應(yīng)用ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)、PLC 及組態(tài)軟件WinCC 組成和設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警，從而提高了起重機(jī)系統(tǒng)的安全性能，并能提供歷史數(shù)據(jù)查詢，為維護(hù)和修理帶來極大的方便。

隨著造船的大型化發(fā)展趨勢(shì)，造船門式起重機(jī)( 以下簡(jiǎn)稱造船門機(jī)) 的數(shù)量和噸位隨之增長(zhǎng)。由于大型造船門機(jī)具有起重量大、跨度大、起升高度高等特點(diǎn)，起重機(jī)危險(xiǎn)因素、事故也越來越多。若生產(chǎn)、使用和管理不當(dāng)，更會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故。由于造船門機(jī)的造價(jià)昂貴，建造和安裝調(diào)試周期長(zhǎng)，又是大型船舶建造過程中必不可少的設(shè)備，一旦發(fā)生重大事故，不但設(shè)備本身損失巨大，還會(huì)打亂船廠的整個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃，影響船舶交付時(shí)間。因此，造船門機(jī)的可靠性和安全性

一直受到高度重視。隨著GB /T 28264—2012《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，以及國(guó)家質(zhì)檢總局下發(fā)的《大型起重機(jī)械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)施方案》( 國(guó)質(zhì)檢特聯(lián)〔2011〕137號(hào)) 和《關(guān)于開展大型起重機(jī)械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)前期示范試點(diǎn)工作的通知》( 質(zhì)檢辦特聯(lián)〔2011〕1394 號(hào)) 文件的要求，造船門機(jī)被列為

首批安裝起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的試點(diǎn)型號(hào)。目前，國(guó)內(nèi)起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)尚處于起步階段，監(jiān)控參數(shù)有限，傳感器采用有線連接方式布置復(fù)雜，易損壞。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種造船門機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，在原有PLC 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)完善。

 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求

2012 年國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布了GB /T 28264—2012 《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，故該系統(tǒng)首先應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。據(jù)國(guó)標(biāo)GB /T 28264—2012 《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的要求，系統(tǒng)應(yīng)由信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元、信息存儲(chǔ)單元、信息顯示單元和信息導(dǎo)出接口單元等組成。對(duì)于有遠(yuǎn)程監(jiān)控要求時(shí)，應(yīng)增加遠(yuǎn)程傳輸單元。并且特別注明:安全監(jiān)控系統(tǒng)是起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的一部分，非獨(dú)立產(chǎn)品。

安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

按照安全監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)按功能上分為2 大部分: 由基于ZigBee 技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)和PLC 及其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的起重機(jī)監(jiān)控管理( CMS) 子系統(tǒng)。如圖1 所示。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖2 所示。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于休眠狀態(tài)以降低功耗，節(jié)點(diǎn)通過定時(shí)器定時(shí)喚醒來采集相關(guān)數(shù)據(jù)，再經(jīng)無線通信發(fā)送到ZigBee 協(xié)調(diào)器。CMS 主要由PLC 主站、從站和上位機(jī)組成，主站與遠(yuǎn)程從站通過光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。PLC 和上位

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖機(jī)之間通過以太網(wǎng)絡(luò)的通訊，采用上位機(jī)作為CMS 顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，上位機(jī)中建有數(shù)據(jù)

庫(kù)，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2. 1 無線數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2. 1. 1 CC2530 芯片

CC2530［2］是以CC2430 為基礎(chǔ)并進(jìn)行全面升級(jí)，擁有8KB 的ＲAM、32 /64 /128 /256KB Flash。CC2530 的通信距離增加為400 m，而CC2430 只有80 m 左右，可滿足絕大部分場(chǎng)合的需求。CC2530支持新的ZigBee2007 協(xié)議棧，支持系統(tǒng)編程，具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530 內(nèi)核核心為增強(qiáng)性8051，增強(qiáng)型8051每個(gè)指令周期為一個(gè)時(shí)鐘周期，取消了無用的總線狀態(tài)，而標(biāo)準(zhǔn)8051 每個(gè)指令周期為12 個(gè)時(shí)鐘周期，故指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051 快。CC2530 使用了8051 指令集，但因內(nèi)核指令周期不同，故某些

程序不能直接使用，例如延時(shí)程序。

2. 1. 2 采集終端

1) 模擬量輸入

對(duì)于壓力、溫度等傳感器采集的模擬量信號(hào)，需轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)

后，系統(tǒng)才能進(jìn)行處理、傳輸和儲(chǔ)存。CC2530 集成的ADC 擁有8 個(gè)獨(dú)立的輸入通道，可接受單端或差分信號(hào)，可設(shè)置7 到12 位分辨率，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)進(jìn)行DMA 觸發(fā)。它包括一個(gè)模擬多路轉(zhuǎn)換器，一個(gè)參考電壓發(fā)生器，自帶溫度傳感器輸入。支持電池測(cè)量功能。執(zhí)行一個(gè)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間取決于所選的抽取率。

轉(zhuǎn)換時(shí)間由以下公式給定Tconv = ( 抽取率+ 16) × 0. 25 μs

2) 開關(guān)量輸入

監(jiān)控量除了有模擬信號(hào)，還有某些裝置的工作狀況( 如制動(dòng)器開閉情況) 以及由開關(guān)量實(shí)現(xiàn)的控制功能( 如門限位、運(yùn)行限位等) 需要監(jiān)測(cè)。

圖3 為開關(guān)量信號(hào)的輸入形式，Ui由信號(hào)采集裝置提供，開關(guān)量輸入的信號(hào)通過光電偶合器TLP521 － 4，U0高電平表示開，低電平表示關(guān)，將開關(guān)量變?yōu)椤?”、“0”信號(hào)。圖4 為采集終端電路示意圖。

圖3 開關(guān)量信號(hào)輸入形式

2. 1. 3 ZigBee 協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器模塊結(jié)構(gòu)與采集器模塊基本一致，主

要區(qū)別在于協(xié)調(diào)器增加了串口轉(zhuǎn)換電路用于和上位機(jī)通信，協(xié)調(diào)器需要定時(shí)訪問終端節(jié)點(diǎn)，收集采集到的原始數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給上位機(jī)。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，需要不停地對(duì)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)查詢，上傳數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡(luò)管理等功能，不能設(shè)置休眠，使整體功耗較大，故采用5 V 的外接電源，這樣才能保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。CC2530

圖4 采集終端電路示意圖的UAＲT 接口連接MAX232 芯片，完成TTL 電平與ＲS232 電平之間的轉(zhuǎn)換后與ET 從站進(jìn)行通信。

2. 2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)基于原有的控制系統(tǒng)，ZigBee 協(xié)調(diào)器通過串口與遠(yuǎn)程柜的CP340 模塊連接后與ET－ 200M 從站通信。遠(yuǎn)程柜的ET － 200M 從站通過光電模塊( OLM) 以及光纜連接到電氣室的OLM，再通過PＲOFIBUS 總線與電氣室的CPU 模塊連接。PLC 通過以太網(wǎng)卡和上位機(jī)通訊，2 臺(tái)工控機(jī)分別安裝在電氣室和司機(jī)室內(nèi)作為CMS 顯

示，電氣室內(nèi)的工控機(jī)還要對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立數(shù)據(jù)庫(kù)并儲(chǔ)存，以便實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

3 造船門機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3. 1 ZigBee 無線網(wǎng)路軟件設(shè)計(jì)

3. 1. 1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，只有協(xié)調(diào)器可以建立網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。如網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)丟掉一些來不及響應(yīng)的請(qǐng)求。建立網(wǎng)絡(luò)過程中，協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行信道掃描，尋找合適信道并標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)號(hào)，自動(dòng)刪除不合適的信道。ZigBee 協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程見圖5。

ZigBee 協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后，新加入的節(jié)點(diǎn)就是子節(jié)點(diǎn)，而第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是父節(jié)點(diǎn)。加入網(wǎng)絡(luò)的信息流程圖如圖6 所示。

3. 1. 2 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要用來采集各監(jiān)控點(diǎn)的參數(shù)，并圖5 協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)的流程圖圖6 允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的流程向上發(fā)送至協(xié)調(diào)器，同時(shí)它也可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令。軟件設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集及傳輸和系統(tǒng)休眠等部分。

1) 終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)計(jì)

設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)只與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，且節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行間接通信。終端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層事件響應(yīng)如圖7 所示。

圖7 終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程

2) 系統(tǒng)休眠模式設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)一般處于休眠模式，通過定時(shí)器或外部喚醒，以降低功耗。休眠模式分為全功能模式、PM1、PM2 和PM3 等模式，其中PM3 模式時(shí)所有的晶振全關(guān)，此時(shí)系統(tǒng)的功耗最低。

3. 2 WinCC 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的顯示由SIMATIC WinCC 組態(tài)軟件開發(fā)完成，WinCC 通過下位機(jī)PLC 實(shí)時(shí)采集器上傳的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后建立監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能［3 － 5］。其結(jié)構(gòu)組織圖如圖8 所示。

WinCC 軟件中設(shè)計(jì)步驟如下:

1) 設(shè)置通信程序組態(tài)一個(gè)通信連接，使WinCC 可訪問PLC 的當(dāng)前過程值;

2) 定義變量為所有需要監(jiān)控的過程變量建立與PLC 中對(duì)應(yīng)變量地址的邏輯連接;

3) 建立和編輯組態(tài)畫面創(chuàng)建監(jiān)控系統(tǒng)需要顯示的過程畫面，并將某個(gè)屬性與變量關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。監(jiān)控畫面主要通過WinCC 軟件的圖形編輯器完成，圖形編輯器由圖形程序和各種工具組成，如果覺得自帶的圖形不滿足要求，可自行繪制后導(dǎo)入到圖形編輯器中。

4 總結(jié)

本文提出了一種基于ZigBee 的現(xiàn)場(chǎng)無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能。但還存在許多不足和需要改進(jìn)的地方。起重機(jī)的核心是鋼結(jié)構(gòu)，故可以增加鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)功能，以便對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且有利于日后的結(jié)構(gòu)壽命分析。故障診斷功能可以加入模糊理論等，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的智能分析預(yù)測(cè)判斷，以便進(jìn)行及時(shí)維修，減小故障的發(fā)生率。