用于电站超滤系统的无线控制系统的设计.pdf

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1、第8期王江涛等．用于电站超滤系统的无线控制系统的设计963用于电站超滤系统的无线控制系统的设计王江涛白焰王仁书(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206)摘要构建了一个基于ZigBee的无线控制系统，并介绍了它的结构，包括现场层、控制层和监控层。无线设备包括基站和用JN5148模块设计的无线DI、DO模块。将设计的无线控制系统应用于电站的超滤系统的顺序控制，最后介绍了无线控制系统的运行结果并进行了相关分析。关键词无线控制系统超滤系统ZigBee无线传感器中圈分类号TH865文献标识码A

2、文章编号1000．3932(2013)08-0963-03近几年，随着单片机和无线技术的迅速发展，出现了很多无线技术和标准，如Bluetooth、WiFi及ZigBee等。无线传感器网络在工业现场的应用也变成一个必然的趋势。ZigBee由于具有能耗低、布局容易、扩展性好、数据传输可靠及低成本等优点，被认为是最适用于工业应用的一种无线技术¨’21。在这个项目中，建立了基于ZigBee的无线网络来实现电站超滤系统的顺序控制。ZigBee标准是在2004年制定的，现在已经有很多种ZigBee芯片，如C

3、C2430及JN5148等。在这些产品中，JN5148是一种低能耗、高性能的微程序控制器，并且结合了兼容IEEE802．15．4标准的收发器。它的定位是低能耗应用，特点是具有一个增强的32-bit的精简指令集处理器，可以提供高效率的编码和低能耗运行，高效率的编码可以通过可变宽度指令和多级指令流水线实现，低能耗运行由可编程时钟速率和多种睡眠模式实现。JN5148由128KByteROM、128KByteRAMD1／7苦呙气动阀和丰富的混合模拟、数字外围设备组成的。其较大的内存允许设备运行ZigBe

4、ePRO协议栈口】。笔者的重点是设计JN5148相关的外围电路作为无线顺序控制系统的现场设备。1无线控制系统的结构无线控制系统的结构如图1所示。从图中可以看到系统分为3个层次：监控层、控制层和现场层”1。每一层的功能如下：a．监控层设备包括操作员站和工程师站。这一层的功能与传统控制系统相似，完成并显示组态和监视主要的生产过程。b．控制层的设备是具有Profibus和Ethernet接口的可编程逻辑控制器。它的主要功能是执行控制逻辑、连接监控层和现场层。C．现场层设备主要包括基站、无线DI模块和D

5、O模块。每一个基站维持一个无线网络，通过基站可以和其他模块进行数据交换，同时完成ZigBee和Profibus之间的协议转换。无线DO模图1无线控制系统结构收稿日期：2013-03—19(修改稿)基金项目：北京市教育委员会共建项日化工自动化及仪表第40卷块接收并输出DO指令，驱动生产设备运行。无线DI模块检测设备的状态并将它反馈给基站。显然，通过现场层构成了一个基于无线网络的闭环控制系统。2相关设计如图1所示，现场层的主要设备有基站、无线DI模块和DO模块。这些设备和不同的外围电路在控制系统中起

6、着不同的作用，它们都要向JN5148模块提供接口来实现无线通信。2．1无线DI模块为了进一步减少现场的布线，无线DI模块使用电池供电。这样，在设计硬件和软件的时候就必须考虑功耗。为了节省电能，JN5148模块中的无线DI模块采用了睡眠机制。当模块不处理事件时，无线模块就会进入睡眠模式并会被一个预置定时器周期性地唤醒"1。无线DI模块的硬件设计如图2所示。因为现场有常闭触点和常开触点，采样电路总是接通的，这样就造成不必要的电能浪费，因此引进了光耦。当采样开始时，JN5148模块被唤醒，它通过DO引

7、脚驱动光耦导通采样电路，得到设备的状态。当采样完成时，JN5148通过DO引脚使光耦截止，关断外电路，然后JN5148进入睡眠模式。图2无线DI模块原理2．2无线DO模块无线DO模块的原理如图3所示，该模块由220V交流电进行供电，220V交流电由AC—DC模块经过整流和降压变为直流24V。最后电压进一步降低到3V，为JN5148模块和光耦合器供电。由于稳定和持续的电能供应，电能消耗不再是重点，而是要考虑可靠性。为了尽快接收DO指令，无线DO模块没有采用睡眠机制，它一直进行信道检测，确定是否有指

8、令发送给它。接收到指令后，JN5148模块通过DO引脚导通光耦，驱动继电器动作。由于DO模块的输出会使设备直接动作，所以必须确保输出图3无线DO模块原理的正确性。解决的方法是，通过继电器的触点回读模块的输出，同时将它和输出指令进行比较看是否一致，同时将这一信息通过无线模块发送到上一层。2．3基站基站是控制系统中无线网络和上层交换信息的平台，所以它必须实现协议的转换。除此之外，基站的无线节点在建立无线网络时充当协调器，并负责监视其他无线设备的状态。同时，从无线控制系统的结构可以看出基站的可靠性会影