基于ZigBee的熱軋企業(yè)能源管理系統(tǒng)設計與應用

畢 鋒，劉毅敏，郝 瓊

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

在我國已經加入WTO的大背景下，鋼鐵企業(yè)要在全球鋼鐵企業(yè)中脫穎而出，就必須在產品成本、質量、服務及快速響應等方面提升自身競爭力，才能經受來自世界先進鋼鐵企業(yè)的嚴峻挑戰(zhàn)，而 “能源消耗”仍是產品競爭的基礎和關鍵。

建立生產區(qū)域內部嚴密、科學的能源消耗情況監(jiān)測體系是確保企業(yè)經營有序、節(jié)約成本、快速高效的前提。而隨著互聯(lián)網和通信技術的不斷發(fā)展與完善，基于網絡和通信技術的能源消耗實時監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛地應用于生產和生活中。

系統(tǒng)瞄準鋼鐵產品形成的關鍵生產環(huán)節(jié)，聚焦于資源，以熱軋能源消耗成本為跟蹤目標，采用ZigBee無線通信方式，具體研究熱軋能源消耗成本的標準化的能源消耗情況監(jiān)測管理方法。

在生產各個環(huán)節(jié)檢測資源的消耗情況并設計相應的監(jiān)測信息系統(tǒng)加以統(tǒng)計分析，形成一套生產區(qū)域能源消耗情況的標準化的監(jiān)測管理方法，將有助于熱軋企業(yè)對能源消耗和生產成本進行核算和控制，有助于控制生產能源消耗情況，有助于管理層決策，從而為企業(yè)實現(xiàn)成本標準化的精細管理提供有力支持。

1 通信信道的選擇

熱軋企業(yè)的能源管理系統(tǒng)采用分布式的體系結構，通信分為有線層和無線層。有線層是采集終端與傳輸控制器之間的通信；無線層是監(jiān)管中心與無線數據接收器之間的通信。

1）有線層的通信方案

有線層采用的是RS-485總線，RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力[1]。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯(lián)網構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅動器和32臺接收器[2]。485總線由于布線簡單，被廣泛應用于銀行監(jiān)控，視頻對講，門禁監(jiān)控等領域[3]。

在熱軋企業(yè)的復雜環(huán)境下，由于要克服信號衰減、信號干擾等一系列的不穩(wěn)定因素，故采用RS-485總線通信方式來完成采集終端與傳輸控制器之間的通信。

2）無線層的通信方案

無線層采用的是ZigBee傳輸協(xié)議。Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協(xié)議。根據這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協(xié)定，底層是采用IEEE802.15.4標準規(guī)范的媒體存取層與實體層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支援大量網絡節(jié)點、支援多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee相較于其他協(xié)議的最大優(yōu)勢在于低功耗和低成本，并且安全可靠[4]。它在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格大約為2美元。最關鍵的在于ZigBee安全可靠，ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數據以及采用高級加密標準 （AES 128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。在熱軋廠這樣的復雜區(qū)域，經過上述對比，熱軋能源管理系統(tǒng)采用ZigBee技術來實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 能源管理系統(tǒng)的目標

能源管理系統(tǒng)是一種基于WEB的現(xiàn)代化能源管理平臺，可以對熱軋企業(yè)的能耗數據進行采集、存儲、分析、統(tǒng)計、查詢，為企業(yè)的節(jié)能提供科學依據，并為進一步優(yōu)化能源利用提供科學數據參考。在幫助企業(yè)擴大生產的同時，合理的計劃和利用能源，降低噸鋼能耗。

2.2 系統(tǒng)總體結構

熱軋企業(yè)能源管理系統(tǒng)由數據監(jiān)控服務器、無線傳輸網絡、采集終端組成，其總計結構如圖1所示。數據監(jiān)控服務器是整個系統(tǒng)的核心部分，它對整個系統(tǒng)進行管理和控制。采集終端則將能源計量表的數據進行采集并通過RS-485總線傳輸給工業(yè)PLC。無線傳輸網絡負責將無線采集終端的數據通過ZigBee傳輸給ZigBee協(xié)調器，然后再通過局域網傳輸給數據監(jiān)控服務器。

系統(tǒng)工作過程：各能源計量表通過表內的傳感器將實時采集的數據傳送至工業(yè)PLC，然后再由工業(yè)PLC將數據進行處理，接著將處理好的數據通過ZigBee終端用ZigBee網絡傳輸給ZigBee協(xié)調器，再通過局域網傳輸寫入數據監(jiān)控服務器的數據庫中。在無線通訊端，采集終端將數據通過ZigBee終端傳輸給ZigBee協(xié)調器，ZigBee協(xié)調器再將數據傳輸給數據監(jiān)控服務器。由于數據監(jiān)控服務器掛在互聯(lián)網上，各種計算機都能通過對應的網址訪問到對應權限的數據頁面。

3 監(jiān)控中心的建立

3.1 網絡通信的實現(xiàn)

網絡設計是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，它對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性起著十分重要的作用。考慮到熱軋企業(yè)的能源數據傳輸量比較大，并且該監(jiān)控中心的系統(tǒng)不能破壞到原有的生產系統(tǒng)，在工業(yè)PLC上添加ZigBee終端，直接將數據通過ZigBee傳輸到ZigBee協(xié)調器，然后將數據寫入數據監(jiān)控服務器中。

在無線傳輸網絡中，首先ZigBee協(xié)調器設備的應用層調用NLME_NETWORK_FORMATION.request原語，發(fā)出建立網絡的請求，網絡層收到這個原語之后，就會調用MLME_SCAN.request在MAC層執(zhí)行信道的掃描并標注可用信道，接下來進行活動情況掃描，如果找到了合適的信道，將隨機選擇一個不與原來的沖突的PAN，然后在MAC層注冊這個ID號，接著選擇網絡地址，然后發(fā)送MLME_START.Request原語獲取PAN ID和信道掃描結果并通知上層[5]。由此建立起ZigBee無線通訊的網絡。對于子設備，子設備首先調用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原語，網絡層接收到這個原語，將要求MAC層執(zhí)行被動或主動的掃描，一旦完成了掃描將發(fā)送MLME-SCAN.confirm原語，告知網絡層，網絡層將發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm原語告知應用層，應用層收到該原語，從關聯(lián)表中選擇發(fā)現(xiàn)的網絡加入，調用NLME-JOIN.request原語，選擇到調節(jié)器深度最低的設備，由此子設備添加進入網絡。

系統(tǒng)開始工作時，工業(yè)PLC開始運作，將數據通過ZigBee傳輸并寫入到數據監(jiān)控服務器，同時，無線數據接服務器將無線端接收到的數據讀取并寫入到數據監(jiān)控服務器。至此，數據全部實時的不停的寫入數據監(jiān)控服務器，用戶可以通過瀏覽器訪問數據監(jiān)控服務器上的網站來獲得相應的數據。

3.2 應用管理系統(tǒng)設計

根據需求分析，對系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能進行分解，將應用管理系統(tǒng)細分為5個子系統(tǒng)，應用管理系統(tǒng)的功能結構如圖2所示。

基于ZigBee的熱軋能源管理系統(tǒng)，具有良好的用戶交互界面，且操作使用方便。在瀏覽器中輸入相應的網址，輸入相應的用戶名和密碼，即可進入系統(tǒng)的主界面。如圖3所示。

圖3 應用系統(tǒng)主界面Fig.3 The homepage of application system

從圖3中可以看出，該能源管理系統(tǒng)包含數據監(jiān)視、數據查詢、數據分析、生產管理、報表管理、權限管理、數據庫維護等菜單[6]。每個菜單下都有相應的子菜單。該系統(tǒng)用于實時監(jiān)測與記錄現(xiàn)場的運行數據，自動生成圖表，并具有分析能力。具體如下：

1）數據管理功能。系統(tǒng)對各能源計量表的數據進行采集、顯示、記錄、分析，可以自動生成各種能耗曲線、圖表、報表，得到各種分析數據，如燒損率，噸鋼能耗等，實現(xiàn)無人自動抄表。數據庫可管理維護，滿足各部門需求。

2）打印功能。可打印熱軋廠內部各部門能源消耗的日、月、班報表，并根據需求對報表進行分析處理。

3）網絡瀏覽功能。該系統(tǒng)采用BS模式設計，各種計算機通過網絡都能使用該系統(tǒng)相應權限的功能。

4 結 論

基于ZigBee的熱軋能源管理系統(tǒng)綜合運用了計算機技術、網絡技術、GPRS無線通信技術等領域的最新成果，實現(xiàn)了對熱軋企業(yè)能源消耗的在線監(jiān)測和實時查詢。該系統(tǒng)的使用將為熱軋企業(yè)的能源消耗提供依據，為進一步節(jié)能提供指導方案，達到優(yōu)化資源配置，降低能源消耗的目的。

[1]林景波，祁國華，馬培鋒，等.基于RS-485企業(yè)能源計量系統(tǒng)通信和軟件的設計[J].低壓電氣，2006，12（3）：30-33.LIN Jing-bo，QI Guo-hua，MA Pei-feng，et al.Design of communication and software of enterprise energy consumed statistic system based on RS-485[J].Low Voltage Apparatus，2006，12（3）：30-33.

[2]倪慶萍.管理信息系統(tǒng)原理[M].北京:清華大學出版社，北京交通大學出版社，2006.

[3]周鮮成.能源實時數據采集與管理系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)[J].湖南商學院學報，2005，12（4）：42-43，56.ZHOU Xian-cheng.The energy factual data collection and the development and realization of management system[J].Journal of Hunan Busiess College，2005，12（4）：42-43，56.

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