电厂超滤系统低功耗无线监测网络的设计

汪凤珠 白 焰 王仁书

(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206)

电厂超滤系统低功耗无线监测网络的设计

汪凤珠 白 焰 王仁书

(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206)

为克服现有化学水处理系统所存在的成本高、布线复杂、扩展性差等缺陷，提出了一种基于ZigBee的电厂锅炉补给水超滤系统监测网络的设计方案，并给出了详细的硬件电路和软件设计流程。对状态检测的能耗进行了理论分析和计算，利用PLC实现了整个无线监测系统。测试表明，该设计符合实际需求并且具有较低的功耗。

电厂超滤系统 低功耗 ZigBee 无线监测网络 CC2430 PLC

0 引言

相对于有线系统，工业无线传输系统既节省了电缆、简化了安装、缩短了维护时间、延伸了原有的工业网络的控制范围，又提供了极高的灵活性和拓展性，有效地补充了有线网络和现场总线。由于采用了扩频或者调频技术，工业无线传输系统在恶劣环境下也具有较强的抗干扰性。现有的无线协议主要有WiFi、蓝牙、超宽带和ZigBee等。其中，ZigBee是一种低成本、低功耗、低数据传输率的近距离无线通信技术，尤其适合用于能量有限的工业现场［1］。

本文以内蒙某电厂锅炉补给水处理中的超滤系统为设计背景，利用ZigBee无线通信技术实时获取现场设备的状态，并通过Profibus总线将数据上传至PLC，利用PLC与上位计算机之间的网络连接，将设备的状态传递到上位机画面组态软件InTouch中，以形成监控画面，为化学水处理系统的顺序控制奠定基础［2-3］。

1 系统整体设计思路

电厂锅炉补给水处理系统工艺流程为:生水箱→生水泵→叠片过滤器→超滤→超滤水箱→超滤水泵→保安过滤器→高压泵→反渗透装置→除碳器→淡水箱→淡水泵→一级除盐加混床→除盐水箱→除盐水泵→主厂房。其中，超滤系统作为原水预处理，能够有效去除水中的悬浮物、胶体和有机大分子等杂质，使出水水质能够满足反渗透设备的进水要求，有效地保护了反渗透膜，降低了清洗频率。另一方面，由于超滤膜上的微孔很小，在运行一段时间后，会有截留物质沉聚在膜的内表面。为维持超滤性能的长期稳定，需要定期、短暂地从过滤的相反方向对超滤膜组件进行化学加药清洗(即反洗，包括气洗、全反洗、上反洗、下反洗和正冲过程)。

电厂共有4套超滤系统，它们连接到同一个大容量超滤水箱中。当系统正常运行时，1#、2#超滤作为一组同时投运，而3#、4#超滤作为另一组提供备用。超滤系统的程控步序包括正洗、运行和反洗，与这些操作相关的现场设备有生水泵、超滤反洗水泵、氧化剂计量泵、进水阀、正排阀、反洗出水阀、出水阀、进气阀和反洗进水阀。

电厂超滤系统由两个建立在ISM 2.4 GHz频段的不同信道上的无线网络构成。阀门无线监测网络由1#、2#超滤系统(共12个阀门)和网关1构成，电机无线监测网络由3台生水泵、2台超滤反洗水泵、2台氧化剂计量泵和网关2构成。每个阀门和泵上都安装了一个ZigBee终端节点，用于实时检测设备状态。现场设备的状态数据经过ZigBee无线网络传输至相应的网关上进行协议转换后，通过Profibus总线到达控制器(这里使用西门子PLC)。最后利用PLC系统与上位计算机的网络连接，所有被控设备的状态(阀门的开关、泵的启停)进入上位计算机的数据库中，形成超滤系统的监控画面和历史趋势画面，运行人员就可以轻松查看锅炉补给水超滤系统的运行情况。

本文偏重于ZigBee无线网络的软硬件部分，不涉及控制器编程软件 Siemens Step7和上位机画面组态软件InTouch的细节。电厂超滤系统无线监测网络如图 1 所示［4-5］。

图1 超滤系统无线监测网络Fig.1 Wireless monitoring network in ultrafiltration system

2 硬件设计

ZigBee无线网络由1个协调器和1个以上的路由器或终端节点构成。考虑到现场阀门与阀门、泵与泵之间的距离不是很远，都处于无线个域网的通信范围之内，使用单跳网络就足够了，所以系统无线部分的软硬件设计只涉及终端节点和协调器。

2.1 终端节点

阀门终端节点是通过检测阀门回信器上的常闭触点K1和常开触点K2来获取自身状态的，如图2所示。

图2 阀门的状态检测电路图Fig.2 Circuit diagram of the state detection of valves

图2中，CC2430模块是状态检测的核心，它由CC2430芯片及其应用电路(上电复位、32 MHz晶振、32.768 kHz晶振和天线)组成，其外围保留了CC2430的20个引脚［6-7］。为减少功耗，当需要检测阀门状态时，CC2430先置P0.4为0，以导通各路光耦，再从引脚P0.5、P0.7读入 K1、K2的状态。若 K1、K2的状态相同，表示阀门出现故障;若K1闭合、K2断开，表示阀门开启;若K1断开、K2闭合，表示阀门关闭。在不需要检测阀门状态时，CC2430置P0.4引脚为1，各路光耦截止，外围检测电路不耗费能量。电机侧的终端节点需要检测5路开关量，分别代表泵的运行、停止、事故跳闸、远方就地和保护设备自诊断信号。与常开触点K2的检测相类似，这 5 路信号分别从引脚 P0.5、P0.6、P1.2、P1.3和P1.4读入。

2.2 协调器及网关

阀门网络和电机网络的网关设计是相同的。网关底板主要由CC2430模块、C51单片机、Profibus协议芯片VPC3+C和Profibus接口驱动芯片AMD2486构成。网关上的CC2430模块作为ZigBee协调器，接收来自终端节点的设备状态数据，并通过RS-232串口把数据发送给C51单片机。VPC3+C将C51提取出的有效数据转换成符合Profibus总线协议的数据包，并通过AMD2486将数据上传到PLC的寄存器中。

3 软件设计

ZigBee网络协调器和终端节点的软件设计是基于IAR集成开发环境和德州仪器ZStack-1.4.3-1.2.1的。其中ZStack符合ZigBee 2006规范，它基于操作系统，以任务轮询机制完成整个协议栈的运行。ZigBee协议栈的每一层都对应于OSAL的一个独立的任务，在系统启动和初始化后，操作系统轮询ZigBee协议栈各层的任务事件，当某层有事件被触发时，就执行该层的任务事件处理函数。

3.1 协调器

协调器负责完成以下5个任务。

①在程序设定的信道上组建无线传感器网络。

②通过ZigBee网络接收来自终端节点的设备状态信息，并根据接收到的cluster ID区分各个设备节点，将接收到的数据存放在数组State［M］中与cluster ID对应的字节上(其中M为ZigBee网络终端节点的数量)。

③周期性地通过RS-232串口把现场设备的状态发送给网关上的C51单片机，为协议转换做准备。

④不断轮询串口，当串口接收到从控制器下传的数据时，提取出指示当前工况(正洗、反洗或运行)的信息，并通过RF无线收发器发送给终端节点。

⑤定义了一个超时计数数组Count［M］，当超过K×0.1 s没有收到某个节点的消息时，就将该节点的状态设置为0xFF，认为该节点失效。

协调器的程序流程图如图3所示。

图3 协调器的程序流程图Fig.3 The program flowchart of coordinator

3.2 终端节点

在本文所设计的超滤系统无线监测网络中，终端节点依赖于有限电源。但由于可供选择的电池容量小，且无法在工作现场频繁更换电池，而通过能量获取对其充电又是复杂而不稳定的，因此，为延长无线网络的寿命，节点的软件设计必须配合硬件实现低功耗。阀门终端节点的程序流程如图4所示。

在同一个ZigBee网络中，不同的终端节点对应着不同的cluster ID［8］。它们在成功加入网络后就利用操作系统定时器定时Tp(本文所有的时间单位都为s)，定时时间到就自动触发应用层设备状态检测事件，并重新定时Tp，从而实现了设备状态的周期性检测。当操作系统轮询发现该事件时，阀门终端节点就进入以下检测过程。

① 首先，在引脚P0.4上输出0，导通各路光耦并开始采集数据。为消除抖动，需要不断读取引脚P0.5和P0.7的状态，直到每个引脚上连续3次采集的信号都一致(其中每两次状态读取之间有很小的延时)，然后在引脚P0.4上输出1，关闭光耦，结束采集。

图4 阀门终端节点的程序流程图Fig.4 The program flowchart of valve terminal node

②为防止错误的故障判断给运行人员带来麻烦，如果得到阀门故障的信息，就将故障计数值加1。此时若故障计数未达到Te(该参数的选取要适中，以免影响故障反馈的及时性)就暂不处理，退出等待下一次的检测事件;一旦故障计数达到Te，则确认阀门为故障状态。接下来与阀门开启或关闭状态的处理一致，即保存本次检测结果并清零故障次数。

③由于无线节点在发送状态的能耗是最大的，为了进一步节省能耗，使用例外报告法，即把本次检测获得的阀门状态与上一次保存的阀门状态进行比较:如果状态不改变，则状态重复计数值加1;如果状态发生变化或者状态重复计数达到N，则清零状态重复计数，并将阀门状态通过ZigBee无线网络发送给协调器;若状态重复计数未达到N，则不发送数据，然后都进入Ts的PM2休眠。

电机终端节点的检测过程为:按照步骤①依次采集完表征电机状态的5个DI后，直接将5路开关量的状态发送给协调器，然后进入PM2休眠模式。

另一方面，终端节点通过ZigBee网络接收来自协调器的运行工况信息，并根据该信息改变状态检测参数。为了确定检测参数在不同工况下(正洗、反洗和运行)的选取原则，从理论上分析了参数Tp、Ts和N对终端节点检测功耗的影响。

阀门开启或关闭时、泵的状态检测功耗曲线分别如图 5(a)和 5(b)所示［9］。其中，Pa、Ps分别代表CC2430在工作模式PM0和休眠模式PM2下的功耗，Pc代表光耦导通时外围检测电路的功耗，τ1、τ2分别表示CC2430从PM2到PM0和从PM0到PM2的状态切换时间，T1+T2=Tp。

图5 设备正常时状态检测的功耗曲线Fig.5 The energy consumption curves of state detection under fault-free condition

由式(1)和式(2)可以看出，为了降低功耗，应选取大一点的Ts/Tp、(Tp+Ts)和N，但这同时又降低了系统的实时性，故参数的选取必须在实时性和低功耗之间折中。

考虑到系统在不同工况下对状态反馈的实时性要求是不一样的，一般运行时对实时性的要求较低。因此，可以在保证实际电厂超滤系统实时性的前提下，根据上述分析结果分别确定正洗、反洗和运行时的最佳检测参数。在系统工作时，终端节点根据当前工况动态地切换参数，实现状态检测功耗的动态调整，从而将功耗降到最低。为提高系统的可靠性，在ZigBee节点中还加入了看门狗复位和掉网复位程序。

4 系统测试

利用所设计的ZigBee节点、网关、西门子S7 300系列315-2 PN/DP以及上位机软件InTouch等，构建了电厂超滤处理的无线监测系统，并选取参数Te=15、Ts=2 s、Tp=0.2 s、N=5、K=300，使用两个开关模拟阀门回信器上的常闭触点和常开触点，通信距离约50 m。测试结果如下。

①系统运行稳定，上位机软件能够准确地显示阀门状态，阀门开启或者关闭状态的检测延迟为0～2 s，故障状态的检测延迟为2.5～5 s，节点失效的检测延迟为30～33 s，能够满足超滤系统在运行工况下的数据传输要求。

②当网关复位时，所有终端节点都能检测到掉网，并自动复位以重新加入网络。

③ZigBee终端节点的功耗很低，将电流表串联在终端模块的电源电路中，测得其在PM2休眠模式下的电流为124 μA，在 PM0正常工作模式下的电流为12.4 mA(采集设备状态时的电流为18.1 mA，RF发送时的电流为28.3 mA)。每隔8 h测量一次电池电压，连续测量三天，发现电压平均每天降低0.014 V(当电池电压降低到1.7 V时，CC2430无法正常工作)，两节新的南孚五号电池串联电压即可以达到3.26 V，以此推断终端节点可以连续工作111天，适合于没有持续能量供给的电厂设备中。

5 结束语

本文从电厂锅炉补给水的超滤系统出发，设计了一种基于ZigBee的无线状态监测网络。在设计中引入了休眠、例外报告以及动态功耗调整等机制，实现了传感器节点的低功耗，并加入了看门狗复位和掉网复位程序，有效地提高了传输的可靠性。

实际测试表明，所设计的无线监测网络运行稳定，满足实际需求，且具有较低的能量消耗，适用于没有持续能量供给的电厂设备中，为电厂超滤无线顺序控制系统的研究奠定了良好的基础。目前已经按照上述设计，对内蒙某电厂现有的超滤系统进行了无线改造，取得了较好的效果。

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Design of Low Energy Wireless Monitoring Network in Ultrafiltration System of Power Plant

In order to overcome the defects in the existing chemical water treatment system，such as high cost，complex wiring，poor expansibility，etc，on the basis of ZigBee，a design scheme of monitoring network of boiler water supply ultrafiltration system in power plant is proposed.Detailed hardware circuits and software design flow are given.The energy consumption in state detection is analyzed theoretically and calculated，and the whole wireless monitoring system is implemented with PLC.Tests show that the design features low energy consumption and meets the actual demands.

Ultrafiltration system of power plant Low energy consumption ZigBee Wireless monitoring network CC2430 PLC

TP274+.2

A

修改稿收到日期:2011-11-25。

汪凤珠(1988-)，女，现为华北电力大学模式识别与智能系统专业在读硕士研究生;主要从事无线传感器网络的研究。

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