基于無線傳輸技術(shù)的設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究 - 全文

　　0 引 言

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，許多行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)都是在惡劣的環(huán)境中進行，像電力行業(yè)的發(fā)電廠、變電站，石油行業(yè)的油井油田、石油管道，還有煤炭行業(yè)等等。在這些惡劣環(huán)境中生產(chǎn)作業(yè)的大型設備不適合人靠近，而工業(yè)生產(chǎn)需要實時掌控各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設備運行狀態(tài)的變化，以便及時采取應對措施，為了安全的觀測這些大型設備的運行狀態(tài)，本系統(tǒng)通過虛擬儀器這個平臺來遠程觀測它們的運行情況。通過無線遠程監(jiān)控，技術(shù)人員無須親臨現(xiàn)場或惡劣的環(huán)境就可以監(jiān)視并控制生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)及各種參數(shù)，使受過專業(yè)訓練的人員“虛擬”地出現(xiàn)在許多監(jiān)控地點，方便地利用本地豐富的軟硬件資源對遠程對象進行高級過程控制，以維護設備的正常運營，從而減少值守工作人員，最終實現(xiàn)遠端的無人或少人值守，達到減員增效的目的。在我國，大部分工業(yè)生產(chǎn)單位對設備運行狀態(tài)的監(jiān)控都使用有線的方式傳送數(shù)據(jù)，這種方式不僅落后，成本高，不易維護，而且數(shù)據(jù)傳輸過程中的干擾大。本系統(tǒng)用PTR2000無線傳輸數(shù)據(jù)的方式對設備的狀態(tài)進行監(jiān)控，減少了數(shù)據(jù)傳輸中的干擾，從而提高了傳輸?shù)目煽啃?。而且在軟件上采用Lab-Windows／CVI強大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，不僅實現(xiàn)了對采集來的設備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)的實時接收，實現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)中特征值的快速處理。該系統(tǒng)使用靈活，成本也不高，可廣泛應用于工業(yè)測控領域。

　　1 系統(tǒng)組成

　　對于設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)的組成，主要包括兩個方面：1）下位機（即數(shù)據(jù)采集端），以單片機為控制核心，包括傳感器，信號調(diào)理電路，數(shù)據(jù)發(fā)射模塊；2）上位機（即數(shù)據(jù)處理端），以工控機為控制核心，包括數(shù)據(jù)接收模塊，電平轉(zhuǎn)化模塊。如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

　　首先，由傳感變送器將工業(yè)現(xiàn)場需要檢測的設備運行狀態(tài)的信息轉(zhuǎn)化為電量，傳感器輸出的電信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的調(diào)理輸入單片機，由單片機的轉(zhuǎn)換功能將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)字信號經(jīng)PTR2000無線傳輸給上位機部分的PTR2000，而后經(jīng)過MAX232把TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平，再把RS-232電平送人工控機，最后由工控機作數(shù)據(jù)的處理。

　　1．1 大型輸煤進口減速器

　　本系統(tǒng)應用于福克A-Plus系列平行軸齒輪減速器，它的傳動比是1．8：1至437：1，扭矩范圍是2937Nm至621448Nm。額定功率達14168kW。它堅固，耐用，體積小，效率高，具有極其廣泛的工業(yè)用途，其特點包括：齒輪經(jīng)過滲碳和磨齒修形，傳動采用高強度的斜齒齒輪，因而抗沖擊能力強。減速器箱體由鋼板焊接而成，軸承壽命長，可靠的潤滑方法，以及Magnum無漏防塵的密封方式。

　　1．2 傳感器

　　溫度傳感器采用高精度PT100鉑熱電阻，具有精度高反應靈敏等特點，適用于對機器設備及其他工業(yè)現(xiàn)場的測溫需要。溫度變送器選用XMTD-D81新型全智能化數(shù)字顯示調(diào)節(jié)儀，該儀表技術(shù)先進，性能穩(wěn)定，采用鍵盤數(shù)字設定方式進行功能設定，主要包括多路報警器和報警的設置以及密碼設置等操作。該儀表能夠?qū)T100采集的溫度信息轉(zhuǎn)換成0～20Ma模擬量信號，同時還能在溫度超過設定溫度時發(fā)出開關(guān)量的報警信息。

　　在設備的振動檢測上選用palacetekVS101電子振動變送器，該振動變送器監(jiān)測機器的異常振動預測機器的損壞。VS101主要監(jiān)測以下主要的機器故障種類：轉(zhuǎn)子不平衡（約40％），不對中（約15％），轉(zhuǎn)承損壞（約15％），皮帶損壞（約15％），VS101將提供報警或關(guān)閉機器電源，保護機器不受損傷，在大多數(shù)情況下，振動可以在機器損壞前的相當長時間內(nèi)體現(xiàn)機器的問題。它技術(shù)先進，采用先進的高級集成的專業(yè)電子電路，整個系統(tǒng)無機械部件。而且安裝簡便，僅需2只螺絲釘固定。它內(nèi)置探頭，并且有全封閉鋁外殼，達到防塵防水標準。

　　1．3 無線傳輸模塊PTR2000

　　PTR2000是接收發(fā)射合一的無線傳輸模塊；它的工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433 MHz；而且抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合；采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；它的靈敏度高，達到105dBm；低工作電壓（2．7 V），功耗小。它具有2個頻道，特別滿足需要多信道工作的特殊場合，工作速率最高可達20kb／s（也可在較低速率下工作如9 600 b／s）?？芍苯咏?a target="_blank">CPU串口使用如8031，也可以計算機RS232接口。軟件編程非常方便。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計。使用無需申請許可證。

　　1．4 單片機

　　本系統(tǒng)采用的單片機是Atmel公司生產(chǎn)的16。Atmega16具有A／D轉(zhuǎn)換功能和1MIPS／MHz（百萬條指令每秒／兆赫茲）的高速處理能力。ATmega16有一個10位的逐次逼近模型／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自ATmega16端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V（GND）為基準。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC由ATmega16的AVCC引腳單獨提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過±0．3V。ATmega16內(nèi)部提供標稱值為2．56V的基準電壓，以及AVCC，基準電壓可以通過在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分單片機供電采用的是外部+5V電源供電方式。

　　2 系統(tǒng)的設計

　　2．1 單片機（Atmega16）與PTR2000的接口電路

　　如圖2由傳感變送器將工業(yè)現(xiàn)場的設備運行狀態(tài)的信息轉(zhuǎn)化為電量，傳感器輸出的電信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的調(diào)理分別輸入單片機的八個模擬信號輸入端ADC0～ADC7，由單片機的A／D轉(zhuǎn)換功能將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。單片機通過PD4接PTR2000的CS（頻道選擇端，CS=1時，PTR2000的工作頻率為433．92MHZ，CS=0時，PTR2000的工作頻率為434．33MHZ），PD5接PTR2000的PWR（節(jié)能控制端，PWR=1時，PTR2000為正常工作狀態(tài)，PWR=0時，PTR2000為待機微功耗狀態(tài)），PD6接PTR2000的TXEN（發(fā)送接收控制端，TXEN=1時PTR2000工作于發(fā)送方式，TXEN=0時，PTR2000工作于接收方式）來控制與PTR2000的DO、DI相連的RXD、TXD實現(xiàn)串口無線收發(fā)傳輸數(shù)據(jù)。

圖2：單片機與PTR2000的接口電路

　　2．2 工控機（PC）與PTR2000的接口電路

　　工控機通過串口與PTR2000相連，以無線方式采集現(xiàn)場設備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理。工控機與PTR2000接口電路如圖3所示。因為PTR2000是TTL電平，所以與工控機的串口相連接時，需要用MAX232進行電平轉(zhuǎn)換。F1為9針標準串口接插件，它與工控機串口相連。RTS為串口請求發(fā)送信號，它可以控制PTR2000的收發(fā)狀態(tài)。RTS經(jīng)電平轉(zhuǎn)換與PTR2000無線MODEM的TXEN相連。計算機要發(fā)送數(shù)據(jù)時，RTS變?yōu)檫壿?有效，亦即PTR2000的TXEN被置為1，此時可發(fā)送數(shù)據(jù)；計算機接收數(shù)據(jù)時，RTS變?yōu)檫壿?有效，亦即PTR2000的TXEN被置為0，此時可接收數(shù)據(jù)。

圖3：工程機與PTR2000的接口電路

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　軟件部分的編程主要分兩方面，1）下位機（即數(shù)據(jù)采集端），主要對單片機進行編程；2）上位機（即數(shù)據(jù)處理端），主要對工控機進行編程。

　　下位機的軟件開發(fā)平臺選用的是AVR單片機專用開發(fā)平臺ICC AVR。下位機的程序首先要對單片機和PTR2000進行初始化，然后進行A／D轉(zhuǎn)換，再定義數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

　　#define uint unsigned int／／宏定義

　　void transmit（uint adl，uint adh）／／把所采集的，已經(jīng)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的，像溫度，振動頻率等的數(shù)據(jù)加上包頭，包尾。而且發(fā)送時可直接調(diào)用這個函數(shù)。

　　{

　　USART_Transmit（0xAA）；／／發(fā)送包頭

　　USART_Transmit（adl）；／／發(fā)送溫度數(shù)據(jù)

　　USART_Transmit（adh）；／／發(fā)送振動頻率數(shù)據(jù)

　　USART_Transmit（0xFF）；／／發(fā)送包尾

　　}

　　上位機我們用LabWindows／CVI進行編程。本系統(tǒng)的主要功能是完成各個參數(shù)數(shù)據(jù)的正確的采集、傳輸、接收，處理、顯示等功能。系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，將功能劃分為相應的功能模塊進行管理和維護，以增強系統(tǒng)的通用性和可移植性。本系統(tǒng)上位機軟件歸結(jié)起來包含兩大模塊：一是系統(tǒng)設置模塊，起到和下位機進行通信的作用，以及對已經(jīng)接收到的參數(shù)設置。二是數(shù)據(jù)管理模塊，包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)包的處理，數(shù)據(jù)分析等功能；圖4為工控機上所運行的系統(tǒng)軟件示意圖。

圖4：工控機上所運行的系統(tǒng)軟件示意圖

　　首先打開串口，并對它進行初始化設置，再對數(shù)據(jù)進行接收。下面是用LabWindows／CVI所編寫的接收程序。

　　MSCommLib_IMSCommSetRTSEnable （ob-iecthandle，NULL，VFALSE）；／／把RST設置為0，開始接收。

　　GetCtrlVal（panelHandle，PANEL_STRING，i）；／／獲取采集過來的數(shù)據(jù)串。

　　4 結(jié)束語

　　在我國，大部分工業(yè)生產(chǎn)單位對設備運行狀態(tài)的監(jiān)控都使用有線的方式傳送數(shù)據(jù)，這種方式不僅落后，而且成本高，不易維護。本文主要介紹了一種適合我國國情的，適用于工業(yè)測控場合的無線設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。它抗干擾能力強，成本相對低，而且使用方便、靈活、可維護性強。在工業(yè)控制領域有廣闊的實用價值和應用前景。適當改變硬件或軟件編程，可應用于無線車載系統(tǒng)，遠程監(jiān)控等領域。