發布時間：2021-03-24所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：針對大型電鍍生產線溫度在集中監控過程中，溫度的控制節點布置間距較遠、布線復雜、維護不易的問題，設計了一種基于ZigBee的無線溫度采集和控制系統。系統分別設置了MCGS上位機組態系統、網絡協調器和溫度測控終端。上位機組態系統設計了人機交互界面
摘要：針對大型電鍍生產線溫度在集中監控過程中，溫度的控制節點布置間距較遠、布線復雜、維護不易的問題，設計了一種基于ZigBee的無線溫度采集和控制系統。系統分別設置了MCGS上位機組態系統、網絡協調器和溫度測控終端。上位機組態系統設計了人機交互界面，可設置和顯示各鍍槽節點溫度;溫度測控終端采用DS18B20監測各槽溫度并通過PID算法對溫度進行實時控制;上位機和溫度測控終端之間的通信，采用以CC2420為核心的ZigBee無線網絡。將該系統投入實際工程中，系統投入成本低，運行穩定，易于擴展和變換測控槽位，能夠有效監測和控制生產線上各鍍槽溫度，達到了高效便捷的目的。
關鍵詞：電鍍;溫度控制;MCGS;ZigBee;CC2420
在電鍍生產過程中，要經過除油、水洗、酸洗浸蝕、電鍍、烘干等步驟，這些步驟往往都需要對溫度進行監測和控制，溫度甚至是影響電鍍質量和表面處理效率的重要因素[1]。目前，對于電鍍生產過程中需要溫度控制的部位，多數企業仍采用人工對溫度進行獨立調控的生產模式，由于溫度具有時變性、非線性和滯后性的特點，人工調控模式不僅很難實現溫度精準控制，而且電鍍過程中鍍液也會對人的身體造成一定程度的傷害;另外，每個需要監控溫度的槽位，都需要鋪設線纜，尤其對于規模較大的龍門式電鍍生產線，需要監控溫度的槽位較多，距離較遠，如果布置有線網絡，會造成現場線纜較多，布線較為混亂的問題，并且鋪設成本往往較高，后期可維護性和可擴展性較差[2]。
針對電鍍生產有線溫度測控網絡存在的以上問題，利用ZigBee技術和MCGS組態軟件對傳統測溫方式進行了改進，設計了一種基于ZigBee的電鍍生產線無線溫度集中監測和控制系統，可以實現在主控制室通過計算機組態系統實時監測和控制相應槽位的溫度。
課題基于河南省科技攻關與校企合作項目，針對河南省焦作市某五金鎖具電鍍生產線的設備改造工程，進行了無線傳感器網絡與遠程組態技術的應用研究，分別完成了實驗室初試與小規模中試，并達到了預期效果。
1系統構架和實現原理
電鍍生產線無線溫度監測和控制系統結構如圖1所示。系統分上位機組態監控系統、網絡協調器和溫度測控終端。各溫度測控終端均與網絡協調器通過ZigBee建立無線網絡，并進行通信，將測控終端數據發送給網絡協調器，網絡協調器再采用Modbus協議，通過RS-485總線，將數據發送給上位機，顯示各個測控終端的溫度[3]。用戶也可以在上位機組態系統上，設置各測控終端溫度，通過網絡協調器發送至各溫度測控終端，控制現場溫度，從而實現對各節點溫度的監測和控制。
2上位機組態監控系統
采用昆侖通態MCGS組態軟件組建系統的人機交互界面。由于MCGS中沒有預置單片機設備驅動，為了MCGS和網絡協調器中的單片機可以正常進行通信，需要對MCGS進行配置。系統選用MCGS中的莫迪康ModBusRTU設備構件，在MCGS中添加“串口通信父設備”，設置串口通訊端口為COM1，通訊采用9600的波特率，采用8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗功能，數據采集模式設為異步[4]。在組態系統界面上分別添加相關按鈕元件、指示元件、數據曲線顯示模塊、報警信息顯示模塊等，組建成一個較為完善的人機交互界面。在人機界面上可以實時顯示各個電鍍槽位的溫度，通過曲線顯示溫度的變化過程，并將這些溫度數據存儲到計算機數據庫中，方便后期查閱歷史數據。在組態系統中還加入了溫度設置功能，可以設置各溫度測控終端的溫度，并將設置指令和數據通過網絡協調器發送至溫度測控終端，終端接收到指令后，對溫度實施恒溫控制。界面還設置有超溫度閾值報警功能，當溫度誤差超出閾值范圍，對應槽位下邊的報警指示燈會閃爍。上位機組態系統界面如圖2所示。
3網絡協調器
網絡協調器是系統中網絡的核心，是整個系統數據傳輸的關鍵節點，連接著上位機和溫度測控終端。網絡協調器由控制芯片STM32F103ZET6和無線ZigBee模塊CC2420組成，其主要作用是依據RS485總線模式，采用Modbus協議與上位機計算機通信，接收指令發送數據。同時通過ZigBee模塊CC2420與溫度測控終端進行通信，接收和發送數據。
網絡協調器利用STM32F103ZET6單片機的串口實現與上位機的通信。由于上位機MCGS系統采用的是Modbus協議，因此單片機需要設置與上位機相兼容的Modbus通訊協議。設計中采用STM32F103ZET6串口的8位異步通信方式，通訊的波特率與上位機保持一致，故設置為9600的波特率。依據ModBus協議，單片機在接收到上位機發出的查詢指令后，需要應答，且應答的數據幀也需要符合ModBus的協議要求。上位機在接收到應答數據幀后，會對數據進行CRC-16校驗，若上位機計算得到的校驗碼和單片機應答的校驗碼一致，則表示數據傳輸正確，否則上位機會請求單片機重新應答發送數據。設計中采用查表的方式驗證循環冗余校驗碼。單片機返回數據幀格式如表1所示。
4溫度測控終端
溫度測控終端主要對現場溫度進行采集和控制，并通過無線模塊發送和接收數據，主要由STM32F103ZET6單片機、溫度傳感器和CC2420模塊組成。4.1溫度測控終端硬件設計溫度的采集使用Dallas公司的DS18B20溫度傳感器，其測量溫度的精度可達到±0.5℃，測量溫度的范圍在−55℃～+125℃，分辨率達到0.0625℃，完全可以滿足所有鍍種鍍液溫度的監測要求[5]。由于DS18B20在工作時，芯片內部直接進行A/D轉換，輸出的是數字量，因此不需要復雜的A/D轉換電路，單片機就可以對數據讀取和采集。DS18B20采用單總線方式，只需要一條數據線就可以與單片機進行通訊。實際使用中，在數據線上加一個4.7kΩ的上拉電阻，供電采用5.0V。
相關期刊推薦：《電鍍與精飾》設有：論文、新技術新工藝、綜述、專論、清潔生產、電子電鍍、設備、涂料涂裝、生產實踐、新秀園地、分析檢測等欄目。報道電鍍及其他表面處理技術領域的動態水平發展趨勢科研成果及專題資料。
由于終端既要采集控制溫度，還要通過CC2420與上位機通信，故要求單片機有較快的處理速度，且還要有豐富的片上資源。因此系統采用STM32F103ZET6單片機作為終端的控制芯片，STM32F103ZET6是基于Cortex-M3ARM內核的32位微處理器，具有性能高、功耗低、成本低的特點[6]。STM32F103ZET6最高工作頻率可達72MHz，芯片自帶串口和SPI接口，非常便于組建本系統控制電路，運算速度也完全滿足本電路設計要求。STM32F103ZET6控制芯片一方面通過單總線和DS18B20溫度傳感器通信，讀取數據，采集現場溫度，并根據PID算法，計算溫度偏差，通過PWM接口控制可控硅加熱，實現恒溫控制。另一方面通過SPI協議和CC2420通信，與網絡協調器組成Zig⁃Bee網絡，并通過CC2420接收和發送數據。
4.2溫度測控終端軟件設計
終端上電后，先進行系統的初始化，然后發出加入ZigBee網絡請求，若請求不成功，則繼續循環請求。若請求加入成功，則與網絡協調器組成Zig⁃Bee網絡，根據上位機發出的指令，采集鍍液溫度數據，然后結合PID算法，通過調整PWM控制可控硅，利用加熱棒，對鍍液溫度進行恒溫控制，并將采集的鍍液溫度數據再發送給上位機，最后進行掃描檢測，判斷發送是否成功，若不成功則繼續發送。程序流程圖如圖3所示。
5ZigBee無線網絡的設計與組建
系統采用兼容IEEE802.15.4協議的ZigbeeCC2420無線收發模塊搭建和組網，具有低成本、低功耗、抗干擾能力強的特點，CC2420內部設置有標準8051內核，片內設有ROM和RAM，預置了SPI接口，可方便組網與拓展，實現遠程通信和自動控制[7]。ZigBee的開發采用IAREmbeddedWork⁃bench7.51平臺，使用C語言進行編程。
ZigBee無線網絡通信模塊應用于本系統中的網絡協調器和溫度測控終端兩部分。系統利用ZStack協議棧進行組網，組成星型結構。系統上電開始運行后，網絡協調器先進行初始化，配置網絡參數，接著進行信道的掃描，掃描到信道后，組建網絡并監測是否有網絡節點請求加入網絡，收到請求加入網絡后，根據地址空間的大小，決定是否允許節點加入網絡;如果允許，網絡協調器將分配16位的網絡地址給測控節點，形成自組織網絡。當以上網絡搭建全部完成后，網絡協調器根據上位機的指令，向溫度測控節點發送溫度設置和采集指令，并接收來自溫度測控終端節點的數據，通過RS-485總線，傳送給上位機計算機，數據處理后，顯示在組態系統上。網絡協調器工作流程圖如圖4所示。
6系統測試和結果分析
該系統已完成了實驗室初試及現場的小規模中試，在中試階段，系統部署于河南省焦作市某公司的12及56系列U型鎖組件的電鍍生產線上。具體的操作為在原有設備的基礎上，增設了中控室，其中部署了上位機與網絡協調器，二者通過RS-485進行連接并實時交互數據。此外，設置了5個無線傳感器網絡節點，對電鍍生產線上需要恒溫控制的1個水洗槽、1個除油槽、3個電鍍槽進行監測和控制，每個節點距離網絡協調器均在40m以上。開機10min后現場對溫度進行實際測量，并與設置溫度和組態上采集到的溫度相對比，測試結果如表2所示。經測試，ZigBee無線網絡通信良好，溫度測控終端對各槽位恒溫控制穩定，計算機組態系統顯示的溫度與實際鍍槽鍍液溫度一致。
根據電鍍生產工藝和工廠生產需求，使上述系統長期工作于電鍍生產線上，測試結果表明，相比于傳統的現場分布式溫度測量和控制方案，由于該系統溫度測控終端引入了PID控制算法，溫度監測及控制的準確度較之前大幅度提高。該系統在現場長期運行表現穩定，Zigbee網絡通信可靠，未出現數據錯誤。
7結語
為了解決電鍍生產線溫度有線監控系統，布線存在的局限、復雜、分散問題，采用ZigBee無線技術，構建了無線通信網絡，實現了電鍍生產線上多部位溫度的集中監測控制。該系統硬件成本較低，溫度測控終端及網絡協調器單套成本在三十元左右。由于測控終端采用無線傳輸數據，不受空間位置約束，可靈活變換槽位，因此無需每個槽位都設置終端。使用過程中，可根據不同鍍種的工藝要求，僅在需要測溫的槽位設置測控終端，減少了終端設置的數量，一定程度上也降低了改造成本。整個系統在運行過程中功耗較低，運行成本較低，后期易于維護。該系統目前已在實際電鍍生產線上完成了小規模中試，運行效果良好，提高了電鍍表面處理效率，為電鍍提供了更加有利的條件，保障了電鍍質量，待進一步測試后，可大規模應用至電鍍生產中。該系統還可加入電流、電壓檢測傳感器，對電鍍過程中電流和電壓的相關數據進行監控，從而實現多參數的監控。——論文作者：薛迪杰1*，陳軍1，陳景召1，2
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