氣動(dòng)技術(shù)中無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用

2014年第11期液壓與氣動(dòng)doi: 10. 11832/j. issn. 1000- -4858. 2014. 11. 001作者簡(jiǎn)介:郝鵬飛，男，1970 年出生于北京，副研究員，博士生導師。中國機械工程學(xué)會(huì )流體傳動(dòng)與控制分會(huì )青工委委員。長(cháng)期從事流體傳動(dòng)與控制及實(shí)驗流體力學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。主要研究方向包括流體傳動(dòng)與控制，實(shí)驗流體力學(xué)，環(huán)境與工程流體力學(xué)及微納米流體力學(xué)。主持完成國家自然科學(xué)基金面上項目1項，國際合作項目10余項?，F主持國家科技重大專(zhuān)項子課題項目1項，中石油創(chuàng )新基金項目1項，國際合作項目2項。參與完成國家自然科學(xué)基金面上項目5項，科技部863課題1項及其他項目20余項。參與研究“10 MW高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器事故排放系統的水錘分析”獲得國防科學(xué)技術(shù)三等獎;發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI檢索論文20余篇，EI 檢索論文10余篇，獲得國家發(fā)明專(zhuān)利5項。氣動(dòng)技術(shù)中無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用郝鵬飛',孫喜明'2，何楓'(1.清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京1000; 2.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京10084)摘要:無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)給人們的日 常生活帶來(lái)了很多便利,逐漸改變著(zhù)人們的生活習慣和生產(chǎn)控制理念,無(wú)線(xiàn)技術(shù)對工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展也將產(chǎn)生越來(lái)越大的影響?；赯igBee 技術(shù)研制多通道通用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊,實(shí)現了氣動(dòng)系統無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)的信號傳輸和時(shí)序控制;研制兩種利用氣缸排氣,為無(wú)線(xiàn)元件供電的微型發(fā)電裝置;應用無(wú)線(xiàn)壓力傳感器組網(wǎng),在線(xiàn)監測氣動(dòng)管網(wǎng)壓力,結合小波提升算法進(jìn)行氣動(dòng)泄漏定位檢測。對當前主流無(wú)線(xiàn)技術(shù)在傳輸距離、傳輸速率、組網(wǎng)能力、功耗和響應時(shí)間等關(guān)鍵參數作了對比分析,為氣動(dòng)技術(shù)生產(chǎn)實(shí)時(shí)監測控制,以無(wú)線(xiàn)傳感器和無(wú)線(xiàn)控制器的產(chǎn)品形態(tài)組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的研究提供了參考。關(guān)鍵詞:氣動(dòng)技術(shù);無(wú)線(xiàn)傳感器;藍牙; ZigBee;無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中圖分類(lèi)號:TH137;TP21;TP212文獻標志碼:B 文章編號 :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,中國煤化工收稿日期:2014-10-14TYHCNMH G .基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展973計劃(2012CB72000).2液壓與氣動(dòng)2014年第11期引言將來(lái),無(wú)線(xiàn)設備勢必采用電池供電或者就近利用環(huán)境自本世紀初,無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化技能源發(fā)電。術(shù)發(fā)生著(zhù)革命性的變化。近年來(lái)無(wú)線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始應用于目前主流的幾種無(wú)線(xiàn)技術(shù)是ZigBee'1] 、Blue-工廠(chǎng)內部，在生產(chǎn)、管理、自動(dòng)維護等方面都顯示了高.tooh(2}、WLAN ( Wireless LAN )[3]、nRFShock Bburst(4]效率和便捷的優(yōu)越性。氣動(dòng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中等,現在一些科研單位和企業(yè)根據氣動(dòng)技術(shù)的工業(yè)應的廣泛應用,也將面臨引進(jìn)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的變革性沖擊。用特點(diǎn),在國內已經(jīng)開(kāi)展了無(wú)線(xiàn)技術(shù)在流動(dòng)測量和控當前氣動(dòng)技術(shù)中,傳感器和控制器的信號傳輸方制上的相關(guān)研究。2005 年清華大學(xué)采用無(wú)線(xiàn)芯片式均為有線(xiàn)傳輸,而改用無(wú)線(xiàn)技術(shù)必將需要可靠的無(wú)CC1000研制成功了氣動(dòng)技術(shù)中的無(wú)線(xiàn)測量和控制系線(xiàn)傳感器和控制器,才能組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),因此應用在氣統')。CC1000是瑞典ChipCom公司的產(chǎn)品,無(wú)線(xiàn)傳動(dòng)技術(shù)中的無(wú)線(xiàn)信號傳輸元件的開(kāi)發(fā)是非常重要的。輸速率9600bps,采用非標準自制通信協(xié)議。2009年常用的單向圖像一數據傳輸 的無(wú)線(xiàn)技術(shù)監測管美國TI公司收購了ChipCom,推出了符合ZigBee標準理應用,對信號實(shí)時(shí)性、可靠性要求不高。工業(yè)自動(dòng)化的業(yè)內主流無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品CC2430。2011年成都電子科技氣動(dòng)技術(shù)的生產(chǎn)控制,主要還是嚴格精準的時(shí)序控制。大學(xué)黃濤設計采用CC2430芯片實(shí)現了多缸無(wú)線(xiàn)氣動(dòng)現有時(shí)序控制多采用可編程PLC總線(xiàn)控制技術(shù),其檢伺服控制系統[6]。2012年成都電子科技大學(xué)翟志敏測控制和反饋信號線(xiàn)路的連接檢修和管理都十分龐等人為解決工業(yè)現場(chǎng)復雜的布局布線(xiàn)等問(wèn)題,采用雜。由于關(guān)系到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,將無(wú)線(xiàn)技術(shù)引CC2430芯片研制了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的氣進(jìn)到氣動(dòng)技術(shù)應用,所面臨的主要問(wèn)題是,能否滿(mǎn)足可缸位置檢測系統['”。2012年廣州機械科學(xué)研究院有靠性和實(shí)時(shí)性?xún)纱笠?無(wú)線(xiàn)技術(shù)必須能夠克服所在限公司盧文輝提出了氣動(dòng)系統無(wú)線(xiàn)遠程故障快速診斷環(huán)境的各種干擾,快速響應接收信號和發(fā)送控制指令。和定位方案[8],遺憾的是沒(méi)有給出系統采用的無(wú)線(xiàn)收氣動(dòng)技術(shù)的生產(chǎn)控制對信號的實(shí)時(shí)響應要求較發(fā)單元的芯片型號和無(wú)線(xiàn)協(xié)議標準。近年來(lái),國內市高。例如,氣缸的運動(dòng)周期常小于1 s,這要求無(wú)線(xiàn)數場(chǎng)上出現了不少無(wú)線(xiàn)氣動(dòng)產(chǎn)品,例如無(wú)線(xiàn)氣動(dòng)溫控據傳輸有較好的實(shí)時(shí)性。兩個(gè)無(wú)線(xiàn)設備A和B,A在器[9),基于無(wú)線(xiàn)遙控的重型卡車(chē)氣動(dòng)剎車(chē)裝置[10]等。T,時(shí)刻向B發(fā)送數據,B收到并回應數據,A收到B但總體而言,針對氣動(dòng)技術(shù)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和無(wú)線(xiàn)技回應數據的時(shí)刻為T(mén)2。本文將△T=Tz-T,定義為A術(shù)的應用還是開(kāi)展的不多。和B的“數據通信響應時(shí)間”。工業(yè)氣動(dòng)技術(shù)的應用本文介紹了針對氣動(dòng)技術(shù)應用所開(kāi)展的無(wú)線(xiàn)傳輸通常要求“數據通信響應時(shí)間”在10 ms以?xún)?。若接收控制、無(wú)線(xiàn)元件供電的研制,應用無(wú)線(xiàn)壓力傳感器進(jìn)行信號在干擾下需系統反復確認,必將影響到響應時(shí)間。無(wú)線(xiàn)泄漏檢測研究。結合氣動(dòng)技術(shù)工業(yè)環(huán)境中應用無(wú)對于不考慮功耗的應用, -旦無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )建立就不線(xiàn)技術(shù)的實(shí)際問(wèn)題,對現有無(wú)線(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵參數作了再斷開(kāi),那么網(wǎng)絡(luò )連接對響應時(shí)間的影響可以忽略;對對比分析。于講求低功耗的應用,例如休眠喚醒,需實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )建立1無(wú)線(xiàn)技術(shù)應 用研究和信號握手確認,數據通信的總響應時(shí)間還要包含尋1.1通用無(wú)線(xiàn)傳 輸模塊網(wǎng)和握手確認的時(shí)間響應。氣動(dòng)技術(shù)中現有的壓力、流量和溫度等傳感器多氣動(dòng)系統的噪聲較大,因此氣動(dòng)設備與控制室需為有線(xiàn)連接傳輸和控制?，F有無(wú)線(xiàn)技術(shù)中ZigBee具要保持- -定距離,甚至有墻壁隔離，因此對無(wú)線(xiàn)信號的有組網(wǎng)能力,可實(shí)現多節點(diǎn)傳輸并不受傳輸距離的限可中繼傳輸提出要求。對于無(wú)線(xiàn)設備和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),只制。該研究以ZigBee芯片CC2430為基礎,研制了具有具備“路由模式”,才能實(shí)現多級中繼傳輸,突破傳有信號采集控制、雙向通信的通用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊參見(jiàn)輸距離的限制。在大型工廠(chǎng)里,很多臺氣動(dòng)設備同時(shí)圖1a,所研制的通用無(wú)線(xiàn)模塊具有多路I/O端口,可工作,大量傳感器和控制器同時(shí)傳輸數據,對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)檢測與控制,非常方便的將無(wú)線(xiàn)傳輸模傳輸速率和網(wǎng)絡(luò )可擴充性也會(huì )提出要求。塊集成在現有產(chǎn)品上進(jìn)行應用;圖lb為帶有通用無(wú)線(xiàn)大多數工廠(chǎng)環(huán)境下電力供應充足便利,因此對無(wú)傳輸模塊自中國煤化工0 L/min, 量程比線(xiàn)設備采用電池供電暫無(wú)強烈要求。隨著(zhù)環(huán)保節能的1: 100;圖1YHCNMHG大量程1MPa,測要求不斷提高以及電池續航能力不斷增強,在不久的量精度 0. 1% FS;無(wú)線(xiàn)流量計和無(wú)線(xiàn)壓力傳感器均可.2014年第11期液壓與氣動(dòng)5Wi-Fi不以低功耗見(jiàn)長(cháng)，在數據傳輸時(shí), Wi-Fi的制器的產(chǎn)品形態(tài)組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),應用在氣動(dòng)技術(shù)生產(chǎn)功耗約為ZigBee的10倍,而且Wi-Fi沒(méi)有休眠和喚醒實(shí)時(shí)控制上的前景將是非常廣闊的。機制,這導致Wi-Fi是當前智能手機的主要耗電量之參考文獻:一。但對于工業(yè)氣動(dòng)技術(shù)應用環(huán)境來(lái)說(shuō)，數據傳輸的[1] ShahinF arahani. ZigBee Wireless Networks and Transceivers功耗是可以忽略的,因此Wi-Fi功耗高的缺點(diǎn)顯得并[M]. USA:Newnes, Pap/Com ,2008.不突出。經(jīng)實(shí)測,在信號強度RSSI為- 50 dbm時(shí),[2] Robin Heydon. Bluetooth Low Energy: The Developer 'sWi-Fi的平均數據通信響應時(shí)間約為8 ms, 滿(mǎn)足工業(yè)Handbook[ M]. USA:Prentice Hall ,2012.氣動(dòng)環(huán)境對數據實(shí)時(shí)性的一般要求。對于節點(diǎn)數較大[3] John Ross. The Book of Wireless: A Painless Guide to Wi-規模的氣動(dòng)工業(yè)應用環(huán)境,目前WLAN無(wú)線(xiàn)技術(shù)是理Fi and Broadband Wireless[ M]. USA :No Starch Press ,2008.想之選。4] Nordie 公司. nRF2401A Datasheet, nRF905 Datasheet[Z].2003.3結論本研究針對氣動(dòng)技術(shù)應用中的傳感元器件和控制[5] 李新明,湯榮銘,郝鵬飛,許宏慶.氣動(dòng)系統的無(wú)線(xiàn)數據采集與控制研究[J].液壓與氣動(dòng),2005, (5):1-4.元件，研制了通用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊,并成功應用于無(wú)線(xiàn)傳[6] 黃濤,多缸無(wú)線(xiàn)化氣動(dòng)伺服控制系統的設計和實(shí)現[ D].輸和控制的氣動(dòng)技術(shù)系統中,實(shí)現了具有多節點(diǎn)及長(cháng)成都:成都電子科技大學(xué),2011.距離中繼組網(wǎng)能力的“無(wú)線(xiàn)PLC"控制技術(shù);研制了利7]翟志敏,楊平,魏薇.基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的氣缸用氣動(dòng)系統排氣為低功耗無(wú)線(xiàn)元件供電的小型發(fā)電裝位置檢測系統[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012,(2):66 -68.置;利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現了氣動(dòng)管網(wǎng)系統的壓力監測及8] 盧文輝.基于狀態(tài)檢測元件的氣動(dòng)無(wú)線(xiàn)遠程故障快速定氣體泄漏檢測定位。對比分析了現有無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的位技術(shù)的研究[J].機床與液壓,2012 ,40(9) :161 - 163.傳輸速率響應時(shí)間和組網(wǎng)能力,為無(wú)線(xiàn)技術(shù)在氣動(dòng)技9]創(chuàng )米科技公司.安裝后的無(wú)線(xiàn)氣動(dòng)溫控器開(kāi)始與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信[Z] . 2013. 8. htp:/www. hzchuangmi.術(shù)中的進(jìn)- -步應用提供參考。com/ anzhuanghou-wuxian-tongxin. html.目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)在人們生活中的應用越來(lái)越廣泛,[10]付嬈,劉湘如 ,周哲,等.基于無(wú)線(xiàn)遙控的重型卡車(chē)氣動(dòng)人們也越來(lái)越認同和享受無(wú)線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)越性。隨著(zhù)無(wú)剎車(chē)裝置:中國,CN201310311396.7[P].2013 -12 -11.線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的迅速發(fā)展,無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的小型化,以及[11] 毛芹,郝鵬飛,何楓,等射流微振蕩器的設計與實(shí)驗研無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的多樣化,將為無(wú)線(xiàn)技術(shù)在流動(dòng)監測與究[J].實(shí)驗流體力學(xué), 2013, 27(1): 1-5.控制中的應用提供技術(shù)基礎。在不遠的將來(lái),無(wú)線(xiàn)技[12] 毛芹,王濤,郝鵬飛,等.基于PVDF壓電片發(fā)電的特性術(shù)將以越來(lái)越多、越來(lái)越成熟可靠的無(wú)線(xiàn)傳感器和控研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2012 ,32(11);1140 - 144.廣告刊戶(hù)索引北京華德液壓工業(yè)集團有限責任公司....封面徐州車(chē)氏密封有限公司.... 廣9九江七所精密機電科技有限公司封二中山茂凱工業(yè)有限公司廣10寧波星箭航天機械有限公司廣1德州市天元液壓機具有限公司廣11新鄉市平菲液壓有限公司廣2蕪湖市銀鴻液壓件有限公司........廣12南京訊聯(lián)液壓件有限公司阿托斯液壓產(chǎn)品(.上海)有限公司...黎明液壓有限公司...廣4國家液壓元件質(zhì)量監督檢驗中心廣14黎明液壓有限公司.廣5《液壓與氣動(dòng)》編輯部............ 廣15頗爾過(guò)濾器(北京)有限公司.廣6 深圳市特力得流體系統有限公司..... 廣16寧波索諾工業(yè)自控設備有限公司廣7北京四達合道液壓姑術(shù)有限公封三上海敏泰液壓股份有限公司廣8北京機械工業(yè)中國煤化工封底YH| CNMHG