基于ZigBee的热轧企业能源管理系统设计与应用

毕 锋，刘毅敏，郝 琼

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

在我国已经加入WTO的大背景下，钢铁企业要在全球钢铁企业中脱颖而出，就必须在产品成本、质量、服务及快速响应等方面提升自身竞争力，才能经受来自世界先进钢铁企业的严峻挑战，而 “能源消耗”仍是产品竞争的基础和关键。

建立生产区域内部严密、科学的能源消耗情况监测体系是确保企业经营有序、节约成本、快速高效的前提。而随着互联网和通信技术的不断发展与完善，基于网络和通信技术的能源消耗实时监测系统被广泛地应用于生产和生活中。

系统瞄准钢铁产品形成的关键生产环节，聚焦于资源，以热轧能源消耗成本为跟踪目标，采用ZigBee无线通信方式，具体研究热轧能源消耗成本的标准化的能源消耗情况监测管理方法。

在生产各个环节检测资源的消耗情况并设计相应的监测信息系统加以统计分析，形成一套生产区域能源消耗情况的标准化的监测管理方法，将有助于热轧企业对能源消耗和生产成本进行核算和控制，有助于控制生产能源消耗情况，有助于管理层决策，从而为企业实现成本标准化的精细管理提供有力支持。

1 通信信道的选择

热轧企业的能源管理系统采用分布式的体系结构，通信分为有线层和无线层。有线层是采集终端与传输控制器之间的通信；无线层是监管中心与无线数据接收器之间的通信。

1）有线层的通信方案

有线层采用的是RS-485总线，RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力[1]。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器[2]。485总线由于布线简单，被广泛应用于银行监控，视频对讲，门禁监控等领域[3]。

在热轧企业的复杂环境下，由于要克服信号衰减、信号干扰等一系列的不稳定因素，故采用RS-485总线通信方式来完成采集终端与传输控制器之间的通信。

2）无线层的通信方案

无线层采用的是ZigBee传输协议。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协定，底层是采用IEEE802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee相较于其他协议的最大优势在于低功耗和低成本，并且安全可靠[4]。它在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。最关键的在于ZigBee安全可靠，ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准 （AES 128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。在热轧厂这样的复杂区域，经过上述对比，热轧能源管理系统采用ZigBee技术来实现。

2 系统总体方案

2.1 能源管理系统的目标

能源管理系统是一种基于WEB的现代化能源管理平台，可以对热轧企业的能耗数据进行采集、存储、分析、统计、查询，为企业的节能提供科学依据，并为进一步优化能源利用提供科学数据参考。在帮助企业扩大生产的同时，合理的计划和利用能源，降低吨钢能耗。

2.2 系统总体结构

热轧企业能源管理系统由数据监控服务器、无线传输网络、采集终端组成，其总计结构如图1所示。数据监控服务器是整个系统的核心部分，它对整个系统进行管理和控制。采集终端则将能源计量表的数据进行采集并通过RS-485总线传输给工业PLC。无线传输网络负责将无线采集终端的数据通过ZigBee传输给ZigBee协调器，然后再通过局域网传输给数据监控服务器。

系统工作过程：各能源计量表通过表内的传感器将实时采集的数据传送至工业PLC，然后再由工业PLC将数据进行处理，接着将处理好的数据通过ZigBee终端用ZigBee网络传输给ZigBee协调器，再通过局域网传输写入数据监控服务器的数据库中。在无线通讯端，采集终端将数据通过ZigBee终端传输给ZigBee协调器，ZigBee协调器再将数据传输给数据监控服务器。由于数据监控服务器挂在互联网上，各种计算机都能通过对应的网址访问到对应权限的数据页面。

3 监控中心的建立

3.1 网络通信的实现

网络设计是本系统的一个重要组成部分，它对系统的可靠性、稳定性起着十分重要的作用。考虑到热轧企业的能源数据传输量比较大，并且该监控中心的系统不能破坏到原有的生产系统，在工业PLC上添加ZigBee终端，直接将数据通过ZigBee传输到ZigBee协调器，然后将数据写入数据监控服务器中。

在无线传输网络中，首先ZigBee协调器设备的应用层调用NLME_NETWORK_FORMATION.request原语，发出建立网络的请求，网络层收到这个原语之后，就会调用MLME_SCAN.request在MAC层执行信道的扫描并标注可用信道，接下来进行活动情况扫描，如果找到了合适的信道，将随机选择一个不与原来的冲突的PAN，然后在MAC层注册这个ID号，接着选择网络地址，然后发送MLME_START.Request原语获取PAN ID和信道扫描结果并通知上层[5]。由此建立起ZigBee无线通讯的网络。对于子设备，子设备首先调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语，网络层接收到这个原语，将要求MAC层执行被动或主动的扫描，一旦完成了扫描将发送MLME-SCAN.confirm原语，告知网络层，网络层将发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm原语告知应用层，应用层收到该原语，从关联表中选择发现的网络加入，调用NLME-JOIN.request原语，选择到调节器深度最低的设备，由此子设备添加进入网络。

系统开始工作时，工业PLC开始运作，将数据通过ZigBee传输并写入到数据监控服务器，同时，无线数据接服务器将无线端接收到的数据读取并写入到数据监控服务器。至此，数据全部实时的不停的写入数据监控服务器，用户可以通过浏览器访问数据监控服务器上的网站来获得相应的数据。

3.2 应用管理系统设计

根据需求分析，对系统要实现的功能进行分解，将应用管理系统细分为5个子系统，应用管理系统的功能结构如图2所示。

基于ZigBee的热轧能源管理系统，具有良好的用户交互界面，且操作使用方便。在浏览器中输入相应的网址，输入相应的用户名和密码，即可进入系统的主界面。如图3所示。

图3 应用系统主界面Fig.3 The homepage of application system

从图3中可以看出，该能源管理系统包含数据监视、数据查询、数据分析、生产管理、报表管理、权限管理、数据库维护等菜单[6]。每个菜单下都有相应的子菜单。该系统用于实时监测与记录现场的运行数据，自动生成图表，并具有分析能力。具体如下：

1）数据管理功能。系统对各能源计量表的数据进行采集、显示、记录、分析，可以自动生成各种能耗曲线、图表、报表，得到各种分析数据，如烧损率，吨钢能耗等，实现无人自动抄表。数据库可管理维护，满足各部门需求。

2）打印功能。可打印热轧厂内部各部门能源消耗的日、月、班报表，并根据需求对报表进行分析处理。

3）网络浏览功能。该系统采用BS模式设计，各种计算机通过网络都能使用该系统相应权限的功能。

4 结 论

基于ZigBee的热轧能源管理系统综合运用了计算机技术、网络技术、GPRS无线通信技术等领域的最新成果，实现了对热轧企业能源消耗的在线监测和实时查询。该系统的使用将为热轧企业的能源消耗提供依据，为进一步节能提供指导方案，达到优化资源配置，降低能源消耗的目的。

[1]林景波，祁国华，马培锋，等.基于RS-485企业能源计量系统通信和软件的设计[J].低压电气，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]倪庆萍.管理信息系统原理[M].北京:清华大学出版社，北京交通大学出版社，2006.

[3]周鲜成.能源实时数据采集与管理系统的开发与实现[J].湖南商学院学报，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.

[4]周怡颋，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005，26（6）:16.ZHOU Yi-ting，LING Zhi-hao，WU Qin-qin.ZigBee wireless communication technology and investigation on its application[J].Process Automation Instrumentation，2005，26（6）:16.

[5]王东，张金荣，魏延，等.利用ZigBee技术构建无线传感器网络[J].重庆大学学报：自然科学版，2006，29（8）:23.WANG Dong，ZHANG Jin-rong，WEI Yan，et al.Building wireless sensor networks （WSNs） by zigbee technology[J].Journal of Chongoing University：Natural Sciencf Edition，2006，29（8）:23.

[6]付永红.现代企业能源实时信息系统的设计[J].微计算机信息，2007，23（18）：16-17，20.FU Yong-hong.The design of the energy real-time information system based on B/S [J].Microcomputer Information，2007，23（18）：16-17，20.