基于無(wú)線傳輸技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究
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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(jìn)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(shè)備不適合人靠近,而工業(yè)生產(chǎn)需要實(shí)時(shí)掌控各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化,以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施,為了安全的觀測(cè)這些大型設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),本系統(tǒng)通過(guò)虛擬儀器這個(gè)平臺(tái)來(lái)遠(yuǎn)程觀測(cè)它們的運(yùn)行情況。通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控,技術(shù)人員無(wú)須親臨現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各種參數(shù),使受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的人員“虛擬”地出現(xiàn)在許多監(jiān)控地點(diǎn),方便地利用本地豐富的軟硬件資源對(duì)遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)行高級(jí)過(guò)程控制,以維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)營(yíng),從而減少值守工作人員,最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端的無(wú)人或少人值守,達(dá)到減員增效的目的。在我國(guó),大部分工業(yè)生產(chǎn)單位對(duì)設(shè)備運(yùn)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(hù),而且數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的干擾大。本系統(tǒng)用PTR2000無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的方式對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)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)目煽啃浴6以谲浖喜捎肔ab-Windows/CVI強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能,不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集來(lái)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收,實(shí)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(yīng)用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域。
1 系統(tǒng)組成
對(duì)于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)的組成,主要包括兩個(gè)方面:1)下位機(jī)(即數(shù)據(jù)采集端),以單片機(jī)為控制核心,包括傳感器,信號(hào)調(diào)理電路,數(shù)據(jù)發(fā)射模塊;2)上位機(jī)(即數(shù)據(jù)處理端),以工控機(jī)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。
首先,由傳感變送器將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要檢測(cè)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息轉(zhuǎn)化為電量,傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)理輸入單片機(jī),由單片機(jī)的轉(zhuǎn)換功能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)PTR2000無(wú)線傳輸給上位機(jī)部分的PTR2000,而后經(jīng)過(guò)MAX232把TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平,再把RS-232電平送人工控機(jī),最后由工控機(jī)作數(shù)據(jù)的處理。
1.1 大型輸煤進(jìn)口減速器
本系統(tǒng)應(yīng)用于??薃-Plus系列平行軸齒輪減速器,它的傳動(dòng)比是1.8:1至437:1,扭矩范圍是2937Nm至621448Nm。額定功率達(dá)14168kW。它堅(jiān)固,耐用,體積小,效率高,具有極其廣泛的工業(yè)用途,其特點(diǎn)包括:齒輪經(jīng)過(guò)滲碳和磨齒修形,傳動(dòng)采用高強(qiáng)度的斜齒齒輪,因而抗沖擊能力強(qiáng)。減速器箱體由鋼板焊接而成,軸承壽命長(zhǎng),可靠的潤(rùn)滑方法,以及Magnum無(wú)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(yīng)靈敏等特點(diǎn),適用于對(duì)機(jī)器設(shè)備及其他工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)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(jìn),性能穩(wěn)定,采用鍵盤數(shù)字設(shè)定方式進(jìn)行功能設(shè)定,主要包括多路報(bào)警器和報(bào)警的設(shè)置以及密碼設(shè)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(hào),同時(shí)還能在溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)發(fā)出開關(guān)量的報(bào)警信息。
在設(shè)備的振動(dòng)檢測(cè)上選用palacetekVS101電子振動(dòng)變送器,該振動(dòng)變送器監(jiān)測(cè)機(jī)器的異常振動(dòng)預(yù)測(cè)機(jī)器的損壞。VS101主要監(jiān)測(cè)以下主要的機(jī)器故障種類:轉(zhuǎn)子不平衡(約40%),不對(duì)中(約15%),轉(zhuǎn)承損壞(約15%),皮帶損壞(約15%),VS101將提供報(bào)警或關(guān)閉機(jī)器電源,保護(hù)機(jī)器不受損傷,在大多數(shù)情況下,振動(dòng)可以在機(jī)器損壞前的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)體現(xiàn)機(jī)器的問(wèn)題。它技術(shù)先進(jìn),采用先進(jìn)的高級(jí)集成的專業(yè)電子電路,整個(gè)系統(tǒng)無(wú)機(jī)械部件。而且安裝簡(jiǎn)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(dá)到防塵防水標(biāo)準(zhǔn)。
1.3 無(wú)線傳輸模塊PTR2000
PTR2000是接收發(fā)射合一的無(wú)線傳輸模塊;它的工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433 MHz;而且抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制場(chǎng)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(dá)到105dBm;低工作電壓(2.7 V),功耗小。它具有2個(gè)頻道,特別滿足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合,工作速率最高可達(dá)20kb/s(也可在較低速率下工作如9 600 b/s)??芍苯咏覥PU串口使用如8031,也可以計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)。使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證。
1.4 單片機(jī)
本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的16。Atmega16具有A/D轉(zhuǎn)換功能和1MIPS/MHz(百萬(wàn)條指令每秒/兆赫茲)的高速處理能力。ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近模型/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接,能對(duì)來(lái)自ATmega16端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準(zhǔn)。ADC包括一個(gè)采樣保持電路,以確保在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC由ATmega16的AVCC引腳單獨(dú)提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過(guò)±0.3V。ATmega16內(nèi)部提供標(biāo)稱值為2.56V的基準(zhǔn)電壓,以及AVCC,基準(zhǔn)電壓可以通過(guò)在AREF引腳上加一個(gè)電容進(jìn)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(jī)供電采用的是外部+5V電源供電方式。
2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)(Atmega16)與PTR2000的接口電路
如圖2由傳感變送器將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息轉(zhuǎn)化為電量,傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)理分別輸入單片機(jī)的八個(gè)模擬信號(hào)輸入端ADC0~ADC7,由單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換功能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)PD4接PTR2000的CS(頻道選擇端,CS=1時(shí),PTR2000的工作頻率為433.92MHZ,CS=0時(shí),PTR2000的工作頻率為434.33MHZ),PD5接PTR2000的PWR(節(jié)能控制端,PWR=1時(shí),PTR2000為正常工作狀態(tài),PWR=0時(shí),PTR2000為待機(jī)微功耗狀態(tài)),PD6接PTR2000的TXEN(發(fā)送接收控制端,TXEN=1時(shí)PTR2000工作于發(fā)送方式,TXEN=0時(shí),PTR2000工作于接收方式)來(lái)控制與PTR2000的DO、DI相連的RXD、TXD實(shí)現(xiàn)串口無(wú)線收發(fā)傳輸數(shù)據(jù)。
2.2 工控機(jī)(PC)與PTR2000的接口電路
工控機(jī)通過(guò)串口與PTR2000相連,以無(wú)線方式采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù),并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。工控機(jī)與PTR2000接口電路如圖3所示。因?yàn)镻TR2000是TTL電平,所以與工控機(jī)的串口相連接時(shí),需要用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。F1為9針標(biāo)準(zhǔn)串口接插件,它與工控機(jī)串口相連。RTS為串口請(qǐng)求發(fā)送信號(hào),它可以控制PTR2000的收發(fā)狀態(tài)。RTS經(jīng)電平轉(zhuǎn)換與PTR2000無(wú)線MODEM的TXEN相連。計(jì)算機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),RTS變?yōu)檫壿?有效,亦即PTR2000的TXEN被置為1,此時(shí)可發(fā)送數(shù)據(jù);計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí),RTS變?yōu)檫壿?有效,亦即PTR2000的TXEN被置為0,此時(shí)可接收數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件部分的編程主要分兩方面,1)下位機(jī)(即數(shù)據(jù)采集端),主要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程;2)上位機(jī)(即數(shù)據(jù)處理端),主要對(duì)工控機(jī)進(jìn)行編程。
下位機(jī)的軟件開發(fā)平臺(tái)選用的是AVR單片機(jī)專用開發(fā)平臺(tái)ICC AVR。下位機(jī)的程序首先要對(duì)單片機(jī)和PTR2000進(jìn)行初始化,然后進(jìn)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換的,像溫度,振動(dòng)頻率等的數(shù)據(jù)加上包頭,包尾。而且發(fā)送時(shí)可直接調(diào)用這個(gè)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(dòng)頻率數(shù)據(jù)
USART_Transmit(0xFF);//發(fā)送包尾
}
上位機(jī)我們用LabWindows/CVI進(jìn)行編程。本系統(tǒng)的主要功能是完成各個(gè)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(shè)計(jì)思想,將功能劃分為相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行管理和維護(hù),以增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性和可移植性。本系統(tǒng)上位機(jī)軟件歸結(jié)起來(lái)包含兩大模塊:一是系統(tǒng)設(shè)置模塊,起到和下位機(jī)進(jìn)行通信的作用,以及對(duì)已經(jīng)接收到的參數(shù)設(shè)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(jī)上所運(yùn)行的系統(tǒng)軟件示意圖。
首先打開串口,并對(duì)它進(jìn)行初始化設(shè)置,再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)置為0,開始接收。
GetCtrlVal(panelHandle,PANEL_STRING,i);//獲取采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)串。
4 結(jié)束語(yǔ)
在我國(guó),大部分工業(yè)生產(chǎn)單位對(duì)設(shè)備運(yùn)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(hù)。本文主要介紹了一種適合我國(guó)國(guó)情的,適用于工業(yè)測(cè)控場(chǎng)合的無(wú)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它抗干擾能力強(qiáng),成本相對(duì)低,而且使用方便、靈活、可維護(hù)性強(qiáng)。在工業(yè)控制領(lǐng)域有廣闊的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。適當(dāng)改變硬件或軟件編程,可應(yīng)用于無(wú)線車載系統(tǒng),遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域。