基于无线传输技术的设备状态监测系统研究

时间：2009-12-04

　　0 引言

　　在现代工业生产中，许多行业的生产作业都是在恶劣的环境中进行，像电力行业的发电厂、变电站，石油行业的油井油田、石油管道，还有煤炭行业等等。在这些恶劣环境中生产作业的大型设备不适合人靠近，而工业生产需要实时掌控各生产环节设备运行状态的变化，以便及时采取应对措施，为了安全的观测这些大型设备的运行状态，本系统通过虚拟仪器这个平台来远程观测它们的运行情况。通过无线远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，使受过训练的人员“虚拟”地出现在许多监控地点，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行过程控制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工作人员，终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。在我国，大部分工业生产单位对设备运行状态的监控都使用有线的方式传送数据，这种方式不仅落后，成本高，不易维护，而且数据传输过程中的干扰大。本系统用PTR2000无线传输数据的方式对设备的状态进行监控，减少了数据传输中的干扰，从而提高了传输的可靠性。而且在软件上采用Lab-Windows／CVI强大的数据分析和处理功能，不仅实现了对采集来的设备运行状态的数据的实时接收，实现了各种数据中特征值的快速处理。该系统使用灵活，成本也不高，可广泛应用于工业测控领域。

　　1 系统组成

　　对于设备状态监测系统系统的组成，主要包括两个方面：1)下位机(即数据采集端)，以单片机为控制，包括传感器，信号调理电路，数据发射模块；2)上位机(即数据处理端)，以工控机为控制，包括数据接收模块，电平转化模块。如图1所示。

　　首先，由传感变送器将工业现场需要检测的设备运行状态的信息转化为电量，传感器输出的电信号经过信号调理电路的调理输入单片机，由单片机的转换功能将模拟信号转化为数字信号。数字信号经PTR2000无线传输给上位机部分的PTR2000，而后经过MAX232把TTL电平转化为RS-232电平，再把RS-232电平送人工控机，由工控机作数据的处理。

　　1．1 大型输煤进口减速器

　　本系统应用于福克A-Plus系列平行轴齿轮减速器，它的传动比是1．8：1至437：1，扭矩范围是2937Nm至621448Nm。额定功率达14168kW。它坚固，耐用，体积小，效率高，具有极其广泛的工业用途，其特点包括：齿轮经过渗碳和磨齿修形，传动采用高强度的斜齿齿轮，因而抗冲击能力强。减速器箱体由钢板焊接而成，轴承寿命长，可靠的润滑方法，以及Magnum无漏防尘的密封方式。

　　1．2 传感器

　　温度传感器采用高PT100铂热电阻，具有高反应灵敏等特点，适用于对机器设备及其他工业现场的测温需要。温度变送器选用XMTD-D81新型全智能化数字显示调节仪，该仪表技术先进，性能稳定，采用键盘数字设定方式进行功能设定，主要包括多路报警器和报警的设置以及密码设置等操作。该仪表能够将PT100采集的温度信息转换成0～20Ma模拟量信号，同时还能在温度超过设定温度时发出开关量的报警信息。

　　在设备的振动检测上选用palacetekVS101电子振动变送器，该振动变送器监测机器的异常振动预测机器的损坏。VS101主要监测以下主要的机器故障种类：转子不平衡(约40％)，不对中(约15％)，转承损坏(约15％)，皮带损坏(约15％)，VS101将提供报警或关闭机器电源，保护机器不受损伤，在大多数情况下，振动可以在机器损坏前的相当长时间内体现机器的问题。它技术先进，采用先进的集成的电子电路，整个系统无机械部件。而且安装简便，仅需2只螺丝钉固定。它内置探头，并且有全封闭铝外壳，达到防尘防水标准。

　　1．3 无线传输模块PTR2000

　　PTR2000是接收发射合一的无线传输模块；它的工作频率为国际通用的数传频段433 MHz；而且抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好；它的灵敏度高，达到105dBm；低工作电压(2．7 V)，功耗小。它具有2个频道，特别满足需要多信道工作的特殊场合，工作速率可达20kb／s(也可在较低速率下工作如9 600 b／s)。可直接接CPU串口使用如8031，也可以计算机RS232接口。软件编程非常方便。由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计。使用无需申请许可证。

　　1．4 单片机

　　本系统采用的单片机是Atmel公司生产的16。Atmega16具有A／D转换功能和1MIPS／MHz(百万条指令每秒／兆赫兹)的高速处理能力。ATmega16有一个10位的逐次逼近模型／数转换器ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自ATmega16端口A的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V(GND)为基准。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。ADC由ATmega16的AVCC引脚单独提供电源。AVCC与VCC之间的偏差不能超过±0．3V。ATmega16内部提供标称值为2．56V的基准电压，以及AVCC，基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。本系统数据采集部分单片机供电采用的是外部+5V电源供电方式。

　　2 系统的设计

　　2．1 单片机(Atmega16)与PTR2000的接口电路

　　如图2由传感变送器将工业现场的设备运行状态的信息转化为电量，传感器输出的电信号经过信号调理电路的调理分别输入单片机的八个模拟信号输入端ADC0～ADC7，由单片机的A／D转换功能将模拟信号转化为数字信号。单片机通过PD4接PTR2000的CS(频道选择端，CS=1时，PTR2000的工作频率为433．92MHZ，CS=0时，PTR2000的工作频率为434．33MHZ)，PD5接PTR2000的PWR(节能控制端，PWR=1时，PTR2000为正常工作状态，PWR=0时，PTR2000为待机微功耗状态)，PD6接PTR2000的TXEN(发送接收控制端，TXEN=1时PTR2000工作于发送方式，TXEN=0时，PTR2000工作于接收方式)来控制与PTR2000的DO、DI相连的RXD、TXD实现串口无线收发传输数据。

　　2．2 工控机(PC)与PTR2000的接口电路

　　工控机通过串口与PTR2000相连，以无线方式采集现场设备运行状态的数据，并对采集的数据进行处理。工控机与PTR2000接口电路如图3所示。因为PTR2000是TTL电平，所以与工控机的串口相连接时，需要用MAX232进行电平转换。F1为9针标准串口接插件，它与工控机串口相连。RTS为串口请求发送信号，它可以控制PTR2000的收发状态。RTS经电平转换与PTR2000无线MODEM的TXEN相连。计算机要发送数据时，RTS变为逻辑1有效，亦即PTR2000的TXEN被置为1，此时可发送数据；计算机接收数据时，RTS变为逻辑0有效，亦即PTR2000的TXEN被置为0，此时可接收数据。

　　3 系统软件设计

　　软件部分的编程主要分两方面，1)下位机(即数据采集端)，主要对单片机进行编程；2)上位机(即数据处理端)，主要对工控机进行编程。

　　下位机的软件开发平台选用的是AVR单片机专用开发平台ICC AVR。下位机的程序首先要对单片机和PTR2000进行初始化，然后进行A／D转换，再定义数据包，并将数据包发送出去。

　　#define uint unsigned int／／宏定义

　　void transmit(uint adl，uint adh)／／把所采集的，已经经过A／D转换的，像温度，振动频率等的数据加上包头，包尾。而且发送时可直接调用这个函数。

　　{

　　USART_Transmit(0xAA)；／／发送包头

　　USART_Transmit(adl)；／／发送温度数据

　　USART_Transmit(adh)；／／发送振动频率数据

　　USART_Transmit(0xFF)；／／发送包尾

　　}

　　上位机我们用LabWindows／CVI进行编程。本系统的主要功能是完成各个参数数据的正确的采集、传输、接收，处理、显示等功能。系统采用模块化的设计思想，将功能划分为相应的功能模块进行管理和维护，以增强系统的通用性和可移植性。本系统上位机软件归结起来包含两大模块：一是系统设置模块，起到和下位机进行通信的作用，以及对已经接收到的参数设置。二是数据管理模块，包括数据采集，数据包的处理，数据分析等功能；图4为工控机上所运行的系统软件示意图。

　　首先打开串口，并对它进行初始化设置，再对数据进行接收。下面是用LabWindows／CVI所编写的接收程序。

　　MSCommLib_IMSCommSetRTSEnable (ob-iecthandle，NULL，VFALSE)；／／把RST设置为0，开始接收。

　　GetCtrlVal(panelHandle，PANEL_STRING，i)；／／获取采集过来的数据串。

　　4 结束语

　　在我国，大部分工业生产单位对设备运行状态的监控都使用有线的方式传送数据，这种方式不仅落后，而且成本高，不易维护。本文主要介绍了一种适合我国国情的，适用于工业测控场合的无线设备运行状态监测系统。它抗干扰能力强，成本相对低，而且使用方便、灵活、可维护性强。在工业控制领域有广阔的实用价值和应用前景。适当改变硬件或软件编程，可应用于无线车载系统，远程监控等领域。

参考文献:

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