无线分布式集成监测网络系统及应用

摘 要：文中给出一种基于多跳扩频和时分复用技术的无线分布式集成网络平台，可以实现设备状态监测节点内传感器信号采集、调理、数据分析处理和短程无线数据传输集成。在此设备状态监测无线网络平台及软件系统支持下可以进行设备的智能维护。关键词：智能维护系统，预诊断，积极维护，无线全分布式网络1 引言　　目前，许多制造业企业仍然在推行基于故障反应方式的服务和维护活动，许多商用维护管理软件工具缺乏与生产控制系统的集成性。改变这种情况的困难在于我们缺少有效的、预言性的诊断模式与工具，以理解生产线和设备每天的动作。由于缺乏设备健康状态量化指标和故障判断依据，要定期进行大检大修，停机时间长，经济损失大，特别是故障停机，其损失无可估量。这就要求研究涉及生产和设备故障原因，开发智能化的监视工具和软件，提供前瞻性的维护能力，诸如性能退化测量、故障恢复、自维护以及远程诊断。　　发达国家提出21世纪的设备维护应能是在整个产品生命周期中进行健康状态跟踪监测、评估、性能退化测量，进行早期故障状态预诊断，以减少甚至消除生产线的停机时间;同时能够分析故障原因，消除不当因素，从源头上克服故障的发生;能够进行自维护及故障恢复;能够进行远程诊断，以主动的预诊断取代对故障的被动响应。　　21世纪，又是互联网时代，设备维护将是基于开放式的互联网技术的智能电子维护，这是使制造业生产力和产品售后服务达到全球领先水平的关键。基于有线集中监测模式的传感器/变送器监测系统已出现多年，但有线模式有其局限性，也谈不上智能电子维护，因为没有进行早期健康状态评估和早期故障预诊断。　　本文给出了一种基于无线分布式的集成监测网络，它是设备状态监测无线集成网络研究及工业应用开发要解决的两个核心技术之一，它克服了有线集中监测模式的局限性，使不适于安装有线网络的地方通过一种特殊的无线网络实现远程监测、评估，使设备运行和维护智能化，实现制造业的智能电子维护互联网服务。而且这种无线网络又是分布式的，即每个节点均具有数据处理的能力，仅将少量的分析结果发送到远程主节点，有利于制造业制造系统的创新和经济效益的提高，可广泛应用于船舶、机车、车辆、海上石油平台、桥梁隧道和环境保护等方面的分布式远程监测、诊断、调度和预警网络。2 无线分布式网络硬件系统　　网络硬件结构如图1所示。[align=center]图1 网络结构图[/align]　　2.1 从节点硬件系统　　从节点硬件系统由嵌入式系统、信号采集和调理部分及无线通信部分组成。　　嵌入式系统由CPU模板和A/D数据采集卡构成。　　低功耗的嵌入式处理器PC/104 CPU板型号为SED-586SV，133MHz-16MB内存，内置浮点运算协处理器，在板支持只读固态盘（64K～1M）或可读写大容量电子盘（8～288M）, 2K位EEPROM，512 位OEM 可 用，保存除时间和日期之外的全部设置，在板包含DMA控制器、中断控制器及定时器，实时时钟（板上自带或外接后备电池3.0V-3.6V），16～32M 字节DRAM;在板的外部接口有双向并行口、两个16550 兼容的RS232 串行口（COM2 可选RS485 接口标准）、固态盘存贮芯片插座、软盘驱动器接口、IDE 硬盘驱动器及键盘、喇叭接口。增加了许多扩展功能的工业ROM-BIOS， 这些功能包括固态盘扩展（支持EPROM，DiskOnChip）、串行控制台支持、看门狗定时器功能（BIOS 支持）。A/D采集卡采用PM-510 PC/104 100KHz，12bit，16单/8双，0～5V输入 。　　信号采集与调理部分由一个或多个传感器加信号调理部分构成，使采集到的设备状态信息转为A/D板可接收的信号（0～5V），系统中采用压电式加速度传感器和电荷放大器。加速度传感器技术参数为灵敏度约2pC/ms-2、频率范围为1Hz～10KHz、极限量程1x104ms-2、横向灵敏度<%5、重量14克、工作温度-40～1200C。电荷放大器技术参数为增益：1/3/10/30/100/300/1000mv/unit、频率范围为0.3Hz～100KHz、归一化调节采用3位拨盘、噪声<5mV、精度误差<1%、输出±10V/10mA。　　无线通讯部分采用RF418无线收发装置，通过RS-232接口与PC/104 CPU的RS-232相连，与传统的无线数据网络不同的是能耗特低，采用特殊的路由优化算法和TDMA时间域多路存取算法使没有分配时间片的节点进入低功耗或睡眠状态以降低功耗，发送和接收功耗不同，利用小范围多跳（multihop）数据传输技术使得节点与基站的距离可加大但功率不增，因为其功率只有满足与相邻节点通讯便可，实现节能。同时，这个特性使用户在任何需要的地点安装传感器而不受中心数据采集与网关位置的视线通讯的限制。我们采用的RF418无线收发模块采用蓝牙技术，工作频段为433～434MHz，空中传送数据速率小于100Kbps，可每分钟调频5次及跳跃4个工作信道，集打包、纠错、检错等功能于一身，由关机到开机再到发送数据的切换时间仅为0.2ms，因而可以在无收发需求时处于睡眠状态，有需求时快速切换到工作状态。　　2.2、基站硬件系统　　主机为高档PC机;无线通信模块也是采用RF418无线收发器;有线网络接口部分为以太网卡和/或ControlNet/DeviceNet网关模块，这样系统可连接到现场总线网络或以太网互连集成，形成基于开放式网络的平台。　　2.3、嵌入式PC/104总线工控机特点　　体积小，PC/104的尺寸为96mmx96mmx15mm，采用高集成度增强型嵌入式专用处理器;重量轻，平均每个模板小于0.15Kg;低功耗（采用CMOS工艺）,典型值3.5W;所有的板卡设计为工业级，在恶劣环境下能稳定工作, -25～75C（扩展温度-40～85C）, 5～95%相对湿度, 贮存温度-55～ +85C;特殊的堆栈式结构且不需机架，可以嵌入到被监控的设备中;具有与低功耗快速高可靠性的无线通信设备的接口;在系统调试期间提供与键盘、鼠标、显示器、网络、硬盘、软驱的接口，方便调试;与IBM-PC/AT 标准完全兼容，在PC机下的工具软件及开发的应用软件可直接运行于其上，提供高级语言编程环境;低成本等优点。3 进行智能维护的机械传动系统　　将设备智能维护具体化为对轴承进行早期故障诊断，其机械传动系统结构示意图如图2所示。[align=center]图2 轴承机械传动系统结构示意图[/align]　　在无线集成网络平台系统中的传感器信号来自于此处的加速度传感器，通过监测正常轴承数据建立智能维护的基准数据库，而通过测定不同健康状况（如点蚀、裂纹、缺滚珠）的轴承的加速度数据来建立轴承使用中整个生命周期内的数据库;二者进行对比，分析处理。4 软件系统　　4.1 操作系统和系统软件　　从节点PC/104嵌入式系统，采用DOS6.2R或WINDOWS CE实时操作系统，可实现系统紧凑性和响应的实时性。由于无可视化及与用户交互的需求，仅需对底层设备信息进行快速加工，处理，采用面向对象的C++语言。基站可采用WINDOWS 2000操作系统，便于图形化的人机交互，编程语言采用VC++语言。　　4.2 应用软件　　这是设备状态监测无线集成网络研究及工业应用开发要解决的另一个核心技术，分为两个大的层次：从节点内的软件系统，数据处理加通信部分，主要完成前端大量采集信号过滤、降噪与频谱分析，利用大量的设备状态进行基于行为的计算取代过去基于模型的计算处理，据此进行早期诊断、预维护和故障修复，并将少量分析结果以无线的方式发给基站;基站内的软件系统，将各个从节点发过来的数据建立历史数据库，基于行为的和基于模型的分析、诊断、处理，详细内容参见本项目的另外文章。5 展望　　传感器将来可采用多种信号混用的集成式传感器，也可两种类型均采用;将轴承健康状态的诊断智能维护推广到其他设备上，如地铁建设中使用的大型盾构机、火车底盘轴承等;将可视化技术CMOS与无冷却的红外线成像技术应用到设备的智能维护中;如能采用DSP技术自行设计CPU模块，不仅可实现现行的无线通讯模块的电源管理，还可实现CPU模块的电源管理，使CPU模块也可运行于低功耗和睡眠模式。参考文献：　　1. Lee J. “Machine Performance Assessment Methodology and Advanced Service Technologies”, National Academic Press, P75～83,Washington, DC, 1999.　　2. Goto,K. Etal, “Failure diagnosis of rotating machine by frequency modulation ”, Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Technology 2000. 2000,2:376-381　　3. Toyota. Etal, “ Condition monitoring and diagnosis of rotating machinery by Gram-charliar expansion of vibration signal”, Fourth International Conference on Knowledge-based Intelligent Engineering System and Allied Technologies/Proceedings, Kes’2000. 2000,2: 541-544　　4. Allen Twarowski,” WINS wireless integrated network system”, WINS publications , www.rsc.rockwell.com, 1997-1999.　　5. 李三平等，“铁路货车轴承故障诊断方法”。轴承。2000，（9）：29-31