劉棟材 / 王 琪

1.廣州雅居樂房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 廣州 510000；

2. 二十三冶建設(shè)集團(tuán)有限公司安裝分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；

3.廣東工業(yè)大學(xué) 廣州 510000

引言

高大焊接廠房的除塵除濕控溫系統(tǒng)不但能保證焊接質(zhì)量的可靠，還能提高工人的勞動(dòng)條件，目前國(guó)內(nèi)已有很多此類工程。高大焊接廠房在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧含有大量的有害金屬物質(zhì)，這些二氧化硫、二氧化錳等化合物漂浮在空氣中，其煙塵的30%～80%是微米級(jí)以下的顆粒，極易被人體吸收，嚴(yán)重污染車間的工作環(huán)境，危害工人的健康[1]。尤其夏季比較炎熱，相對(duì)濕度較高，而焊接對(duì)廠房的溫、濕度均有較高的要求，特別是相對(duì)濕度，直接影響焊縫質(zhì)量，因此焊接車間需進(jìn)行空調(diào)除塵除濕。要使除塵除濕控溫系統(tǒng)達(dá)到良好的控制效果，必須在車間的各點(diǎn)均勻地布置一定數(shù)量的溫濕度傳感器和送風(fēng)筒，普通的溫濕度傳感器需與系統(tǒng)用電纜連接。由于廠房?jī)?nèi)的管線多、設(shè)備多，且車間跨度大、空間高，實(shí)際施工時(shí)布線的難度很大。

1 高大焊接廠房除塵除濕控溫系統(tǒng)原理概況

圖1 高大焊接廠房除塵除濕控溫系統(tǒng)原理圖

如圖1所示：安裝在廠房?jī)蓚?cè)或中部靠近地面的送風(fēng)筒將空調(diào)機(jī)組中的低溫新風(fēng)送入車間內(nèi)，在地面層以上形成新風(fēng)空氣層，對(duì)焊接車間產(chǎn)生的廢氣、塵埃等溫度較高的微小熱顆粒產(chǎn)生向上的浮力。而在車間頂部的回風(fēng)口存在較大的負(fù)壓，在二者的共同作用下，車間內(nèi)會(huì)形成一個(gè)均勻向上的氣流，后續(xù)新風(fēng)將車間內(nèi)產(chǎn)生的廢氣、塵埃等物質(zhì)取代[2]。從而達(dá)到除塵的目的，而除濕和控溫則通過(guò)改變送風(fēng)的溫度和濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此必須對(duì)廠房?jī)?nèi)外的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)再選擇相應(yīng)的工況。根據(jù)車間內(nèi)的熱源（焊接工位）分布情況布置溫濕度傳感器和送風(fēng)筒的位置，系統(tǒng)從溫濕度傳感器獲得某個(gè)位置（焊接工位）的溫濕度數(shù)據(jù)，與設(shè)定值對(duì)比，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)筒閥門的開度來(lái)控制送風(fēng)風(fēng)量、送風(fēng)溫度，達(dá)到控制指定位置（焊接工位）溫濕度的目的。

傳統(tǒng)的除塵除濕控溫系統(tǒng)的送風(fēng)筒、溫濕度傳感器需要敷設(shè)電纜至控制柜，存在以下三個(gè)問題：

1) 線路敷設(shè)需跨越廠房的天車，高度高、距離遠(yuǎn)、施工和維護(hù)困難。

2) 傳感器安裝后只能在一個(gè)點(diǎn)固定，可能出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

3) 當(dāng)要增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)必須敷設(shè)電纜，工程量較大。

而采用基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則完全可以避免以上問題。不必鋪設(shè)控制柜至送風(fēng)筒、傳感器的電纜，可以節(jié)省費(fèi)用和時(shí)間。并且具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)、調(diào)試簡(jiǎn)單、節(jié)省PLC輸入模塊點(diǎn)數(shù)、改變溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量位置和增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目都非常方便等優(yōu)點(diǎn)。

在此背景下，本文結(jié)合近年來(lái)發(fā)展迅猛的ZigBee及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種新型的溫濕度采集控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由若干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信。整個(gè)系統(tǒng)工作于全自動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)采集車間內(nèi)外的溫濕度信息，并根據(jù)這些信息的變化來(lái)自動(dòng)切換和設(shè)置相應(yīng)的空調(diào)模式。例如：在不同的季節(jié)采用不同的空調(diào)模式，夏季制冷，冬季制熱。在一天的不同時(shí)段調(diào)節(jié)機(jī)組制冷、制熱量、送風(fēng)回風(fēng)風(fēng)量等。

2 ZigBee簡(jiǎn)介

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為FFD(全功能設(shè)備) 和RFD(簡(jiǎn)化功能設(shè)備)兩種，其中FFD設(shè)備作為協(xié)調(diào)器(coordinator)使用。FFD是具有路由與中繼功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以與RFD節(jié)點(diǎn)通信也可以與別的FFD節(jié)點(diǎn)通信；RFD節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，相互間不能直接通信，只能通過(guò)FFD節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收信息，不具有路由和中繼功能。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)(star)、樹型網(wǎng)(Cluster tree)和網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh)3種[3]，如圖2所示。其中，星型網(wǎng)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)組成，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)彼此間的通信；樹型網(wǎng)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器組織的多個(gè)星型網(wǎng)，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)可以接入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，也可任意接入具有路由功能的FFD節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種高可靠性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，和樹型網(wǎng)不同的是具有路由功能的FFD節(jié)點(diǎn)相互間可以直接路由信息，所以網(wǎng)狀網(wǎng)通過(guò)自組織和無(wú)線路由功能可提供多個(gè)數(shù)據(jù)通信路徑。當(dāng)最優(yōu)的通信路徑發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)狀網(wǎng)會(huì)在冗余的其他路徑中選擇最合適的路徑供數(shù)據(jù)通信。因此，網(wǎng)狀網(wǎng)有效縮短了信息傳輸時(shí)延并提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。由于高大廠房?jī)?nèi)空間空曠，且機(jī)組的控制柜至傳感器的最遠(yuǎn)直線距離不超過(guò)100m，因此采用星型結(jié)構(gòu)即能滿足要求。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee路由器ZigBee協(xié)調(diào)器監(jiān)控終端

4 兩種模式的投資對(duì)比

圖4 傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)測(cè)原理圖

圖5 Zigbee溫濕度監(jiān)測(cè)?原理圖

圖3 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件框圖

傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)測(cè)與Zigbee溫濕度監(jiān)測(cè)的區(qū)別是Zigbee的監(jiān)控系統(tǒng)取消了溫濕度傳感器與控制柜PLC的電纜，改為在傳感器處利用Zigbee模塊直接向控制柜PLC傳送信息，在傳感器附近的低壓配電箱內(nèi)取電源供電。平均共能節(jié)省RVVP 4×1.5電線1000m。且不再需要敷設(shè)橫跨車間頂部的線槽和電纜，減少高空作業(yè)的工作量。具有勞動(dòng)強(qiáng)度小、工程投資少等優(yōu)勢(shì)。

以1臺(tái)機(jī)組6個(gè)溫濕度傳感器為例，兩種不同方案的預(yù)算費(fèi)用如下：+0×010×020×030×040×050×060×070×080×090×10（數(shù)據(jù)，共0×0A Bytes）。

表1 原有系統(tǒng)預(yù)算費(fèi)用

簡(jiǎn)單易用：不用考慮ZigBee協(xié)議，自動(dòng)組網(wǎng)，是目前市場(chǎng)上應(yīng)用ZigBee最簡(jiǎn)單的方式。

高安全性：無(wú)線數(shù)據(jù)空中加密。

唯一IEEE地址：DRF系列模塊采用的TI CC2530F256芯片，出廠時(shí)已經(jīng)自帶IEEE地址，用戶無(wú)需另行購(gòu)買IEEE地址[4]；

在本工程中共采用了兩種類型的ZigBee模塊：Zigbee發(fā)送模塊及Zigbee接收模塊。其中Zigbee發(fā)送模塊與溫濕度傳感器直接連接，并將溫濕度傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再發(fā)送給通過(guò)RS232接口與PLC連接的Zigbee接收模塊，從而完成了數(shù)據(jù)的采集。

表2 Zigbee系統(tǒng)預(yù)算費(fèi)用

由以上兩個(gè)表格對(duì)比可以看出，采用Zigbee模塊的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)比傳統(tǒng)模式節(jié)約投資45%，在經(jīng)濟(jì)上具有可行性。

圖6 Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)模塊-DRF1601

5 DRF系列ZigBee 模塊

為便捷的實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，減少開發(fā)環(huán)節(jié)的流程和時(shí)間，在本工程的實(shí)際應(yīng)用中采用了深圳市鼎泰克電子有限公司開發(fā)的DRF系列ZigBee模塊。該系列模塊是基于TI公司CC2530F256芯片，運(yùn)行ZigBee2007/PRO協(xié)議的ZigBee模塊，它具有ZigBee協(xié)議的全部特點(diǎn)。

該系列模塊的主要特點(diǎn)

自動(dòng)組網(wǎng)：所有的模塊上電即自動(dòng)組網(wǎng)，Coordinator自動(dòng)給所有的節(jié)點(diǎn)分配地址，不需要用戶手動(dòng)分配地址、網(wǎng)絡(luò)加入應(yīng)答等。

簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳輸：通過(guò)串口即可在任意節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播（Router只進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不接收/輸出串口數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷綖椋?×FD（數(shù)據(jù)傳輸命令）+ 0×0A（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）+ 0×730×79（目標(biāo)地址）

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用Zigbee模塊取代溫濕度傳感器，減少了施工難度、縮短了施工工期、降低了工程投資成本。溫濕度傳感器的布置和位置更改也變得非常容易，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量沒有降低，證明在高大焊接廠房除塵除濕控溫工程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用Zigbee模塊具有很好的前景。

[1]鄂保良，朱恩平，等.焊接煙塵的污染與凈化[J].陜西環(huán)境，2002,10(5):20-23.

[2]柳移城.置換通風(fēng)在高大空間廠房除塵除濕中的應(yīng)用[J].2004,06(4):31-32.

[3]高文華,康琳,柴婷婷,等.基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù),2008,10(10):122-124.

[4] 深圳市鼎泰克電子有限公司. ZigBee 模塊用戶手冊(cè)[M].