气动技术中无线技术应用

2014年第11期液压与气动doi: 10. 11832/j. issn. 1000- -4858. 2014. 11. 001作者简介:郝鹏飞，男，1970 年出生于北京，副研究员，博士生导师。中国机械工程学会流体传动与控制分会青工委委员。长期从事流体传动与控制及实验流体力学领域的教学与科研工作。主要研究方向包括流体传动与控制，实验流体力学，环境与工程流体力学及微纳米流体力学。主持完成国家自然科学基金面上项目1项，国际合作项目10余项。现主持国家科技重大专项子课题项目1项，中石油创新基金项目1项，国际合作项目2项。参与完成国家自然科学基金面上项目5项，科技部863课题1项及其他项目20余项。参与研究“10 MW高温气冷堆蒸汽发生器事故排放系统的水锤分析”获得国防科学技术三等奖;发表学术论文30余篇，其中SCI检索论文20余篇，EI 检索论文10余篇，获得国家发明专利5项。气动技术中无线技术应用郝鹏飞',孙喜明'2，何枫'(1.清华大学航天航空学院，北京1000; 2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京10084)摘要:无线技术已经给人们的日 常生活带来了很多便利,逐渐改变着人们的生活习惯和生产控制理念,无线技术对工业自动化技术的发展也将产生越来越大的影响。基于ZigBee 技术研制多通道通用无线传输模块,实现了气动系统无线组网的信号传输和时序控制;研制两种利用气缸排气,为无线元件供电的微型发电装置;应用无线压力传感器组网,在线监测气动管网压力,结合小波提升算法进行气动泄漏定位检测。对当前主流无线技术在传输距离、传输速率、组网能力、功耗和响应时间等关键参数作了对比分析,为气动技术生产实时监测控制,以无线传感器和无线控制器的产品形态组成无线网络的研究提供了参考。关键词:气动技术;无线传感器;蓝牙; ZigBee;无线局域网中图分类号:TH137;TP21;TP212文献标志码:B 文章编号 :1000-4858 (2014)11-0001 _05Analysis of W ireless Technology for Pneumatic Technology ApplicationHAO Peng-fei' , SUN Xi-ming'", HE上tng'(1. School of Aerospace Engineering, Tsinghua University，Beijing 100084;2. Institute of Nuclear and New Energy Technology , Tsinghua University，Beijing 100084)Abstract: Wireless technology has brought a lot of convenience in daily life, gradually changed people 's habits andindustrial control concepts. w ireless technology has an increasing impact on the development of industrial automationtechnology. This paper presents the research of wireless sensors for pneumatic technology applications and wirelessonline leakage detection, the key issues of wireless technology in pneumatic technology industry, such as reliability,real-time response，and networks capability and so on. The important parameters of transmission distance，transmis-sion rate, networking capability, power and point-to-point communication average response time are compared for theecurent wireless technology ，including Bluetooth, nRF, ZigBee, WLAN, which is useful for the wireless networkswith a wide variety of reliable wireless sensors and controller used in real-time control for pneumatic technology.Key words: pneumatie technology ，wireless sensor, Bluetooth , ZigBee,中国煤化工收稿日期:2014-10-14TYHCNMH G .基金项目:国家重点基础研究发展973计划(2012CB72000).2液压与气动2014年第11期引言将来,无线设备势必采用电池供电或者就近利用环境自本世纪初,无线技术的发展推动工业自动化技能源发电。术发生着革命性的变化。近年来无线技术开始应用于目前主流的几种无线技术是ZigBee'1] 、Blue-工厂内部，在生产、管理、自动维护等方面都显示了高.tooh(2}、WLAN ( Wireless LAN )[3]、nRFShock Bburst(4]效率和便捷的优越性。气动技术在工业自动化生产中等,现在一些科研单位和企业根据气动技术的工业应的广泛应用,也将面临引进无线技术的变革性冲击。用特点,在国内已经开展了无线技术在流动测量和控当前气动技术中,传感器和控制器的信号传输方制上的相关研究。2005 年清华大学采用无线芯片式均为有线传输,而改用无线技术必将需要可靠的无CC1000研制成功了气动技术中的无线测量和控制系线传感器和控制器,才能组成无线网络,因此应用在气统')。CC1000是瑞典ChipCom公司的产品,无线传动技术中的无线信号传输元件的开发是非常重要的。输速率9600bps,采用非标准自制通信协议。2009年常用的单向图像一数据传输 的无线技术监测管美国TI公司收购了ChipCom,推出了符合ZigBee标准理应用,对信号实时性、可靠性要求不高。工业自动化的业内主流无线产品CC2430。2011年成都电子科技气动技术的生产控制,主要还是严格精准的时序控制。大学黄涛设计采用CC2430芯片实现了多缸无线气动现有时序控制多采用可编程PLC总线控制技术,其检伺服控制系统[6]。2012年成都电子科技大学翟志敏测控制和反馈信号线路的连接检修和管理都十分庞等人为解决工业现场复杂的布局布线等问题,采用杂。由于关系到生产效率和产品质量,将无线技术引CC2430芯片研制了基于ZigBee无线传感器网络的气进到气动技术应用,所面临的主要问题是,能否满足可缸位置检测系统['”。2012年广州机械科学研究院有靠性和实时性两大要求,无线技术必须能够克服所在限公司卢文辉提出了气动系统无线远程故障快速诊断环境的各种干扰,快速响应接收信号和发送控制指令。和定位方案[8],遗憾的是没有给出系统采用的无线收气动技术的生产控制对信号的实时响应要求较发单元的芯片型号和无线协议标准。近年来,国内市高。例如,气缸的运动周期常小于1 s,这要求无线数场上出现了不少无线气动产品,例如无线气动温控据传输有较好的实时性。两个无线设备A和B,A在器[9),基于无线遥控的重型卡车气动刹车装置[10]等。T,时刻向B发送数据,B收到并回应数据,A收到B但总体而言,针对气动技术无线产品的开发和无线技回应数据的时刻为T2。本文将△T=Tz-T,定义为A术的应用还是开展的不多。和B的“数据通信响应时间”。工业气动技术的应用本文介绍了针对气动技术应用所开展的无线传输通常要求“数据通信响应时间”在10 ms以内。若接收控制、无线元件供电的研制,应用无线压力传感器进行信号在干扰下需系统反复确认,必将影响到响应时间。无线泄漏检测研究。结合气动技术工业环境中应用无对于不考虑功耗的应用, -旦无线局域网络建立就不线技术的实际问题,对现有无线技术的关键参数作了再断开,那么网络连接对响应时间的影响可以忽略;对对比分析。于讲求低功耗的应用,例如休眠唤醒,需实时网络建立1无线技术应 用研究和信号握手确认,数据通信的总响应时间还要包含寻1.1通用无线传 输模块网和握手确认的时间响应。气动技术中现有的压力、流量和温度等传感器多气动系统的噪声较大,因此气动设备与控制室需为有线连接传输和控制。现有无线技术中ZigBee具要保持- -定距离,甚至有墙壁隔离，因此对无线信号的有组网能力,可实现多节点传输并不受传输距离的限可中继传输提出要求。对于无线设备和无线网络,只制。该研究以ZigBee芯片CC2430为基础,研制了具有具备“路由模式”,才能实现多级中继传输,突破传有信号采集控制、双向通信的通用无线传输模块参见输距离的限制。在大型工厂里,很多台气动设备同时图1a,所研制的通用无线模块具有多路I/O端口,可工作,大量传感器和控制器同时传输数据,对无线网络实现远程无线检测与控制,非常方便的将无线传输模传输速率和网络可扩充性也会提出要求。块集成在现有产品上进行应用;图lb为带有通用无线大多数工厂环境下电力供应充足便利,因此对无传输模块自中国煤化工0 L/min, 量程比线设备采用电池供电暂无强烈要求。随着环保节能的1: 100;图1YHCNMHG大量程1MPa,测要求不断提高以及电池续航能力不断增强,在不久的量精度 0. 1% FS;无线流量计和无线压力传感器均可.2014年第11期液压与气动5Wi-Fi不以低功耗见长，在数据传输时, Wi-Fi的制器的产品形态组成无线网络,应用在气动技术生产功耗约为ZigBee的10倍,而且Wi-Fi没有休眠和唤醒实时控制上的前景将是非常广阔的。机制,这导致Wi-Fi是当前智能手机的主要耗电量之参考文献:一。但对于工业气动技术应用环境来说，数据传输的[1] ShahinF arahani. ZigBee Wireless Networks and Transceivers功耗是可以忽略的,因此Wi-Fi功耗高的缺点显得并[M]. USA:Newnes, Pap/Com ,2008.不突出。经实测,在信号强度RSSI为- 50 dbm时,[2] Robin Heydon. Bluetooth Low Energy: The Developer 'sWi-Fi的平均数据通信响应时间约为8 ms, 满足工业Handbook[ M]. USA:Prentice Hall ,2012.气动环境对数据实时性的一般要求。对于节点数较大[3] John Ross. The Book of Wireless: A Painless Guide to Wi-规模的气动工业应用环境,目前WLAN无线技术是理Fi and Broadband Wireless[ M]. USA :No Starch Press ,2008.想之选。4] Nordie 公司. nRF2401A Datasheet, nRF905 Datasheet[Z].2003.3结论本研究针对气动技术应用中的传感元器件和控制[5] 李新明,汤荣铭,郝鹏飞,许宏庆.气动系统的无线数据采集与控制研究[J].液压与气动,2005, (5):1-4.元件，研制了通用无线传输模块,并成功应用于无线传[6] 黄涛,多缸无线化气动伺服控制系统的设计和实现[ D].输和控制的气动技术系统中,实现了具有多节点及长成都:成都电子科技大学,2011.距离中继组网能力的“无线PLC"控制技术;研制了利7]翟志敏,杨平,魏薇.基于ZigBee无线传感器网络的气缸用气动系统排气为低功耗无线元件供电的小型发电装位置检测系统[J].仪表技术与传感器,2012,(2):66 -68.置;利用无线技术实现了气动管网系统的压力监测及8] 卢文辉.基于状态检测元件的气动无线远程故障快速定气体泄漏检测定位。对比分析了现有无线通信技术的位技术的研究[J].机床与液压,2012 ,40(9) :161 - 163.传输速率响应时间和组网能力,为无线技术在气动技9]创米科技公司.安装后的无线气动温控器开始与无线传感器网络的通信[Z] . 2013. 8. htp:/www. hzchuangmi.术中的进- -步应用提供参考。com/ anzhuanghou-wuxian-tongxin. html.目前无线技术在人们生活中的应用越来越广泛,[10]付娆,刘湘如 ,周哲,等.基于无线遥控的重型卡车气动人们也越来越认同和享受无线技术的优越性。随着无刹车装置:中国,CN201310311396.7[P].2013 -12 -11.线网络通信技术的迅速发展,无线产品的小型化,以及[11] 毛芹,郝鹏飞,何枫,等射流微振荡器的设计与实验研无线网络协议的多样化,将为无线技术在流动监测与究[J].实验流体力学, 2013, 27(1): 1-5.控制中的应用提供技术基础。在不远的将来,无线技[12] 毛芹,王涛,郝鹏飞,等.基于PVDF压电片发电的特性术将以越来越多、越来越成熟可靠的无线传感器和控研究[J].北京理工大学学报,2012 ,32(11);1140 - 144.广告刊户索引北京华德液压工业集团有限责任公司....封面徐州车氏密封有限公司.... 广9九江七所精密机电科技有限公司封二中山茂凯工业有限公司广10宁波星箭航天机械有限公司广1德州市天元液压机具有限公司广11新乡市平菲液压有限公司广2芜湖市银鸿液压件有限公司........广12南京讯联液压件有限公司阿托斯液压产品(.上海)有限公司...黎明液压有限公司...广4国家液压元件质量监督检验中心广14黎明液压有限公司.广5《液压与气动》编辑部............ 广15颇尔过滤器(北京)有限公司.广6 深圳市特力得流体系统有限公司..... 广16宁波索诺工业自控设备有限公司广7北京四达合道液压姑术有限公封三上海敏泰液压股份有限公司广8北京机械工业中国煤化工封底YH| CNMHG