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

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。