工业电熨斗蒸汽发生器无线监控系统

薛家祥，恒功淳，龚 普，郑照红，陈 卓

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640）

熨烫在服装行业对生产服装的质量十分重要。传统服装工厂熨烫工艺的高温蒸汽都是采用集中供应的方式，蒸汽温度难以控制，同时也造成了大量的能源浪费，污染环境的同时也增加了生产成本。

在服装厂采用独立分散的小型电加热蒸汽发生器能高效地使用蒸汽，节约能源、降低成本。这时各个独立的小型蒸汽发生器的自动控制和集中监测对提高生产效率和生产安全性就显得十分重要。不同的布料最合适的熨烫蒸汽温度也不同，控制蒸汽发生器的温度对熨烫质量有关键影响。

本文设计的电熨斗蒸汽发生器无线监控系统，对生产线的各台蒸汽发生器的工作状态自动控制，集中显示，通过上位机无线设置各台蒸汽发生器的蒸汽温度，很好地满足了服装厂熨烫工艺的需求。

1 系统的总体设计方案

电熨斗蒸汽发生器无线监控系统由蒸汽发生器本体、自动控制采集板、WiFi模块、上位机4大部分组成，系统结构如图1所示。

图1 网络通讯结构Fig.1 Network communication diagram

各个独立的小型电熨斗蒸汽发生器本体包含5 kW的加热丝，220 V/50 Hz交流水泵和报警器3大装置。控制板通过继电器控制3大装置的工作状态。并将状态代码通过WiFi模块发送给上位机显示。上位机可通过按钮开启或关闭各蒸汽发生器是否进入自动控制的工作状态及设置参考蒸汽压力。

2 硬件设计

下位机电路由电源模块、水位电极、蒸汽压力变送器、驱动电路、WiFi模块和控制芯片组成。控制芯片采用微芯公司的8位控制器PIC16F1823，该控制器通过水位检测信号和蒸汽压力信号实现电熨斗蒸汽发生器的自动控制并与上位机通讯，其含有的A/D模块、SCI模块和I/O口数量能充分满足控制需求，性价比高。控制板硬件整体框架如图2所示。

图2 控制板框架Fig.2 Control board framework chart

2.1 电源部分

220 V的交流市电经过工频变压器及整流桥后产生24 V的直流电源。该直流电源为2线制压力变送器及水位探针电路和继电器电路供电；同时作为LM7805L线性调压器的输入端产生5 V，1.5 A电源为PIC16F1823控制芯片[1]和运放电路供电；5 V电压经过线性调压器 ASM1173.3 产生 3.3 V，500 mA电源为WiFi通信模块提供电源。

2.2 信号采样部分

电熨斗蒸汽发生器的水位信号通过水位电极探针获得，其简化示意图如图3所示。

图3 水位检测Fig.3 Water level detection chart

当水位较低时探针1与探针2接通时经过采样整流电路1和比较电路1后A端输出高电平，当探针1与探针3接通时水位信号分为低水位，中水位和高水位经过采样整流电路2和比较电路2后B端输出高电平。控制芯片通过获得A，B端的电平信号判断水位的状态[2]，然后控制相应的继电器，改变电熨斗蒸汽发生器的工作状态。状态规则如表1所示。

表1 状态规则Tab.1 State rule table

系统采样用二线制压力变送器采样电熨斗蒸汽发生器产生的蒸汽压力。根据蒸汽压力和蒸汽温度的关系间接采样出蒸汽发生器的蒸汽温度。

蒸汽压力和蒸汽温度的对应关系按照Antoine公式：

式中：T在290 K～500 K之间，单位为K；P单位为MPa。

变送器采用二线制压力变送器具有线路简单，抗干扰能力强的优点。由电源为24 V直流电，经变送器两接线端与200 Ω的紧密电阻串联，电阻两端的电压通过LM354运放跟随并限压后由控制芯片的AD模块采样，转化为蒸汽压力信号。

2.3 无线通讯部分

控制芯片将本地电熨斗蒸汽发生器的状态信息通过UART串口与WiFi模块通讯。在多台电熨斗蒸汽发生器的监控系统中，将一WiFi模块设为AP模式产生无线网络，其他WiFi模块和上位机加入该网络，形成无线通讯系统。并将上位机设置为Severs模式，被监控的电熨斗蒸汽发生器WiFi模块设置为Client模式。由WiFi模块通过透明传输方式将信息传送给上位机监控终端。WiFi模块以ESNT公司的M12L64164A-7T为核心，外置3DB符合802.11b/g/n 协议 2.4 GHz天线，有效增大发射功率。在工厂环境条件下通信有效范围为300 m左右，满足生产需求[3]。

3 软件设计

3.1 控制板软件设计

下位机控制板采用PIC16F1823单片机为核心，程序编译环境Mplab X8。下位机软件流程如图4所示。

图4 控制软件流程Fig.4 Controller software flow chart

自定义接收到WiFi数据帧格式如表2所示。

表2 接收指令帧数据格式Tab.2 Instruction set data format

起始字节定义为0xfe，帧尾字节定义为0x16，在工厂条件下一组系统最多容纳9台电熨斗蒸汽发生器，地址字节定义为0xA0，0xA1……0xAC。命令字节定义为0xC0关闭蒸汽设备工作，0xC1开启蒸汽设备工作。由地址字节和命令字节做或运算后的字节作为自校验字节[4]。当正确接收完整的数据时CMD＝＝0x04，如果未能正确接收数据则CMD＝＝0x00.

3.2 上位机监控软件

上位机软件采用Visual studio中的C#语言编写[5]。其可视化编程方式可以比较方便的设计监控界面。软件基本流程如图5所示。

图5 上位机软件流程Fig.5 PC software flow chart

本系统采用轮循的方式向各下位机发送一帧数据，当下位机接收到数据并判断地址位为本机地址时，通过WiFi模块以无线的方式向本机发送一帧数据。上位机接收数据帧的格式如表3所示。

PIC16F1823内置10位ADC采样模块，存储在2个8位寄存器中。数据1为采样高8位数据，数据2为采样低8位数据，数据3为本地蒸汽发生器的工作状态。加水、加水且加热、加热、报警4种工作状态分别表示为 0xc0，0xc1，0xc2，0xc3。

上位机系统每隔10 ms发送并接收一帧数据。根据接收数据中电熨斗蒸汽发生器的状态信息立即更新监控显示界面。而对于接收到的蒸汽压力采样值若立即显示，则会由于信号的干扰或者蒸汽压力本身的轻微波动引起显示数据的不断跳动，不利于观察和正确表达蒸汽压力[6]。因此针对便于观察和正确稳定表示蒸汽压力的需求，对下位机每收到一次上位机的信号便进行10次压力采样，每次采样结果记为Zi然后将大于1024的采样型号剔除，剩余数值的平均值Ni发送给上位机，上位机同样采用平均值滤波的方式求接受到的10次信号的平均值X，蒸汽压力值为P，k为压力和电压检测电压之间的换算系数，计算公式为

当蒸汽压力大于参考值5%时屏蔽蒸汽发生器的加热功能。当蒸汽压力小于设定值5%时开启加热功能，从而稳定蒸汽压力在一定的范围内。

对于9台熨烫蒸汽发生器组成的监控系统。每轮询一次所需要的时间为90 ms，10次所需要的时间为0.9 s。每隔0.9 s调整一次蒸汽压力显示，既能满足压力及时正确监控的要求，滤除了由于外界干扰引起的瞬时波动，又能符合人性化的观察需求。

4 实验测试

4.1 控制板实物

控制板实物图如图6所示。

图6 控制板实物图Fig.6 Control board realy picture

该电路板采用双层板，同时将WiFi模块置于电路板上方方便安装、节省空间。

4.2 上位机监控界面

如图7所示，该界面可同时监控9台电熨斗的工作状态。每台机器由3个状态灯显示其工作状态。当进入加水状态时加水状态灯由灰色转为绿色，当进入加热状态时加热状态灯由灰色转为红色，出现规定状态之外的异常状态时报警状态由灰色转为黄色。在输入压力框中输入需要达到的蒸汽压力，在返回数据框中显示该电熨斗实际的蒸汽压力。

图7 软件监控界面Fig.7 PC monitoring interface

5 结语

本文针对服装行业的熨烫工艺，设计了一套熨烫蒸汽发生器工作转台无线监控系统。以PIC16F1823为核心的控制板，既作为蒸汽发生器的控制器，也作为将蒸汽发生器工作状态与上位机通信的数据采集器。采用WiFi模块与控制器进行异步串行通讯实现数据交换，然后再通过WiFi模块与上位机实现无线通讯。WiFi模块通讯稳定，覆盖范围能够满足工厂现场通讯的环境。上位机界面简洁明了。整个系统实现了服装工厂熨烫环节的各熨烫平台的总体控制，有利于提高生产效率和熨烫质量及节约能源。测试过程中系统工作正常，数据实时性符合监控要求。

[1]陶春波.基于PLC的蒸汽发生器给水水位控制系统[J].中国造船，2008（1）：103-106.

[2]陈立伟，王桐，徐贺.PIC单片机基础与实例进阶[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]杜宝祯.嵌入式无线网络化测控系统的设计与实现[D].江西：江西理工大学硕士学位论文，2010.

[4]梁宵宵.基于WIFI的LED照明控制系统的研究与实现[D].杭州：杭州电子科技大学硕士学位论文，2014.

[5]明日科技.C#从入门到精通[D].北京：清华大学出版社，2012.

[6]郑坚璐，柯煜，王一，等.电熨斗在线温度检测系统的设计[J].传感器与微系统，2012（5）：101-103.