工業(yè)無(wú)線(xiàn)的單晶硅壓力變送器

摘要:在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化現場(chǎng)往往存在布線(xiàn)困難,人員無(wú)法到達,電磁干擾強,空間復雜等特點(diǎn),尤其是油氣化工行業(yè)，需要一款滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)使用的無(wú)線(xiàn)精度高壓力變送器對壓力、液位的測量與監測,將工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與精度高單晶硅壓力測量技術(shù)相結合,通過(guò)24位高精度A/D采樣、線(xiàn)性擬合、溫度補償、濾波算法等流程實(shí)現平滑的高精度壓力測量,采用電池供電并考慮工業(yè)現場(chǎng)防爆要求,在滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)對低速率、成本敏感、局域覆蓋、數據量小、長(cháng)電池壽命的工業(yè)現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )監控需求的基礎上,開(kāi)發(fā)一種滿(mǎn)足工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信標準的精度高壓力變送器?？梢蕴岣吖I(yè)現場(chǎng)壓力測量的信息化、數字化管理水平,大幅降低運維成本,工業(yè)無(wú)線(xiàn)壓力變送器有廣闊的應用前景。
0引言
　　現代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應用加速向信息化、數字化、高實(shí)時(shí)性、大數據的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方向快速發(fā)展,工業(yè)領(lǐng)域內各行業(yè)對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設備的應用需求將會(huì )越來(lái)越普及。工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)有著(zhù)低成本、效率高、可靠性高、鋪設便捷等巨大的優(yōu)勢,在工業(yè)現場(chǎng)監測領(lǐng)域得到了廣泛應用。相對傳統的兩線(xiàn)制、四線(xiàn)制工業(yè)總線(xiàn)傳輸的壓力變送器而言，壓力變送器是以無(wú)線(xiàn)通信方式接入可控的局域網(wǎng)絡(luò ),結合PC運行的強大的DCS服務(wù)端數據分析和管理軟件,對無(wú)線(xiàn)壓力變送器實(shí)施無(wú)人遠程實(shí)時(shí)監控,工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)選擇具有我國自主知識產(chǎn)權、滿(mǎn)足離散工業(yè)現場(chǎng)需求的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。通信技術(shù)具有高可靠性，高抗干擾能力、較低成本，超低功耗的無(wú)線(xiàn)Mesh局域網(wǎng)絡(luò ),非常適合離散工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化及工廠(chǎng)信息化領(lǐng)域的應用現場(chǎng)[4)，尤其是油氣、化工和罐區等應用場(chǎng)景。
1工業(yè)無(wú)線(xiàn)變送器特征
　　離散工業(yè)現場(chǎng)應用要求工業(yè)無(wú)線(xiàn)變送器采用符合防爆國家標準(GB3836)允許的鋰亞硫酰氯電池供電，測量精度高達滿(mǎn)量程的0.05%/FS,支持通過(guò)磁隔離按鍵和通信方式對無(wú)線(xiàn)變送器參數進(jìn)行設置,防護等級達到IP67,滿(mǎn)足國家防爆性能,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )遵循無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議標準。一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和多個(gè)無(wú)線(xiàn)設備組成,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)支持100個(gè)設備接入網(wǎng)絡(luò )的能力,實(shí)際應用中為了有更好的實(shí)時(shí)性推薦一個(gè)網(wǎng)絡(luò )不超50個(gè)設備,數個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )可通過(guò)以太網(wǎng)、工業(yè)總線(xiàn)、4G/5G通信擴展形成大規模數字化網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )屬于Mesh網(wǎng)絡(luò ),無(wú)線(xiàn)設備同時(shí)具有路由跳轉功能,通用物理層射頻芯片可以有效控制成本和物料采購,整個(gè)網(wǎng)絡(luò )采用統--的時(shí)間片同步管理,最大化的平衡了休眠和運行占空比，符合電池供電方式的低能耗特點(diǎn),滿(mǎn)足油氣化工行業(yè)的離散工業(yè)監測、工廠(chǎng)數字化場(chǎng)景應用要求的低速率、低成本、局域覆蓋、小數據量的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。
　　無(wú)線(xiàn)壓力變送器將采樣的單晶硅壓力傳感器數據經(jīng)過(guò)模數轉換、線(xiàn)性處理及補償轉換為2.4GHz無(wú)線(xiàn)信號接人支持標準協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)中,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)負責整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)設備管理和網(wǎng)絡(luò )維護,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)或RS485接口遵循modbus或OPC等工業(yè)應用層通信協(xié)議接入當地DCS系統。
一個(gè)工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要由以下部分組成:
·無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)設備:工業(yè)無(wú)線(xiàn)壓力變送器，安裝在離散工業(yè)現場(chǎng)。
·無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān):負責無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的設備管理和響應DCS系統或上位機數據讀寫(xiě)請求。
·DCS系統或上位機:上位機是用戶(hù)、網(wǎng)絡(luò )管理及維護人員與通信網(wǎng)絡(luò )交互的平臺,用戶(hù)可以通過(guò)上位機網(wǎng)絡(luò )管理軟件對通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置及與終端設備進(jìn)行數據信息交互,工業(yè)現場(chǎng)--般是DCS系統。
2變送器硬件設計
　　工業(yè)無(wú)線(xiàn)變送器硬件設計要滿(mǎn)足低功耗運行、精度高測量、無(wú)線(xiàn)通信和防爆要求。硬件框圖如下。
 
2.1供電電路設計
　　無(wú)線(xiàn)變送器采用電池供電,為了滿(mǎn)足防爆和無(wú)線(xiàn)射頻發(fā)射的要求,需要對供電電路采用過(guò)流、過(guò)壓、功率限制等保護，同時(shí)也要滿(mǎn)足射頻信號發(fā)送的最大功率要求[8]。電池采用鋰亞硫酰氯材質(zhì)，標稱(chēng)3.6V.dc,容量19Ah鋰亞硫酰氯電池,最大開(kāi)路電壓是3.76V,短路電流是1.86A,內阻是2.31Ω,最大峰值電流400mA,可持續最大輸出230mA電流;無(wú)線(xiàn)壓力變送器整機最大電流經(jīng)計算約168mA,電池滿(mǎn)足變送器的供電能力,在電池輸出端并聯(lián)兩個(gè)齊納二極管做限壓保護,考慮到保險絲熔斷過(guò)程與無(wú)線(xiàn)變送器最大發(fā)射電流持續時(shí)間的時(shí)間差,串聯(lián)150mA熔斷式保險絲做功率限制,再串聯(lián)5.1Ω/10W的功率電阻做限流保護，可以滿(mǎn)足本設計的防爆應用需求。電源分兩部分分別為儀表主電路和模塊供電,一路由模擬器件搭建恒壓源給變送器主電路供電,保證主板穩定運行和傳感器高精度采樣。另一路經(jīng)過(guò)MCU控制的PMOS管開(kāi)關(guān)電路為模塊供電，這樣可以保證電源的低功耗和高效率。
2.2采樣主板電路設計
　　無(wú)線(xiàn)壓力變送器主板電路包括單晶硅壓阻式傳感器、24位高速高精度A/D采集電路、溫度在線(xiàn)補償電路、人機輸人及數顯電路、EEPROM存儲電路及外部時(shí)序監控電路。采用激光焊技術(shù)將單晶硅SENSOR晶圓封裝于充滿(mǎn)硅油的金屬膜片中組成了壓力傳感器,施加恒流電流的壓力傳感器橋電路受物理擠壓會(huì )產(chǎn)生微弱毫伏電壓變化信號,經(jīng)精度高、低溫漂的放大電路整形、跟隨、放大、濾波、溫度補償、A/D轉換成數字信號,將數字信號通過(guò)最小二乘法五階線(xiàn)性擬合和溫度補償計算得到準確的壓力數據";人機輸人及數顯電路提供3個(gè)磁隔離按鍵和一個(gè)低功耗LCD,通過(guò)磁按鍵可進(jìn)行無(wú)線(xiàn)壓力變送器的參數設定和工作方式切換,LCD用于顯示被測數據、故障信息和工作方式，磁按鍵的功能也可通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式進(jìn)行設置。所有器件的選型要兼顧低功耗、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn),符合批量生產(chǎn)的要求。
2.3通信模塊通信接口
　　無(wú)線(xiàn)通信模塊選用ZANW900，它由符合IEEE802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)射頻芯片CC2520和超低功耗單片機組成,射頻前端包含了功率放大器PA和低噪聲放大器LNA,發(fā)射功率最大20dbm,接收靈敏度可達一102dbm,在空曠無(wú)遮擋的情況下通信距離室外能達到1000米,室內可達300米，模塊采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間片管理和低能耗管理技術(shù),休眠最小電流約為1μA。無(wú)線(xiàn)模塊通過(guò)TTL電平的異步串行接口UART與變送器的MCU進(jìn)行數據交互。
3變送器軟件設計
　　無(wú)線(xiàn)壓力變送器軟件運行流程包括采樣與控制(采樣、控制、智能化數顯按鍵等)、低功耗調度、通信三大任務(wù)。
 
3.1采樣與控制任務(wù)
　　采樣任務(wù)主要實(shí)現對傳感器模擬信號的采集、濾波、處理、算法分析，通過(guò)相關(guān)算法實(shí)現采集信號的穩定準確計算。輸出當前壓力值給控制任務(wù)模塊和LCD數顯模塊;控制任務(wù)模塊響應來(lái)自按鍵、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、標定上位機的相關(guān)數據交換、參數傳遞,實(shí)現對儀表的量程上下限、阻尼濾波，壓力最小測量范圍、零點(diǎn)偏移量及傳.感器上下限的標定和對比;以及網(wǎng)絡(luò )PANID設、信道、組號表號、數據更新率的設置。
控制任務(wù)主要實(shí)現子任務(wù)單元塊的合理分配資源與時(shí)間以兼顧高效運行和低能耗特點(diǎn),同時(shí)監視整機運行的智能化診斷功能;智能化診斷功能實(shí)現壓力、溫度多變量監測與補償、過(guò)程狀態(tài)監測與診斷。軟件內存設置有狀態(tài)判斷數據表和報警信息表,對軟件各單元模塊周期性的巡檢關(guān)鍵測量信號,并與內存設置的狀態(tài)數據表相比較,判斷儀器的工作狀態(tài)是否超出邊際，當有異.常狀態(tài)發(fā)生或預判到可能導致異常發(fā)送時(shí),置位對應的報警信息,通過(guò)LCD、無(wú)線(xiàn)通信的方式發(fā)出診斷異常預警信息，實(shí)時(shí)采樣被測壓力變化、傳感器溫度和電路主板溫度,利用最小二乘回歸算法計算出壓力傳感器的五階溫度補償系數,實(shí)時(shí)連續的采樣數據匯集到一個(gè)數據緩沖池中,通過(guò)中值濾波和卡爾曼濾波算法確保測量值的正確性和平滑性。
3.2低功耗調度任務(wù)
　　對于電池供電設備來(lái)說(shuō),節能長(cháng)壽命是非常重要的指標，所以低功耗調度任務(wù)需要做到微安級別的功耗控制，平衡工作與休眠模式的高效切換,有效調配各個(gè)電路單元、MCU各外設資源、軟件子任務(wù)塊時(shí)序等在有效的時(shí)間內完成各自任務(wù)后就進(jìn)人休眠模式。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是采用時(shí)間片同步的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),無(wú)線(xiàn)壓力變送器人網(wǎng)后在其固定的時(shí)隙工作,在無(wú)任務(wù)的時(shí)隙中進(jìn)人休眠模式,休眠時(shí)在固定的時(shí)間片進(jìn)行快速網(wǎng)絡(luò )同步,所以在休眠模式下也不會(huì )掉線(xiàn);當無(wú)線(xiàn)壓力變送器通信間隔大于10min/次時(shí)，可以關(guān)掉通信模塊電源起到最大化降低功耗作用;當要求通信頻率較高時(shí)，模塊待機模式喚醒更快且不掉線(xiàn),因為重新啟動(dòng)射頻時(shí)功放全開(kāi)搜網(wǎng),人網(wǎng)等待時(shí)間受網(wǎng)絡(luò )規模和信號強度影響電量消耗較大，所以要根據現場(chǎng)應用需求做合理的網(wǎng)絡(luò )調度機制。
3.3無(wú)線(xiàn)通信任務(wù)
　　變送器上電后MCU對通信模塊進(jìn)行初始化配置，偵聽(tīng)相同網(wǎng)絡(luò )號、信道的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)廣播幀并申請加人網(wǎng)絡(luò ),如加人不成功則休眠30分鐘后再次偵聽(tīng),加入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )成功后,變送器就處于網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘同步的時(shí)隙工作周期中,這個(gè)時(shí)隙周期被分成150個(gè)時(shí)間片,每個(gè)時(shí)間片被分派給一個(gè)無(wú)線(xiàn)變送器的通信時(shí)隙,無(wú)線(xiàn)數據發(fā)送間隔是由用戶(hù)通過(guò)按鍵或通信方式自定義設置的傳輸間隔決定的，通過(guò)低功耗定時(shí)器喚醒變送器執行采用和無(wú)線(xiàn)通信任務(wù),無(wú)線(xiàn)通信任務(wù)主要包含兩部分,即用戶(hù)數據傳輸和用戶(hù)數據接收,用戶(hù)數據傳輸是將用戶(hù)采集的數據打包成通信模塊可識別的HDLC幀格式的數組,通過(guò)串行通信接口傳輸到通信模塊,數據先加人通信模塊緩沖中，等待通信的時(shí)間片到達后以無(wú)線(xiàn)電磁波的方式發(fā)送出去,同樣當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)要向通信模塊發(fā)送數據或命令時(shí)，也是輪到此變送器的時(shí)間片到達后再發(fā)送,變送器MCU接收到通信模塊的串行HDLC格式數據后,對HDLC幀格式的數組進(jìn)行拆包并奇偶校驗,提取出用戶(hù)數據,這就是用戶(hù)數據接收過(guò)程。變送器的工作時(shí)間片過(guò)后就進(jìn)人短暫休眠狀態(tài)直到下一個(gè)時(shí)隙周期到達后喚醒。
4測試驗證
　　工程樣機軟硬件設計完成后，按照如下測試方法進(jìn)行精度和網(wǎng)絡(luò )測試驗證。
 
　　待測無(wú)線(xiàn)變送器與壓力計和壓力發(fā)生器連接,由壓力計和壓力發(fā)生器提供高精度的壓力被測源,先進(jìn)行滿(mǎn)量程測量范圍內的壓力標定,標定后就可以進(jìn)行高精度的實(shí)際測量。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)上電并通過(guò)以太網(wǎng)連接電腦,WIA控制臺組圖軟件從無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)讀取到人網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)變送器數據如下圖4,無(wú)線(xiàn)變送器符合工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準協(xié)議。
 
　　經(jīng)過(guò)壓力計、無(wú)線(xiàn)變送器及WIA控制臺軟件的數據進(jìn)行標定并對比計算,在測試過(guò)程中壓力計加壓300kPa測量精度可以達到0.04%,高于0.05%的目標。本無(wú)線(xiàn)壓力變送器設計使用了先進(jìn)的單晶硅壓力傳感器、高可靠性的電子電路設計、精密的溫度補償和線(xiàn)性補償，有效保證了產(chǎn)品的精度高、穩定性好,可用于液體、氣體壓力和液位的測量。
5結束語(yǔ)
　　通過(guò)采用24位精度高A/D采樣、低溫漂設計方法結合二乘法五階線(xiàn)性擬合和濾波算法計算實(shí)現了壓力的高精度測量,集成了符合工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準協(xié)議的通信技術(shù)到壓力變送器;充分考慮了離散工業(yè)現場(chǎng)對低功耗、低速率、局域覆蓋、精度高測量、工業(yè)防潮防爆等要求,從硬件和軟件兩方面展開(kāi)了描述,該無(wú)線(xiàn)變送器設計可以滿(mǎn)足離散工業(yè)現場(chǎng)對過(guò)程壓力測量、液位測量的無(wú)線(xiàn)遠程監測。