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[导读]摘要:针对传统DCS系统在过程控制中采用有线方式来实现其数据通信而出现布线复杂、可靠性差等诸多问题,提出 了基于ZigBee技术的无线DCS现场控制站,以集成符合IEEE 802.15.4标准的STM32W108单片机为硬件平台,采用ZigBee 技术为核心组建WSN网络,实现无线替代有线的DCS现场控制解决方案。

引言

DCS (集散控制系统)综合了计算机、自动控制、通信等 技术,具有大规模数据处理、信息管理及较强数据通信能力 等特点而成为目前主导的自动化控制系统。目前,DCS系统在 过程控制级与控制管理级之间以及过程控制级设备间大多采 用有线方式来实现其数据通信功能,系统采用标准模拟信号 进行数据传输,信号可靠性、抗干扰等性能较差;在地形条 件不好、临时组网时,系统控制设备布线复杂、维护困难等。 因此采用基于ZigBee技术的无线DCS系统是对现场工业控 制领域一个有益的补充,对进行信号传输,避免布线和维护 具有重要意义。

1 ZigBee 技术及 STM32W108 简介

ZigBee 技术

ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、 低数据速率和低成本的无线网络技术。主要用于近距离无线 连接,由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点, 决定了 ZigBee技术适合于承载数据流量较小的包括工业控 制、工业自动化等工业领域。

STM32W108 简介

STM32W108是ST公司的具有更高性能、低功耗、发射 功率软件可调的系统芯片。STM32W108芯片采用硬件固化协 议栈,不必移植相关的ZigBee协议栈,就可以直接利用协议 栈提供的API进行二次开发。其优势主要有三点:一是在保 持低功耗的基础上,采用了 32位ARM Cortex-M3的微处理器, 并有广泛的ARM开发工具支持;二是芯片内部带有功率放大 器,发射输出功率可配置至+8 dBm,无需外部功放就可以获 得较大的通信距离;三是STM32W108芯片不同版本分别固化了 802.15.4 MAC、ZigBee、RF4CE等协议栈,用户可以进行 符合相关标准的无线网络产品开发,大大简化产品开发的技术 复杂度,增加了可靠性。

2系统总体架构

DCS系统通常分为现场控制站(级)、操作监控级和综合 信息管理级三个部分,而本方案侧重现场控制站的设计。采 用具有Cortex-M3内核的32位微控制器STM32W108为硬件 平台,以ZigBee技术为核心,通过应用程序各个任务之间的 协调来共同完成数据通信与传输。工业现场监控节点结合多 种传感器将收集到数据通过WSN网络送至协调器,再由RS 232串口通信送到Tiny6410网关或C/S与B/S模式的客户端, 完成数据库的记录、检测。也可发送控制指令,控制指令通 过ZigBee网络到达被控制节点,通过执行器达到控制现场参 数目的。现场控制站数据传输示意图如图1所示。

基于ZigBee技术的无线DCS现场控制站设计

根据数据传输链路,确定了以传感器信息为数据源,以 底层节点与协调器组成WSN网络和串口通信为数据链路,网 关完成数据的初步整合处理,通过人机交互终端,可以完成 信息的接收展示、数据库的操作以及控制指令的下发。

3硬件设计

3.1 STM32W108采集节点

采集节点主要由处理器模块、传感器模块、电源模块及 其他外围模块组成。STM32W108处理器模块是节点的核心, 用于完成数据发送,数据处理、数据存储、执行通信协议和 节点调度管理等工作;传感器模块包括各种传感器和执行器, 用于感知数据和执行各种控制动作(如A/D转换);电源是所 有电子系统的基础,电源模块的设计直接关系到节点的寿命;其他外围模块包括按键、LED、低电量检测电路等,也是节点 不可缺少的组成部分。

STM32W108作为核心芯片,结合多种传感器构成底层 的STM32W108节点对现场环境参数进行采集,并自动捜索 周围的协调器、加入WSN网络并将采集到的数据集中发送至 STM32W108和Tiny 6410网关,将RS 232串口数据转换成网 口数据然后发送到外部网络中。STM32W108采集节点原理图 如图2所示。

基于ZigBee技术的无线DCS现场控制站设计

3.2  STM32W108 协调器

STM32W108协调器主要功能是ZigBee通信和人机交 互,主要由ZigBee模块和键盘模块、液晶模块等模块构成。 STM32W108协调器原理图如图3所示。

3.3Tiny 6410 网关

Tiny 6410网关包含多种接口和传感器节点,负责数据采 集、传输及下行控制。6410网关将协调器传来的底层数据反 映在液晶屏上,方便用户操作;同时将实时数据通过板载的 EtherNet接口发送到以太网上,用户可登录服务器实时监测工 业现场的情况。Tiny 6410网关原理图如图4所示。

基于ZigBee技术的无线DCS现场控制站设计

4软件设计

ZigBee具备强大的设备联网功能,本方案采用ZigBee 技术来组建无线通信平台,软件部分主要包含网关与USB- WiFi模块通信、协调器与节点间通信两部分。

4.1网关程序流程

Tiny 6410与USB-Wifi模块相连接,将ZigBee协调器上 的信息通过无线的方式写到数据库服务器,Tiny 6410网关在 共享数据库资源中起到重要作用。

4.2协调器与节点程序流程

STM32W108节点是WSN网络的载体,是无线DCS现 场控制站的核心内容,协调器节点与传感器节点的具体工作。

首先将对应的程序烧写入协调器节点及传感器节点中,然后将协调器及传感器节点进行硬件设备上电初始化,协调器开始协议栈初始化、扫描传输通道并建立网络,传感器节点检查合 适的网络,加入网络后将网络地址发送给协调器,协调器收 到信息后,将信息接受、处理。其协调器与节点的程序流程图 如图5所示。

基于ZigBee技术的无线DCS现场控制站设计

5系统测试

5.1传输时延与可靠性测试

ZigBee作为一种近距离、低功耗、低数据速率、低成本 的无线通信,响应速度较快,在工业控制系统传输实时性和 可靠性高。本方案无线DCS现场控制站系统通过测试,该网 络的丢包率为0,时延低(平均30.8 ms),传输稳定,满足工 业现场控制要求。

5.2通信距离测试

通信距离点对点的可靠性测试分无障碍测试和隔墙测试, 在保证数据不丢失的前提下,对不同的现场环境进行了 50次 测试,查看并对比数据的收发次数(发送50次)计算出数据 丢包率,测试结果如表1所示。

基于ZigBee技术的无线DCS现场控制站设计

6结语

经过实验测试,基于ZigBee技术构建的无线DCS现场控制站突破了有线网络物理媒质的限制,拓展了 DCS 系统的应用范围。该无线 DCS 现场控制站组网迅速,信息采集精确,实时性好,检测和控制稳定等诸多优点,可以满足工业的现场控制、数据采集及 DCS 系统进一步扩展的需求。

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