工業無線閥門監測器信號傳送距離的拓展技術

吳偉國

(無錫圣漢斯氣動控制器進出口有限公司，江蘇 無錫 214112)

構建閥門監測網絡，確保工業控制系統的上位機能夠實時監測閥門的工作狀態，是工業管道流體自動控制的重要組成部分。目前較為流行的工業控制系統，如PLC、DCS及SCADA等，均采用電纜線作為閥位信號的傳送介質，將安裝在現場閥門頂端的監測器(即限位開關)接收到的單刀雙擲(SPDT)開關信號，以點對點的接線方式遠程傳輸至PLC、DCS、SCADA系統和上位機。由于工業現場的復雜性，采用電纜線傳送閥位信號不僅要花費大量資金用于電纜線、線架、控制柜及I/O等輔助設備設施的采購，還有施工布線時排線麻煩、耗時長、用工多、專業性強、線路老化及檢修復雜而又困難等問題，這些困難和額外的購置資金嚴重阻礙了工業管道流體自動控制中閥位監測技術的發展。

早在2003年，美國Emerson公司就開始著手研發無線閥門監控裝置，以徹底擺脫電纜線的束縛。后經工廠測試和完善，于2006年前后開始投放市場。但由于其產品采用了Wireless Hart無線技術，無線裝置的價格較高，故其市場普及率受到一定的制約。2009年以來，以以色列的Eltav公司為代表的一些國外著名公司開始將價格更低的ZigBee無線技術移植到無線閥門監測領域，開發了無線閥門監測器等設備，但因其受制于干電池的供電壽命，他們采用標配的ZigBee無線信號發射功率開發閥門監測器在室外空曠環境中的有效傳送距離僅70m左右[1]，遠遠不能滿足工業現場的需求，嚴重阻礙了無線技術在閥門監測中的推廣和應用。為此，無錫圣漢斯氣動控制器進出口有限公司基于ZigBee無線技術的最新研究成果[2，3]，在確保電池使用壽命的前提下，深入研究拓展無線閥門監測器信號傳送距離的方法和途徑。

1 無線閥門監測器信號傳送距離分析①

采用ZigBee無線通信技術設計的無線閥門監測器是有線閥門監測器的技術升級產品，如圖1所示，無線閥門監測器主要由外殼、凸輪、位置傳感器、鋰電池、ZigBee模塊及天線等部件組成。其中凸輪機構負責檢測閥門的機械位置(開度)；位置傳感器負責將閥門的機械開度轉換成單刀單擲(SPST)信號；ZigBee模塊負責將來自傳感器的閥門開度信號轉換為無線信號，并通過外置天線遠程發送給無線主控設備。其中ZigBee模塊是無線通信的關鍵部件，無線信號的傳送距離主要取決于其技術參數的優化設計。

圖1 無線閥門監測器結構示意圖

ZigBee是一種應用于短距離范圍內，在各種電子設備之間進行低速率、低功耗傳送信號的無線通信技術。在空間環境相同的情況下，其信號傳送距離取決于發射功率，標準功率的傳送距離一般在10～100m，在增加射頻發射功率后，其傳送距離可延長至1～3km[3]。但是，過大的發射功率又會增加功耗，嚴重縮短鋰電池的使用壽命。安裝在現場的閥門監測器頻繁更換電池，更會影響整個生產系統中相關參數信號的實時監測與傳輸。顯而易見，無線閥門監測器信號傳送距離與鋰電池的工作壽命是相互對立的，尋找其最佳平衡點是此次研究的重點。

2 增加無線閥門監測器信號傳送距離的途徑

2.1 增加射頻發射功率

ZigBee模塊的射頻發射功率通常設置在+3dBm(2mW)，其無線信號傳送距離一般在70m左右。按照我國《關于調整2.4GHz頻段發射功率限值及有關問題的通知》的有關規定，ZigBee技術2.4GHz頻段的最高發射功率可增加至+20dBm(100mW)。通過實驗研究(見2.2小節)發現，如果將ZigBee模塊的射頻發射功率增加到+20dBm(100mW)，其無線信號傳送距離可拓展到200m以上，這就基本上能夠滿足大多數工業現場的需求。但是，此時ZigBee模塊的工作電流已經達到120mA(實測值)。以武漢孚特鋰亞硫酰氯電池(1AA，3.6V，2 700mAh)為例，按照如圖2所示的鋰電池放電特性曲線測算(25℃)，以一節鋰亞硫酰氯電池(1AA，3.6V，2 700mAh)作為供電電源，其工作壽命只有幾十小時，根本無法滿足工業設備的正常工作需求。

圖2 鋰亞硫酰氯電池放電特性曲線

2.2 優化信號數據包并降低占空比

ZigBee技術的最大特點是低功耗的潛力很大，因而可以通過優化信號數據包并降低占空比的方式來延長電池的工作壽命，具體步驟如下：

a. 通過簡化信號數據的傳送量，優化信號數據包的結構，以縮短信號的收發時間。

從無線閥門監測網和工業閥門的狀態變化來看，一個十六進制20Bytes的數據包(數據包由設備的地址8Bytes、設備類型1Byte、命令類型1Byte、輸入輸出開關量2Bytes、輸入輸出模擬量4Bytes、電池電壓值2Bytes和溫度值2Bytes組成)就能完整地反映閥位的狀態，由于被傳送的數據量非常小，故其收發時間完全可以控制在15ms以內。

b. 引入“休眠叫醒”機制，最大限度地降低模塊的電流消耗。ZigBee技術允許模塊在不工作時設置為休眠模式[3]，在休眠模式下其消耗的電流僅為1.3～25.0μA(實測值)。為此，在模塊設計中引入“休眠叫醒”機制，讓無線模塊在大部分時間里處于“休眠”狀態，當閥位開關狀態發生變化時(SPST信號變化)，無線模塊就會被激活并立即將檢測到的閥位信號發送給接收器。如果閥位處于無變化狀態，ZigBee模塊則每間隔15min自動激活，檢測并發送最新的閥位信號數據包。

從ZigBee模塊被激活到數據檢測和發送完畢的過程稱為模塊的工作過程，其工作時間約15ms，其他時間則為休眠時間。因此引入“休眠叫醒”機制后，模塊的占空比[3](工作時間/(工作時間+休眠時間))僅為0.02‰。如此低的占空比可極大地延長電池的使用壽命。經估算，引入“休眠叫醒”機制后，該模塊的平均消耗電流可降至3.3～27.0μA。按照如圖2所示的電池放電特性曲線推算，一節鋰亞硫酰氯電池(1AA，3.6V，2 700mAh)供給ZigBee模塊工作，其電池使用壽命可延長至30 000h，相當于近三年半的時間。

表1是對4個無線閥門監測器模塊實測的鋰電池電壓衰減記錄，在每個檢測日上午，工程師用萬用表檢測電池兩端電壓并記錄；被檢監測器每天開關動作48次，相當于該閥位每30min動作一次；電池采用武漢孚特公司生產的鋰亞硫酰氯電池(1AA，3.6V，2 700mAh)。可以看出，兩年的時間中無線閥門監測器的鋰電池電壓下降約0.12～0.18V(下降約3.3%～5.0%的電壓)。以此推算，假定無線閥門監測器每天動作30次，采用1AA，3.6V，2 700mAh標準的鋰亞硫酰氯電池供電，其連續工作3年以上不換電池是可行的。這也很好地證實了上述理論測算的正確性。

表1 無線閥門監測器鋰電池壽命測試電壓衰減統計 V

3 測試

為驗證采用增強射頻發射功率+20dBm(100mW)并引進“休眠叫醒”機制后，ZigBee模塊的有效無線通信距離，技術人員設計了一個計算機無線閥門監測網絡。如圖3所示，該網絡由計算機、微爾閥門物聯網應用軟件[4]、無線網關、網絡中繼器和眾多的無線閥門監測器組成。在圖3所示的網絡中，各無線設備的主要技術參數見表2。

圖3 測試用計算機無線監測網絡示意圖 表2 測試用計算機無線監測網絡中無線設備的技術參數

參數無線閥門監測器無線網絡中繼器無線網關(主控設備)供電情況鋰電池,1AA,3.6V,2 400mAh有線電源24V(DC)計算機供電有線網通信協議--WiV協議或Modbus RTU可選無線網通信協議ZigBee-WiV協議無線頻道2.4GHz at IEEE 802.15.4-2009(ZigBee 2009)傳送速率250kbit/s發射功率+20dBm(100mW)

無線閥門監測器是計算機監測網絡中的從屬設備，具有感知和無線傳送閥位信號的功能，由無線智能模塊、位置傳感器及鋰電池等組成。

網絡中繼器是計算機監測網絡中用于拓展信號傳送距離的中繼設備，負責網關與無線閥門監測器之間相距較遠或有障礙阻擋時的信號中繼。

無線網關是計算機監測網絡中的主控設備，扮演著網絡協調器的角色，其主要功能：一是采用給定的信標創建自愈合網狀無線網絡；二是與網絡中相同信標的中繼器和眾多無線閥門監測器保持實時無線數據通信，接收閥位數據包；三是通過USB接口與計算機進行實時數據通信。

微爾閥門物聯網應用軟件可以安裝在安裝有Windows9X、WindowsNT、Windows2000、WindowsXP、Windows7或Windows8操作系統的計算機上，管理人員和相關的工程師通過計算機操作系統的人機界面即可實施遠程閥門閥位的實時檢測和診斷。

可靠的無線通信距離是無線閥門監測網絡的重要指標，筆者以計算機監測網絡為對象，實施了3種通信距離的測試工作。

3.1 無線閥門監測器的通信距離測試

2014年4月13日，技術人員將裝有微爾閥門物聯網應用軟件的筆記本電腦置于距離地面25m高處，并將無線網關的USB插頭接入計算機的端口。該網關由計算機供電，在空間自動創建了一個計算機無線監測網絡。測試中，將裝在手動閥頂部的無線閥門監測器置于直線距離200～400m開外的路面上，高度為1.5m，由測試員手動閥位并電話告知觀察員。觀察員通過計算機屏幕監測無線閥門監測器由于閥位變動產生并發送來的最新閥位信號。每個距離測試規定測試員改變閥位10次，觀察員記錄計算機接收信號次數，詳見表3。

表3 無線閥門監測器通信距離測試

3.2 中繼器的通信距離測試

2014年10月12日，技術人員將中繼器安置于距離地面25m處，由室內24V(DC)開關電源有線供電。將裝有微爾閥門物聯網應用軟件的筆記本電腦置于直線距離200～260m開外的路面上，高度為1.5m，并將無線網關的USB插頭接入計算機端口。該網關由計算機供電，在空間自動創建了一個計算機無線監測網絡。由于中繼器始終處于激活的工作狀態，可通過計算機的詢問接收到其反饋來的數據包。如果詢問后沒收到其反饋信號，說明中繼器處于失聯狀態。測試中，由觀察員通過計算機詢問中繼器然后記錄其反饋情況。每個距離測試規定觀察員詢問中繼器10次，并記錄計算機接收的反饋信號次數，詳見表4。

3.3 無線閥門監測器通過中繼器轉發信號的距離測試

2014年10月12日，由技術人員將中繼器置 于距離地面25m處，由室內24V(DC)開關電源有線供電。將裝有無線網關和微爾閥門物聯網應用軟件的筆記本電腦置于西向直線距離200m外的路面上，高度為1.5m。將裝在手動閥頂部的無線閥門監測器置于東向直線距離200～300m開外的路面上，高度為1.5m。在這種空間布置中，網關和筆記本電腦與無線閥門監測器處于同一高度，其距離超過400m且中間有大量的人行道、樹木、行人及汽車等，在沒有中繼器轉送信號時，計算機無法接收到400m外監測器發送的信號。測試中，首先激活中繼器，然后由測試員手動閥位并電話告知觀察員。觀察員通過計算機監測無線閥門監測器發送來的最新閥位信號。每個距離測試規定測試員改變閥位10次，觀察員記錄計算機接收信號次數，詳見表5。

表4 中繼器通信距離測試

表5 無線閥門監測器通過中繼器轉發信號的距離測試

*因空間限制，中繼器至監測器直線距離之間有墻面障礙。

由上述測試數據可知：

a. 將閥門監測器、中繼器和網關的無線信號發射功率設置在+20dBm(100mW)時，其有效無線通信距離可超過200m。在一跳中繼器的介入后，其有效通信距離可延伸至400m以上。從理論上講，假設有三跳中繼器介入，則無線信號的有效傳送距離可達800m以上。這種通信距離是比較適合工業閥門的遠程監測的。

b. 無線信號在空中傳送時，中間障礙物(移動的汽車和行人)對信號的影響較大，可將中繼器或網關置于高位，如3.3小節所述的第三種距離測試辦法，可十分有效地避免中間的移動障礙物對無線信號的影響。這在組建無線網絡時必須注意。

4 現場應用

美國WSA工程系統公司是業內熟知的水處理服務公司，專業從事全自動管刷、膠球在線清洗系統業務。該公司首次將上述計算機無線閥門測控系統運用于膠球在線清洗系統，其監控界面如圖4所示。采用了計算機無線閥門測控系統后，不僅省去了原設計中的大量電纜線和繼電器過程控制箱，而且系統安裝和調試非常便捷。該系統運行至今，其監控效果達到了設計要求，深受WSA工程師們的好評。

圖4 膠球在線清洗系統計算機監控界面

常熟市華夏儀表有限公司和無錫埃費爾智控儀器制造有限公司也相繼在其生產流水線上投用了計算機無線閥門監測系統，對生產過程的大量開關信號進行遠程實時無線監測和診斷，均達到了預期的設計效果。

5 結束語

在工業管道流體自動控制中，由于工業現場

的復雜性，采用電纜線傳送閥位信號不僅要花費大量資金，還得面對施工布線時的各種困難和麻煩。為此，無錫圣漢斯氣動控制器進出口有限公司組織技術力量，對無線閥門監測器中的ZigBee無線通信模塊的技術參數進行優化設計，并引入“休眠叫醒”機制，在保證ZigBee無線通信模塊干電池工作壽命達到3年以上的基礎上，將無線閥門監測器的有效通信距離拓展到200m以上，提升了閥位測量技術的應用效果和范圍。實驗測試與工業現場的實際應用都表明：計算機無線閥門測控系統具有低成本、低功耗和高可靠性的優勢，再加上ZigBee無線信號傳送距離拓展的新技術，必將在工業管道流體自動控制領域中有良好的應用前景。