工业数据无线采集在制糖过程控制实验中的仿真与实现

潘泽锴， 覃贵礼

(广西职业技术学院 制糖过程控制技术实训中心，南宁 530226)

工业数据无线采集在制糖过程控制实验中的仿真与实现

潘泽锴， 覃贵礼

(广西职业技术学院 制糖过程控制技术实训中心，南宁 530226)

制糖过程自动控制前提条件是对蔗糖煮炼过程中各种工业传感器数据的可靠采集。依托模拟工业现场实际环境组建的制糖过程控制技术实训中心资源，完成对实验系统软硬件设计，重新对传输数据格式编码，双重编码校验方式提高数据传输纠错能力，采用多节点无线传输数据模式组网增强网络容量。现场测试表明，该无线数据采集实验仿真系统工作稳定可靠，对拓展实训课程改革建设和糖厂自动化生产线技术改造都起到促进作用。

制糖过程； 数据采集； 双重编码

0 引 言

工业制糖过程中通常伴随着蔗糖从液体到固体复杂的物理和化学变化，要实现制糖过程自动控制前提条件是对煮炼过程各种工业传感器数据的可靠采集，如糖浆的浓度、锤度、糖罐真空度和汽室压力等控制数据的采集与无线传输[1]。在现实的工业环境中，工业数据的采集受到高温湿度、信号多径效应和设备运行电磁噪声等因素影响，所以在工业数据的采集和无线传输中需要充分考虑信号传输的可靠性问题，采集传输的设计符合工业现场环境要求[2-3]。

针对工业数据在制糖过程控制中采集特点，本文依托模拟工业现场实际环境组建的制糖过程控制技术实训中心资源，先在实验现场完成模拟仿真效果，同时也基于此设计适合现场教学、软硬件结合的实验教程，在拓展教学改革同时兼科研开发。在仿真实验中，数据的采集通过各种工业数字传感器完成，鉴于工业现场复杂的状况，数据传输采用无线方式实现，工业数据在工控机上完成接收和数据处理工作[4]。

1 实验系统硬件设计

实验系统硬件设计是在模拟工业现场组建的制糖过程控制技术实训中心上再开发，技术中心配置的现场仪表、控制器，均是目前工业上实际应用的真实产品，可测量实际信号(如温度、液位、流量等)、电动阀、气动阀、电机、水泵等设备为工业制式产品，具备工业现场工作功能。系统硬件设计包括工业数据传感器数据采集无线发射节点和工控机无线接收节点两部分组成[5]。

1.1 工业数据采集实验发射硬件节点设计

实验现场采用的工业传感器负责完成各个工业控制参数的采集，设计的无线数据采集发射节点包括微处理器模块、工业数据传感器模块、射频发射模块、数模A/D转换电路和电源单元5部分构成。图1所示是无线数据采集发射节点架构图。

图1 无线数据采集发射节点架构

在整个发射节点设计中，微处理器处在核心地位，它的功能包括传感器数据获取时序控制，射频模块发射和无线组网调度，数据数模转换处理等；射频发射模块与微处理器之间数据传输通过SPI总线实现，完成数据编码，同时以无线射频的方式发射数据[6]。微处理器、工业数据传感器和数模A/D转换电路数据总线是共用的，数模A/D转换电路是一种根据设计需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路，工业数据传感器数据可方便的通过数模A/D转换电路后送无线射频模块，这个过程微处理器除了必要的数据编码处理之外，还要求对三者之间的时序进行有序控制，以避免数据总线操作冲突[7]。

1.2 工业数据采集实验接收硬件节点设计

接收硬件节点设计功能包括发射节点数据获取和对数据进行解码操作。该节点组成中由微处理器、工控机、射频接收和电源4个模块组成。图2是无线数据采集接收节点总体构架。

图2 无线数据采集接收节点构架

在设计无线数据采集节点过程中，微处理器处在控制的中心，它的功能包括控制与工控机之间电平转换时序，射频模块发射和无线组网调度，数据数模转换处理等；射频发射模块与微处理器之间数据传输通过SPI总线实现，完成数据编码，同时不断捕获控制的射频信号并进行数据解码操作。微处理器和射频模块通过SPI总线连接，工控机通过RS-232串口总线连接，他们之间也要求微处理器对射频和工控机连接的操作时序进行严格控制，以避免数据线路操作冲突[7]。工控机标准信号输入为RS-232电平，而射频模块正常工作电压为3.3 V，要实现数据互认传输需要通过MAXIM3223进行电平转换[8]。

1.3 实验射频节点硬件接口设计

在实验系统硬件设计中，数据的收发功能都是依赖射频模块完成，系统能量消耗也主要集中在此，所以射频模块选择具有高速、功耗低、成本低的特点，综合这些特点选用Noridc公司的nRF2401射频芯片。而在控制器的选择上除了要满足功耗低的特点外，还要中断源个数尽可能多，管脚丰富，内存容量足够大，处理速度符合设计要求，综合考虑这些因素，系统选用ATMEL公司的AT90S2313微处理器[9]。微处理器AT90S2313具有良好的性能价格比适合无线传输控制。AT90S2313 MCU与nRF2401射频通信模块主要硬件接口连接如图3所示。

图3 AT90S2313 MCU与nRF2401接口

设计电路图由带有11 MHz晶振的nRF2401模块和带有4 MHz的晶振的AT90S2313微处理器组成，图3中单片机AT90S2313的PB7、PB6、PB4、PB3、PB2、PD2分别与nRF2401的PWR_UP、CE、CS、CLK1、DATA、DR1相连。当微处理器完成传感器数据编码送发射模块时，nRF2401使能端CE变成高电平，微处理器控制地址、数据总线时序同步，完成数据传送给射频模块完成后返回ACK信号告知使能端CE置为低电平一段时间，利用这段时间射频模块可以把数据发射出去；接收模块捕获到发射节点的射频信号之后，把数据接收送微处理器解码后，通过RS-232信号线传送到工控机上处理[10]。

2 实验系统软件设计

实验系统软件设计对控制器编程完成射频模块数据发送接收控制和数据编码，这个过程第一步就是对射频模块实现初始化配置，初始化配置主要功能是实现数据的发送和接收检测，之后才是编程完成数据帧的发送和接收。

2.1 数据采集实验发射节点软件设计

在工业现场高温湿度、高硫化气体，信号的多径效应，电磁噪声干扰等多影响因素共存乱象，这些势必造成无线信号传输不稳定，传输乱码，甚至信号畸变等不良后果；为了使工业数据无线传输的稳定性，同时程序具有必要的纠错能力，在信号处理的过程中对通信协议进行了重新编码，使数据能够正确的发送和接收[11]。图4为无线数据采集发射节点程序流程图。

图4 无线数据采集发射程序流程

在无线数据发射节点程序设计中，获取的传感器数据首先要经过数模A/D转换后，再按照一定的格式进行一次编码，编码的数据帧包括包头、地址、发送的数据和CRC校验；在上述数模A/D转换中一次只能进行12位，使得数字传输要分2 B完成，2 B的低4位将作为校验位存在，简单设置从0000～1111进行加一循环；为了提高系统的传输的稳定性，将对发送的数据进行二次编码，在编码中对多个数据位进行校验；在完成通信协议编码后微控制器控制射频节点串行口连续的发送出编码好的数据帧[12]。

2.2 数据采集实验接收节点软件设计

在实验系统的接收节点软件设计中主要是完成发射节点数据的接收和解码，并在工控机上对解码后的数据进行处理显示结果。在具体的程序编写中，先初始化系统配置后，nRF2401射频端口不断监测空中是否有数据传输过来，捕获到数据后送入微处理器做解码处理，再送RS-232串口；如果没有捕获到数据，则不断循环监测。图5为接收节点主程序流程图。

图5 接收节点主程序流程图

为了提高实验数据接收节点纠错能力，在软件设计中，对接收到的数据帧都加上固定的包头，比如说0xFF等，以此来判断接收到数据的正确性，如果与设定好的数据编码不一致，则认定数据传输错误而将其遗弃不用[13]。

3 实验采集数据编码处理与测试

在完成实验系统数据采集软硬件设计后，在制糖过程控制实训中心实现现场测试，该中心由糖厂制糖设备模型、糖厂生产全过程自动控制系统等主要部分组成，实验测试现场环境如图6所示。

图6 实验现场测试环境

在中控室要完成各种控制命令的发送前提条件是采集到分布在前端节点上的工业传感器数据，工业传感器将制糖过程中采集的糖浆的浓度、锤度、糖罐真空度和汽室压力等数据送射频模块发送，接有射频接收模块捕获数据解析送工控机处理。

3.1 制糖过程控制实验采集数据编码与处理

在整个制糖过程控制实验数据采集的过程中，设计工控机的射频接收模块作为网络协调器节点，中继搭建路由器节点完成，各个数据传感器节点作为网络的终端节点[14]，每个发射接收节点分配不同的物理地址，发送节点格式按照已经规定的数据结构进行编码，具体的数据帧格式定义如图7所示。

图7 数据包结构定义图

为了提高传输速度，在数据收发模式中选择DirectModeTM模式，全程通过微控制器来处理数据。在第一部分数据帧格式中，包头PRE-AMBLE用于在空中区分捕获符合编码格式的数据；物理地址ADDRESS用于区分不同射频传输模块，尤其是同一类型的传感器用唯一的物理Mac地址区分尤为高效；被发送数据PAYLOAD主要是包含传感器的信息，为了提高传输效率和可靠性进一步对数据格式重新编码；为了提高数据收发的纠错能力，采用CRC校验方式[10,15]。

第二部分是对被发送数据进行重新编码，主要是应对在制糖过程的工业环境中恶劣的现场环境，受到高温、潮湿、电磁干扰和硫化气体共存多干扰源影响严重，编码再次进行校验提高数据帧的纠错能力，同时增强整个系统防丢包能力。在数据编码中，首先再次对数据标头进行编码检验，计算数据长度和校验和是对数据重新编码纠错监测，其中传感器数据类型已经做出了定义，比如说真空度为0x0A，糖膏锤度为0x0E…等，这些都通过查表的方式获得。接收节点编写程序实现数据获取时要按照这个数据格式进行解析，不同的传感器类型对应不同的数据位和数据，这个在设置的表格中可以查询到。

在数据传输过程中，整个数据帧和被包含的被发送数据后1 B的低4位作为校验位，当数据接收不正确的时候需要重传。定义数据包结构之后，因为需要无线采集的工业数据节点较多，需要多节点组网，以立式连续结晶罐为例，多数据采集节点组网模式选择和网络配置方式如图8所示。

图8 无线传输数据组网模式与配置

3.2 实验数据接收测试

在工控机上接收到的数据要实现正常获取和显示，需要在工控机上编写对应的程序实现。在实验中采用LabVIEW软件来完成，针对实训现场环境，以立式连续结晶罐作为样本分析，可以同时采集监控4个结晶罐内真空度、温度、糖膏锤度等数据，多个立式连续煮糖结晶罐数据采集实验测试数据信息显示结果如图9所示。

在实验室模拟的工业环境中进行长时间的测试，可任意选取某个时间段内煮糖过程进行监测，在此以两个小时为样本空间，共收集到数据1 152个，未返回数据4个，丢包率4/1 152=0.35%，测得丢包率并不影响煮糖在线控制；此外，可通过SQL数据库自带工具调取历史数据和监测实时状况，表1为以报表形式截取显示实时监控状态数据。

表中7个编号No依次表示控制节点电压、罐内液位高度、进糖阀门流量，原蜜阀门流量、进水阀门流量、进糖阀门汽鼓温度和汽室温度。通过测试表明,系统的稳定性较好，数据传输的速度满足现场的需要，数据的丢包率也在可以接受的范围之内。

图9 数据采集实现界面

No1No2No3No4No5No6No71.23955.157.300119.0141.011.24255.657.200119.0341.021.24055.357.300119.0741.001.23955.157.600119.0141.011.24155.657.200119.0241.051.24055.357.100119.1141.021.24155.457.400119.0841.03

4 结 语

实验系统在模拟的制糖过程工业控制基本上实现了工业数据无线采集仿真。从测试的效果看来，整个系统设计合理可行，数据传输稳定可靠，可以应用于课程实训环境数据的实时采集和无线传输，同时也可以应用于工业实时过程监测。在工业数据无线传输速度和可靠性不断发展的背景下，无线收发芯片引入更加丰富的接口，如USB通用串行接口、网口和HDMI接口等，还有射频芯片集成化和模块化的设计使得无线传输技术在实验实训系统开发和工业系统得到越来越多的应用。

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Simulation and Realization in Experiment of Industrial Wireless Data Collection in Controlled Generating Sugar Process

PANZekai，QINGuili

(Technology Training Center of Sugar Process Control, Guangxi Vocational and Technical College,Nanning 530226, China)

Sugar process control prerequisite is to collect reliable data of sucrose scouring process which are obtained by various industrial sensors. Using a simulated industrial environment, based on the foundation of the Control Technology Training Center, an experiment of sugar process control has been designed. The hardware and software are designed, transmission data format is re-encoded, dual encoding validation is used to improve data transfer mode and decrease the error correction capability. The multi-node wireless transmission network enhances network capacity. Field tests have shown that the simulation experiment system of wireless data acquisition system is stable and reliable, it expands the curriculum reform and can play a catalytically role for automated production line technological transformation of sugar industry.

sugar making process； data acquisition； dual coding

2016-08-08

广西教育厅自然科学基金资助项目(KY2015YB384,20161A023)；广西职业技术学院自然科学基金资助项目(161213)

潘泽锴(1984-)，男，广西南宁人，硕士，讲师，研究方向：智能信息处理、工业自动化。

Tel.:15289668817；E-mail：panzekai@163.com

TP 271+4

A

1006-7167(2017)06-0103-05