基于无线现场总线网络的输煤仿真系统

1 引言

       电厂的一个重要组成系统是输煤系统，目前我国的输煤系统一般都采用plc、dcs系统，输煤系统主要由翻车机给料带、轮斗机、皮带、犁煤器、碎煤机、除铁器等一系列设备组成，其中皮带系统占了重要组成部分，皮带的控制又可分为启动皮带、停止皮带、皮带跑偏报警、上下级皮带的联锁以及皮带电机的电流信号控制，皮带系统的仿真是输煤系统仿真中的一个重要方面，我们必须建立皮带系统的模型，利用此模型，可以做一些皮带正常启停，皮带故障的模拟，从而达到对工业现场的模拟，并可以用仿真系统实现模拟工业现场,调试输煤系统的目的。

        就目前的情况看仿真系统一般为有线系统，在很大程度上限制了运用仿真系统在不同的地点对输煤系统进行调试，而目前出现的无线控制网络是用一些无线模块搭建的可移动的网络系统，可以实现一点对多点或者多点对多点的通信功能，而在工业现场中,我们需要有很多分散的控制模块，这样，利用无线网络，可以很好的实现输煤系统或者是其他较分散的系统的仿真。

        项目选择了现在比较可靠的无线模块ptr8000作为建立无线网络的基本模块，主要建立一个输煤仿真系统，其组成为：一台计算机，在计算机上模拟输煤皮带的界面，利用opc server，通过串口连接无线收发模块，无线收发模块的作用是实现上位仿真机与dcs系统的通信。另外，我们还将开发分别带ai、ao、di、do接口的无线模块，其中带ai、di模块的无线模块是无线发送模块，带ao、do的无线模块是无线接收模块，它们分别与dcs系统中的ao、do、ai、di模块连接。利用这套系统，我们可以很好的完成皮带系统的模拟,对工业现场进行仿真。整个系统如图1所示。





图1 输煤仿真系统


2 无线网络

2.1 无线局域网技术和标准

        无线网络作为有线网的扩展和补充，在有线设施使用受限的场合发挥着无可替代的作用。由于ism(industry/scientific/medical)频段的开放，经营者和用户不用申请受权就可以自由使用这些频段，从而促进了无线数据通信技术的发展。无线数字传输常用的调制方法有窄带数字调制和扩展频谱调制，目前以扩频调制方式居多，主要包括直接序列(direct sequence，ds)扩频、跳频(frequency hopping，fh)扩频、跳时(time hopping，th)扩频、线性跳频扩频及其组合等。

        无线局域网(wireless lan)出现在20世纪90年代，随着wlan市场的急剧增长，出现了多种无线局域网技术和标准，其中包括：

（1）以无线lan(local area network)为典型应用的、ieee 802.11和hiperlan；

（2）由家用射频工作组(home radio frequency working group,hrfwg)提出的以家庭应用为主要背景的共享无线访问协议(shared wireless access protocol,swap)；

（3）蓝牙特别兴趣小组(bsig)提出的蓝牙系统；

（4）lmds(local multipoint distribution service)宽带固定无线接入技术，即本地多点分配业务系统；

（5）超宽带无线通信技术(uwb)。802.11标准是ieee(institute of electrical and electronics engineers)推出的无线互连协议，包括802.11a和802.11b两种变体，其中802.11b的速率达到了11mbps。802.11标准使各种不同厂商的无线产品得以互连。

2.2 无线模块

（1）ptr8000模块介绍。ptr8000是专门为点对多点无线通信设计的一块高性能嵌入式无线模块，多频道多频段，低功耗模块。内置完整的数据通信协议和crc检错，只需通过spi即可完成所有的无线收发传输，无乱码输出。体积较小，内置环行天线，性能稳定且不容易受外界影响，对电源不敏感。它的最大发射功率为+10dbm，高抗干扰gfsk调制，可跳频，独特的载波监测输出，地址匹配输出，数据就绪输出。由于具有以上特点，这块无线模块适合运用在工业现场作为工业局域网的基本无线模块。

（2）其他组成模块介绍。我们设计的模块是带di(开关量输入)，do(开关量输出)，ai(模拟量输入)，ao(模拟量输出)模块的无线模块，主要利用m68hc12单片机作为模块的核心单元，外围的电路分别实现工业现场的di，do，ai，ao功能，并考虑工业现场的干扰较多，所以在设计时加上外围的抗干扰电路，例如di模块的rc滤波电路，光电隔离电路等。利用m68hc12单片机的spi接口，我们可以很容易的实现与无线模块ptr8000通信。另外，在与上位计算机连接时，我们还设计了专门与计算机连接的m68hc12为核心的收发模块。 [page]

di发送模块：主要是连接dcs设备上的do模块，其作用是采集由dcs的do模块发送的数字量，经过一系列处理后，通过编码的方式传送给无线发送模块，再按照一定的协议，发送出去。

do接收模块：主要是连接dcs设备上的di模块，其作用是将无线接收模块发送的数据，经过一系列解码处理后，以数字两的形式传送到dcs设备上的ai模块。

ai发送模块：主要是连接dcs设备上的ao模块，其作用是采集由dcs的ao模块发送的模拟量，经过一系列处理后，通过编码的方式传送给无线发送模块，再按照一定的协议，发送出去。

ao接收模块：主要是连接dcs设备上的ai模块，其作用是将无线接收模块发送的数据，经过一系列解码处理后，以模拟量的形式传送到dcs设备上的ai模块。

        这样，五大模块组成了整个仿真系统的硬件无线网络部分，构成了一个无线局域网络，我们可以利用很多这样的模块实现一个大的输煤仿真系统。



3 无线网络软件实现

3.1 原理设计

       由于与rf协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在模块内部，ptr8000可与各种低成本单片机配合使用，也可以与dsp等高速度处理器配合使用；ptr8000提供了一个spi接口，速率由微处理器自己设定的接口速度决定.在rx模式中，地址匹配（am）和数据准备就绪（dr）信号通知mcu一个有效的地址和数据包已经各自接收完成，微处理器即可通过spi读取接收的数据.在tx模式中，ptr8000自动产生前导码和crc校验码，数据准备就绪（dr）信号通知mcu数据传输已经完成。

ptr8000有以下三种模式：

（1）配置编程：上电后mcu首先配置ptr8000模块.先将pwr、txen、trx_ce设为配置模式，mcu通过spi将配置数据移入ptr8000模块；在掉电和待机模式工作后,配置内容仍然有效.配置数据只有当电源撤除后才会消失。

（2）发射模式：当mcu有数据需要发往规定节点时，接收节点的地址（tx-address）和有效数据（tx-payload）通过spi接口传送给ptr8000.应用协议或mcu设置接口速度。mcu设置trx_ce、tx_en为高来启动输。ptr8000内部处理无线系统自动上电，数据包完成（前加导码和crc校验码），数据包发送（100kbps，gfsk，曼切斯特编码）。如果auto_retran被设置为高，ptr8000将连续地发送数据包，直到trx_ce被设置为低。当trx_ce被设置为低时，ptr8000结束数据传输并将自己设置成待机模式。

（3）接收模式：通过设置trx_ce高，tx_en低来选择rx模式。650us后，ptr8000监测空中的信息。当ptr8000监测到频率相同的载波时，载波监测（cd）被设置为高。当ptr8000接收到有有效的地址时，地址匹配(am)被设置为高。ptr8000将接收有效的数据包(crc校验正确)时，ptr8000去掉前导码、地址和crc位，数据准备就绪（dr）被设置为高。mcu设置trx_ce为低，接收完成，进入待机模式，mcu可以以合适的速率通过spi接口读出有效数据。当所有有效数据被读出后，ptr8000将am和dr设置为低。

3.2 无线网络mcu主程序

         在无线传输网络系统中，如果信息传输量很多，任务饱满，可采用令牌方式。此种传播方式比其它方式有更好的吞吐率。其实现原理如下：网络一建立，就产生一令牌，该令牌在网上传输。当一个站收到令牌，则说明该站具有传输信息的权利，然后进行信息传输，传输完之后，再将令牌发往下一站。如果该站没有信息传输，则直接将令牌发往下一站。下一站获得令牌进行信息传输，再将令牌发往再下一站。以此类推，直到所有站传递完之后再回到头，周而复始，实现全网信息传输。

        要保证可靠接收，环中任意两站之间要限制距离，并保证环路初始建立时不出现隐蔽结点。在无线环网中采用帧交换方式，在环网的方式下，主要解决以下几个问题。

（1）系统初始化（令牌产生）。系统初始化需要解决令牌产生的问题。当无线网络安装好以后，各站均有责任产生令牌，但在整个网络中，仅有一个令牌。产生令牌的原则是:按地址大小排序，具有最小地址站最有资格作为令牌的起始站。

（2）逻辑环的建立。初次拥有令牌的站，将本站地址填入“征求—后继者”帧中，然后发送“征求一后继者”帧，再监听信道上有无响应帧。当各接收站收到“征求—后继者”帧时，则将征求者站地址按地址大小排序填入资源表中（重复的不填），再检查本地址是否在征求者所需覆盖的地址范围，若不在，不发响应帧。若在则发“设置一后继者”响应帧。当原发站收到“设置—后继者”帧时，建立或修改本站中的后继者地址，并向后继者传送令牌。当有多个响应站“设置—后继者”帧时，则只能通过仲裁算法来确定唯一的响应者作为后继者。后继者得到令牌之后，再征求后继者，直到没有响应为止，然后将资源表中的第一个站点作为自己的后继站发送令牌，这样逻辑环就初步建立了。

（3）逻辑环的管理。初始化建立了逻辑环之后，还存在着令牌的维护，新站的加入和老站的退出事务处理。这些管理是很复杂的，因具有动态的过程，下面分成4 个部分：令牌传送、正常操作过程、新站加入逻辑环、退出逻辑环。


4 结束语

        在输煤仿真系统中，我们利用了无线现场总线技术，将模块分散化，具有可移动性，能够满足工业现场的需要，为仿真调试带来了方便，同时也为无线现场总线网络的实现找到了一定的事实依据。