工业无线阀门监测器信号传送距离的拓展技术

吴伟国

(无锡圣汉斯气动控制器进出口有限公司，江苏 无锡 214112)

构建阀门监测网络，确保工业控制系统的上位机能够实时监测阀门的工作状态，是工业管道流体自动控制的重要组成部分。目前较为流行的工业控制系统，如PLC、DCS及SCADA等，均采用电缆线作为阀位信号的传送介质，将安装在现场阀门顶端的监测器(即限位开关)接收到的单刀双掷(SPDT)开关信号，以点对点的接线方式远程传输至PLC、DCS、SCADA系统和上位机。由于工业现场的复杂性，采用电缆线传送阀位信号不仅要花费大量资金用于电缆线、线架、控制柜及I/O等辅助设备设施的采购，还有施工布线时排线麻烦、耗时长、用工多、专业性强、线路老化及检修复杂而又困难等问题，这些困难和额外的购置资金严重阻碍了工业管道流体自动控制中阀位监测技术的发展。

早在2003年，美国Emerson公司就开始着手研发无线阀门监控装置，以彻底摆脱电缆线的束缚。后经工厂测试和完善，于2006年前后开始投放市场。但由于其产品采用了Wireless Hart无线技术，无线装置的价格较高，故其市场普及率受到一定的制约。2009年以来，以以色列的Eltav公司为代表的一些国外著名公司开始将价格更低的ZigBee无线技术移植到无线阀门监测领域，开发了无线阀门监测器等设备，但因其受制于干电池的供电寿命，他们采用标配的ZigBee无线信号发射功率开发阀门监测器在室外空旷环境中的有效传送距离仅70m左右[1]，远远不能满足工业现场的需求，严重阻碍了无线技术在阀门监测中的推广和应用。为此，无锡圣汉斯气动控制器进出口有限公司基于ZigBee无线技术的最新研究成果[2，3]，在确保电池使用寿命的前提下，深入研究拓展无线阀门监测器信号传送距离的方法和途径。

1 无线阀门监测器信号传送距离分析①

采用ZigBee无线通信技术设计的无线阀门监测器是有线阀门监测器的技术升级产品，如图1所示，无线阀门监测器主要由外壳、凸轮、位置传感器、锂电池、ZigBee模块及天线等部件组成。其中凸轮机构负责检测阀门的机械位置(开度)；位置传感器负责将阀门的机械开度转换成单刀单掷(SPST)信号；ZigBee模块负责将来自传感器的阀门开度信号转换为无线信号，并通过外置天线远程发送给无线主控设备。其中ZigBee模块是无线通信的关键部件，无线信号的传送距离主要取决于其技术参数的优化设计。

图1 无线阀门监测器结构示意图

ZigBee是一种应用于短距离范围内，在各种电子设备之间进行低速率、低功耗传送信号的无线通信技术。在空间环境相同的情况下，其信号传送距离取决于发射功率，标准功率的传送距离一般在10～100m，在增加射频发射功率后，其传送距离可延长至1～3km[3]。但是，过大的发射功率又会增加功耗，严重缩短锂电池的使用寿命。安装在现场的阀门监测器频繁更换电池，更会影响整个生产系统中相关参数信号的实时监测与传输。显而易见，无线阀门监测器信号传送距离与锂电池的工作寿命是相互对立的，寻找其最佳平衡点是此次研究的重点。

2 增加无线阀门监测器信号传送距离的途径

2.1 增加射频发射功率

ZigBee模块的射频发射功率通常设置在+3dBm(2mW)，其无线信号传送距离一般在70m左右。按照我国《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》的有关规定，ZigBee技术2.4GHz频段的最高发射功率可增加至+20dBm(100mW)。通过实验研究(见2.2小节)发现，如果将ZigBee模块的射频发射功率增加到+20dBm(100mW)，其无线信号传送距离可拓展到200m以上，这就基本上能够满足大多数工业现场的需求。但是，此时ZigBee模块的工作电流已经达到120mA(实测值)。以武汉孚特锂亚硫酰氯电池(1AA，3.6V，2 700mAh)为例，按照如图2所示的锂电池放电特性曲线测算(25℃)，以一节锂亚硫酰氯电池(1AA，3.6V，2 700mAh)作为供电电源，其工作寿命只有几十小时，根本无法满足工业设备的正常工作需求。

图2 锂亚硫酰氯电池放电特性曲线

2.2 优化信号数据包并降低占空比

ZigBee技术的最大特点是低功耗的潜力很大，因而可以通过优化信号数据包并降低占空比的方式来延长电池的工作寿命，具体步骤如下：

a. 通过简化信号数据的传送量，优化信号数据包的结构，以缩短信号的收发时间。

从无线阀门监测网和工业阀门的状态变化来看，一个十六进制20Bytes的数据包(数据包由设备的地址8Bytes、设备类型1Byte、命令类型1Byte、输入输出开关量2Bytes、输入输出模拟量4Bytes、电池电压值2Bytes和温度值2Bytes组成)就能完整地反映阀位的状态，由于被传送的数据量非常小，故其收发时间完全可以控制在15ms以内。

b. 引入“休眠叫醒”机制，最大限度地降低模块的电流消耗。ZigBee技术允许模块在不工作时设置为休眠模式[3]，在休眠模式下其消耗的电流仅为1.3～25.0μA(实测值)。为此，在模块设计中引入“休眠叫醒”机制，让无线模块在大部分时间里处于“休眠”状态，当阀位开关状态发生变化时(SPST信号变化)，无线模块就会被激活并立即将检测到的阀位信号发送给接收器。如果阀位处于无变化状态，ZigBee模块则每间隔15min自动激活，检测并发送最新的阀位信号数据包。

从ZigBee模块被激活到数据检测和发送完毕的过程称为模块的工作过程，其工作时间约15ms，其他时间则为休眠时间。因此引入“休眠叫醒”机制后，模块的占空比[3](工作时间/(工作时间+休眠时间))仅为0.02‰。如此低的占空比可极大地延长电池的使用寿命。经估算，引入“休眠叫醒”机制后，该模块的平均消耗电流可降至3.3～27.0μA。按照如图2所示的电池放电特性曲线推算，一节锂亚硫酰氯电池(1AA，3.6V，2 700mAh)供给ZigBee模块工作，其电池使用寿命可延长至30 000h，相当于近三年半的时间。

表1是对4个无线阀门监测器模块实测的锂电池电压衰减记录，在每个检测日上午，工程师用万用表检测电池两端电压并记录；被检监测器每天开关动作48次，相当于该阀位每30min动作一次；电池采用武汉孚特公司生产的锂亚硫酰氯电池(1AA，3.6V，2 700mAh)。可以看出，两年的时间中无线阀门监测器的锂电池电压下降约0.12～0.18V(下降约3.3%～5.0%的电压)。以此推算，假定无线阀门监测器每天动作30次，采用1AA，3.6V，2 700mAh标准的锂亚硫酰氯电池供电，其连续工作3年以上不换电池是可行的。这也很好地证实了上述理论测算的正确性。

表1 无线阀门监测器锂电池寿命测试电压衰减统计 V

3 测试

为验证采用增强射频发射功率+20dBm(100mW)并引进“休眠叫醒”机制后，ZigBee模块的有效无线通信距离，技术人员设计了一个计算机无线阀门监测网络。如图3所示，该网络由计算机、微尔阀门物联网应用软件[4]、无线网关、网络中继器和众多的无线阀门监测器组成。在图3所示的网络中，各无线设备的主要技术参数见表2。

图3 测试用计算机无线监测网络示意图 表2 测试用计算机无线监测网络中无线设备的技术参数

参数无线阀门监测器无线网络中继器无线网关(主控设备)供电情况锂电池,1AA,3.6V,2 400mAh有线电源24V(DC)计算机供电有线网通信协议--WiV协议或Modbus RTU可选无线网通信协议ZigBee-WiV协议无线频道2.4GHz at IEEE 802.15.4-2009(ZigBee 2009)传送速率250kbit/s发射功率+20dBm(100mW)

无线阀门监测器是计算机监测网络中的从属设备，具有感知和无线传送阀位信号的功能，由无线智能模块、位置传感器及锂电池等组成。

网络中继器是计算机监测网络中用于拓展信号传送距离的中继设备，负责网关与无线阀门监测器之间相距较远或有障碍阻挡时的信号中继。

无线网关是计算机监测网络中的主控设备，扮演着网络协调器的角色，其主要功能：一是采用给定的信标创建自愈合网状无线网络；二是与网络中相同信标的中继器和众多无线阀门监测器保持实时无线数据通信，接收阀位数据包；三是通过USB接口与计算机进行实时数据通信。

微尔阀门物联网应用软件可以安装在安装有Windows9X、WindowsNT、Windows2000、WindowsXP、Windows7或Windows8操作系统的计算机上，管理人员和相关的工程师通过计算机操作系统的人机界面即可实施远程阀门阀位的实时检测和诊断。

可靠的无线通信距离是无线阀门监测网络的重要指标，笔者以计算机监测网络为对象，实施了3种通信距离的测试工作。

3.1 无线阀门监测器的通信距离测试

2014年4月13日，技术人员将装有微尔阀门物联网应用软件的笔记本电脑置于距离地面25m高处，并将无线网关的USB插头接入计算机的端口。该网关由计算机供电，在空间自动创建了一个计算机无线监测网络。测试中，将装在手动阀顶部的无线阀门监测器置于直线距离200～400m开外的路面上，高度为1.5m，由测试员手动阀位并电话告知观察员。观察员通过计算机屏幕监测无线阀门监测器由于阀位变动产生并发送来的最新阀位信号。每个距离测试规定测试员改变阀位10次，观察员记录计算机接收信号次数，详见表3。

表3 无线阀门监测器通信距离测试

3.2 中继器的通信距离测试

2014年10月12日，技术人员将中继器安置于距离地面25m处，由室内24V(DC)开关电源有线供电。将装有微尔阀门物联网应用软件的笔记本电脑置于直线距离200～260m开外的路面上，高度为1.5m，并将无线网关的USB插头接入计算机端口。该网关由计算机供电，在空间自动创建了一个计算机无线监测网络。由于中继器始终处于激活的工作状态，可通过计算机的询问接收到其反馈来的数据包。如果询问后没收到其反馈信号，说明中继器处于失联状态。测试中，由观察员通过计算机询问中继器然后记录其反馈情况。每个距离测试规定观察员询问中继器10次，并记录计算机接收的反馈信号次数，详见表4。

3.3 无线阀门监测器通过中继器转发信号的距离测试

2014年10月12日，由技术人员将中继器置 于距离地面25m处，由室内24V(DC)开关电源有线供电。将装有无线网关和微尔阀门物联网应用软件的笔记本电脑置于西向直线距离200m外的路面上，高度为1.5m。将装在手动阀顶部的无线阀门监测器置于东向直线距离200～300m开外的路面上，高度为1.5m。在这种空间布置中，网关和笔记本电脑与无线阀门监测器处于同一高度，其距离超过400m且中间有大量的人行道、树木、行人及汽车等，在没有中继器转送信号时，计算机无法接收到400m外监测器发送的信号。测试中，首先激活中继器，然后由测试员手动阀位并电话告知观察员。观察员通过计算机监测无线阀门监测器发送来的最新阀位信号。每个距离测试规定测试员改变阀位10次，观察员记录计算机接收信号次数，详见表5。

表4 中继器通信距离测试

表5 无线阀门监测器通过中继器转发信号的距离测试

*因空间限制，中继器至监测器直线距离之间有墙面障碍。

由上述测试数据可知：

a. 将阀门监测器、中继器和网关的无线信号发射功率设置在+20dBm(100mW)时，其有效无线通信距离可超过200m。在一跳中继器的介入后，其有效通信距离可延伸至400m以上。从理论上讲，假设有三跳中继器介入，则无线信号的有效传送距离可达800m以上。这种通信距离是比较适合工业阀门的远程监测的。

b. 无线信号在空中传送时，中间障碍物(移动的汽车和行人)对信号的影响较大，可将中继器或网关置于高位，如3.3小节所述的第三种距离测试办法，可十分有效地避免中间的移动障碍物对无线信号的影响。这在组建无线网络时必须注意。

4 现场应用

美国WSA工程系统公司是业内熟知的水处理服务公司，专业从事全自动管刷、胶球在线清洗系统业务。该公司首次将上述计算机无线阀门测控系统运用于胶球在线清洗系统，其监控界面如图4所示。采用了计算机无线阀门测控系统后，不仅省去了原设计中的大量电缆线和继电器过程控制箱，而且系统安装和调试非常便捷。该系统运行至今，其监控效果达到了设计要求，深受WSA工程师们的好评。

图4 胶球在线清洗系统计算机监控界面

常熟市华夏仪表有限公司和无锡埃费尔智控仪器制造有限公司也相继在其生产流水线上投用了计算机无线阀门监测系统，对生产过程的大量开关信号进行远程实时无线监测和诊断，均达到了预期的设计效果。

5 结束语

在工业管道流体自动控制中，由于工业现场

的复杂性，采用电缆线传送阀位信号不仅要花费大量资金，还得面对施工布线时的各种困难和麻烦。为此，无锡圣汉斯气动控制器进出口有限公司组织技术力量，对无线阀门监测器中的ZigBee无线通信模块的技术参数进行优化设计，并引入“休眠叫醒”机制，在保证ZigBee无线通信模块干电池工作寿命达到3年以上的基础上，将无线阀门监测器的有效通信距离拓展到200m以上，提升了阀位测量技术的应用效果和范围。实验测试与工业现场的实际应用都表明：计算机无线阀门测控系统具有低成本、低功耗和高可靠性的优势，再加上ZigBee无线信号传送距离拓展的新技术，必将在工业管道流体自动控制领域中有良好的应用前景。