基于ZigBee的汽轮机汽缸负荷分配监测系统设计

郭 杰，雷 刚，施 芸，王 涛

（四川工程职业技术学院，德阳 618000）

0 引言

大型汽轮机组在安装过程中有一个很重要的环节叫做汽缸负荷分配，即将汽缸的重力通过猫爪合理分配到各支撑面上，以保证汽机正常工作。传统的负荷分配方法有猫爪垂弧法和弹簧测力计测量法，两种方法均具有不够准确、不便于集中观测和不便于存贮记录等明显缺点。笔者曾撰文介绍过一种有线信号传输方式的汽缸负荷分配监测系统，明显优越于垂弧法和弹簧测力计法，但由于传感器与主机之间的连接线缆很长而且各猫爪监测点与主机之间的距离长短不一，在现场使用中还是存在两个方面的不足：1）线缆很容易被安装工人损坏；2）各种干扰信号会通过线缆叠加到传感器信号中，很难剔除干净，影响了测量精度。

2009年，受某企业委托，设计一种高精度的汽缸负荷分配监测系统用作汽轮机组的产品中试，主要参数如下：

1）量程：0-60000千克（每个猫爪负荷监测点）。

2）系统测量精度：系统精度≤0.3%FS，系统重复精度≤0.6‰。

3）系统响应速度：系统测量及屏幕刷新时间≤1秒。

4）抗干扰能力强，可以在复杂的电磁环境下正常工作。

显然，如果采用有线方式的负荷监测系统，必须把整个传感器信号调理电路、A/D转换以及通信部分前移到传感器端，让各监测点与主机之间的线缆上传输压力值的数字信号以尽量减少电磁干扰对测量精度的影响。如果要消除安装工人无意识地损坏线缆，最好的解决方案是各监测点与主机之间采用无线数据传输的方式。要在现场复杂电磁环境下保证200米视距范围内数据的可靠传输，比较稳妥的解决方案是采用ZigBee无线通信技术。

1 ZigBee技术

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术。具备以下特点：

1）通信可靠。ZigBee采用CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，同时采用跳频通信技术，抗干扰能力强。

2）ZigBee网络自愈功能。增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等，网络都能够自我修复。

3）成本低廉。设备的复杂程度低，且ZigBee协议是免费的，使用开放的2.4GHz频段。

4）数据安全。ZigBee提供数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，可以满足系统的安全需要。

ZigBee网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构，如图1所示（图中黑色节点代表网络协调器，白色节点代表路由器和终端）。在本监测系统使用星型网络结构。

2 系统总体结构

负荷分配监测系统总体结构如图2所示。系统采用ZigBee星型网络结构，每个负荷监测点成为一个独立单元，主机与各监测点间通过ZigBee网络进行数据交换。

图1 ZigBee网络的三种拓扑结构

PC主机通过串口和USB端口和ZigBee协调器连接，实现负荷监测系统的管理、数据处理以及ZigBee无线网络的建立和管理。各监测点独立完成各自负荷压力数据的采集，其中由CC2530构成的ZigBee路由器完成网络的接入，监测点单片机通过串口与ZigBee路由器连接，完成测试数据的上传和主机命令的接收。主机与各监测点之间使用巡检方式进行联络。

图2 系统总体结构图

3 负荷监测点设计

3.1 压力传感器与前置处理

传感器和前置电路是系统测试的核心因素，直接决定了系统的测量精度。采用通过计量监督部门检测合格的传感器及配套放大器以保证系统可靠性。压力传感器主要指标为：测量范围为0-60吨；电压输出为0-5V；测量精度为0.2级（0.2%）。传感器与前置电路配对使用，考虑了信号的非线性补偿问题，保证在全程测试中的线性度。

3.2 A/D转换部分

由于委托方要求测量的系统精度≤0.3%FS，系统重复精度≤0.6‰，选择24bit积分型AD转换器AD1224和低温漂电压基准AD588（1.5PPM）。具体接口电路如图3所示。

图3 A/D接口电路图

图3中传感器前置电路输出的信号从AD1224的9脚输入。AD转换器AD1224通过 2、3、4引脚和单片机连接，其中SCLK和DI是A/D转换器和单片机连接的串行数据接口；CLK是AD1224的工作时钟。

3.3 CPU与ZigBee路由器

系统中，为减少每个负荷监测点的功耗，使用PHILIPS低功耗P89LPC903单片机作为控制核心。该单片机采用SOP8封装，具有内部复位和时钟，无需外接。LPC903具备一个全双工的串口，可以和ZigBee路由器模块进行通信；另外的I/O端口用于控制AD1224。LPC9××系列单片机是1时钟的单片机，在同等振荡频率条件下，具有更高的数据处理能力。

图4 LPC903单片机和ZigBee接口

ZigBee路由器模块使用CC2530进行电路设计，如图5所示。CC2530 是TI 公司推出的ZigBee/ IEEE 802.15.4 标准的系统级芯片，采用0.18μm CMOS工艺，工作电流损耗为27mA。具备休眠模式与主动模式超短时间转换响应特性，降低系统功耗，提高电池的使用时间。作为片上系统 (SOC)，CC2530 集成了一个高性能的 RF 收发器和一个优化的低功耗的 8051 微控制器内核，8KB的RAM，32/ 64/ 128/ 256 KB 可选闪存，以及其他强大的支持功能和外设，允许芯片无线下载，支持系统编程。同时，其自带2.4 GHz 高性能RF 收发器，需要用户外接的主要包括32MHZ主时钟、32K副时钟、射频天线输出和用户自定义的串行通信接口。同时，该芯片还具有很好的集成开发环境、完善的开发工具包和参考方案设计。基于该芯片开发的产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域。

3.4 电源模块和电池充放电管理

各负荷检测点既可以使用外部220V交流电源供电，也可以锂电池供电。为保证测量系统的精度，减小系统电源纹波，整个电源电路不采用开关电源结构，而选用线性稳压电源结构。使用锂电池使用过程中，必需严格的对电池进行充放电管理，否则将极大的降低电池的使用寿命。为简化电路的设计，使用专用芯片MCP73862进行充电管理。在使用电池工作期间，监测点需要实时向主机发送电池电量和温度信息，确保系统安全稳定。

图5 CC2530电路图

4 PC上位机软件设计

PC上位机软件主要由文件管理、命令参数设置、监测、滤波与显示和帮助等模块组成。用C++ Builder编写，采用模块是程序结构，程序结构如图6所示。

1）文件管理模块。完成监测系统的进入与退出，监测数据的保存、打印与编辑。数据保存时以EXCEL表格数据格式导出。

2）设置模块。完成系统的网络地址、测量时间和测试压力范围的设定。

3）监测模块。包含网络的初始组建控制、监测通道初值控制和监测过程的开始控制，其中测试初值可以选择调用上次的结果或者各监测点重新测试。

4）滤波与显示模块。包含当前使用监测点的选择、软件滤波的参数设定、测试结果计算和结果显示方式的选择。其中软件滤波使用莱特准则加中值一平均值滤波。

在数字滤波时，首先用户需要设定进行处理的数据个数N（即求平均值的数据个数）,然会设定数据的置信区间系数K（通常情况下K取3）。用户设定完N和K后，程序首先利用莱特准则舍弃掉可疑数据，然后利用中值一平均值滤波模式计算最终的测量结果。

5）传感器校正模块。实现传感器的校正数据读取，校正曲线拟合计算，得出各个传感器的特性曲线，对测量结果进行相应补偿，提高监测系统的精度。

图6 上位机程序结构图

表1 在给定压力负荷状态下系统监测点1的测试结果

5 结束语

本文所介绍的汽缸负荷分配监测系统于2010年研制成功，达到了各项设计指标，已交付委托方试用了一年多，现场反馈的情况表明其工作非常稳定，测量精度和准确度较有线方式有明显提高，完全达到高精度测量的要求，受到用户方的肯定。

[1] 田永强, 尚海, 李力. 基于ZigBee的数字化焊机通信系统设计 [J]. 机械制造文摘. 2011, 1: 44-46.

[2] 王东, 张金荣, 魏延, 曹长修, 唐政. 利用ZigBee技术构建无线传感器网络[J]. 重庆大学学报(自然科学版). 2006,8: 95-97.

[3] 刘志申, 高敬格. 特钢厂煤气输气管道压力智能控制系统设计 [J]. 制造业自动. 2010，6:58-60, 79.

[4] 程冬, 丁保华, 李威. 基于片上系统 CC2530 的采煤机远程遥控装置设计[J]. 矿山机械, 2010, 3: 19-21.

[5] 张哲, 李宝珠, 王存宝, 张志杰. 基于无线数据传输的冲击波超压测试系统的研究[J]. 传感器与微系统. 2009, 6:7-9.