里调节分区1 空气减压阀将气压减至 3 b a r 以下，路由器节点故障报警指示灯闪烁且触摸 屏显示分区l 气压过低信息，表明系统故障报警功 能达到设计要求。 3 结论 针对 在分布式油气润滑系统中，传统现场总 【 下转第8 8 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表1 成型板材误差测量结果比较 单位mm 控制 系统在线监测柔性辊弯成型产品精 度能提高 1 5 ％ 2 0 ％。为截面更为复杂的3 维柔性辊弯成型控 制技术的研究奠定了基础。 参考文献 ⋯丁新桥 ． 柔性辊 弯成型仿真研 究【 D 】 ． 北京 北方工 业大学 机 电工 程 学 院 ， 2 01 0 ． 【 2 】2 钱波， 李强， 黄志高． 柔性辊弯成型可变时域离散插补控制 【 J J ． 华中科技大学学报 自然科学版， 2 0 1 1 ， 1 2 ， 3 7 4 0 ． 【 3 1李旭鹏， 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e 网络。每个分区 由单 路由 节点和 多终端节点组成，分 区的终端节点与路由 节点间采 用星型连接 ，不同分 区的路 由节点间采 用网状 拓扑结构 。考虑到Z i g B e e 的传输距离，在 分区间距离较大时 ，可用增加发射功率或接力路 由节点来解决 。卫星式分区监控 方案兼顾了经济 性和可靠性 。网络 中任一节 点出现故障均可直接 定位 ，利于维护和故障排除。同时 ，各分区相对 独立，系统具有 良好的扩展性和兼容性 。本文分 别从设 计原理 、网络结构设计 、节点硬件与软件 设计 等对方案进行 了阐述 ，并搭建验证系统进 行 了对方案进行 了实验验证 。结果证明 了方案切实 可行、可靠性满足要求、故障易于诊断。 目前系统设计 与实验均是在实验室条件 下进 行 ，实际工业应用中面对现场的 电磁干扰需加入 【 8 8 】 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 ～ 0 5 下 抗干扰处理 ，如对节点加入物理屏蔽层与改进软 件 的抗干扰算法等。 参考文献 [ 1 】孙中伟， 王海学． 单线多卫星式油气润滑系统的研究⋯． 润滑 与密封， 2 o o 8 ， 6 ． 【 2 】唐智 敏． 油雾润滑和 油气润滑 [ A 】 ． 中国机械工程 学会摩 擦学分会润滑技术专业委员会第十届学术年会 南宁会 议 论文集【 C 】 ． 2 0 0 6 ． [ 3 】任秀丽， 于海斌． Z i g B e e技 术的无线传感器网络的安全性 研 究[ J 】 ． 2 0 0 7 ． f 4 j4 何泓洋， 查蜂 ， 李京 书． 一种基于 Z i g B e e无线通信的 P L C 控制方法及应用【 J 1 ． 测控技 术， 2 0 1 2 ， 3 1 1 1 5 5 5 9 ． [ 5 】阳宪惠． 现场总线技术及其应用 第二版 [ M】 ． 清华大学出 版社 ，2 o o 8 ． 【 6 】周慧玲， 甘典 文， 王智威， 等． 基于 A R M／ GP R S ／ Z i g B e e技术 的无线粮情监控系统的设计与实现【 J ] _ 测控技术， 2 0 1 1 ， 3 0 2 1 1 - 1 5 ． 【 7 】李俊斌， 胡永忠． 基于 C C 2 5 3 0的 Z i g B e e 通信 网络 的应用 设计【 J 1 ． 电子设计工程， 2 0 1 1 ， 1 9 1 6 1 0 8 1 1 1 ． 【 8 1 L e a k y I n t e g r a t o r N e u r o n s a n d T h e i r I mp l e me n t a t i o n s ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m