远程维护与监测

远程维护与监测（共10篇）

远程维护与监测 篇1

绪论

桥梁的安全性关系着整个道路的畅通, 传统的保障桥梁安全运营的方法 (人工检测查看) 已经不能满足现代交通的要求。桥梁远程监测监控则具有安全、实时、连续、及时预警预报的特点, 可实时的把桥梁的运行信息、桥面状况、视频资料反映上来, 直观的显示到显示装置, 随时供技术人员分析。以对桥梁的维护维修提供可靠的依据。

一个地区路网系统中都分布着多座桥梁包括特大桥、大桥、中桥、小桥。每一个桥梁的损坏都会造成交通阻断。但是全面布控必然使投资增加。我们可以用维修平均工期来衡量某个桥梁的重要程度, 根据投资大小, 确定被监控检测的桥梁。从而确定监测监控系统的结点分布, 确定网络的整体设计方案。

1. 桥梁监测监控系统分析

1.1 桥梁监测监控系统的系统内核与现场子系统的关系

在多个分布在不同区域的桥梁监测、监控子系统之间的数据传输、转换和通信, 典型的方法是在公用通信网络上架设虚拟专线通信平台, 由虚拟专线通信平台提供各种子系统的接口、协议转换和远程数据传输。包括硬件接口单元、系统内核和应用接口单元。硬件接口单元包括各种硬件接口和驱动程序, 将从现场硬件接收的数据发送到系统内核单元, 并将从系统内核单元接收的操作命令发送到外部硬件。

1.2 桥梁监测监控系统的集成化

为了实现集成式远程控制, 操作平台具有标准的TCP/IP协议网络功能模块, 该模块提供标准的网络应用API接口和网络接口硬件驱动, 用于本地控制计算机和远程控制计算机之间的通信。为了实现多个不同技术的桥梁监测子系统的接入, 系统具有支持各种桥梁监测现场系统接入的硬件驱动和适配接口。使新的桥梁监测技术能简便地集成到本系统。

1.3 桥梁监测监控系统各模块功能

本设计的程序可分为若干个模块:数据记录模块、数据分析模块、远程数据传送和共享模块。其主要功能是:在用户设定采样频率后, 采集多路传感器的信号, 并分别进行显示。用户及相关管理部门可使用手动或自动方式, 根据需要记录相关数据。其中, 自动记录以速度信号触发, 并可记录触发信号前若干个数据点。另外, 用户还可根据需要向异地用户传输数据 (使用DataSocket方法) 。用户也可以随时将已记录数据提取出来观察、分析。

2. 桥梁监测系统中的数据传输技术

桥梁监测监控数据传输系统采用的监测方法有利用移动通讯网络建立连接的桥梁监测方式和利用光缆或互联网建立连接的桥梁监测两种方式。

2.1 移动通讯连接方式的特点

采用移动通讯连接的桥梁监测方式是利用移动通讯的话音信道建立点对点的数据传输通道, 通过监测中心计算机分别控制桥上各采集仪采集数据。此种方法, 数据中心同一套设备在同一时间只能采集一座桥梁或一个采集仪连接的传感器数据。数据传输的方法基于移动网络的专用信道, 费用高, 使用不方便。

2.2 光缆或互联网连接方式的特点

利用光缆或互联网建立连接的桥梁监测方式, 实际上是采用专用光缆或互联网或租用电信公用光缆或互联网代替了移动通讯网络, 使中间的传输网络更可靠、传输速率更高。每个监测点的智能控制单元通过数据传输单元和移动通讯或者光纤与通信基站接入一网络, 连接到因特网, 再通过路由器连接监测中心计算机, 实现多点监测和控制。

由此分析采用光缆或互联网连接优于移动通讯连接。在有条件的地方均采用光缆或互联网连接。部分因条件所限可采用移动通讯连接。

3. 桥梁监测系统组成及特点

3.1 监测系统的组成

桥梁远程监测系统由多种传感器采集桥梁特性信号, 并将各种信号收集整理传送到计算机中, 计算机对信号分析计算输出监测结果, 显示到输出设备上。信号采集是系统的最重要的一个部分。它的准确与否关系着整个系统的正常运行。选择好传感器是系统成败的关键。

3.1.1 桥梁监测用传感器选择与设置

由于桥梁的性能指标决定每一个桥梁都需要多种传感器检测, 每种传感器分别起着不同的测量功能最常用的有以下几种:

3.1.2 用热电阻测量环境温度

由于大多数传感器随温度变化会产生一定的误差, 为了消除这种误差。需要随环境温度变化去修正测量误差, 这就要准确的测量环境温度, 用热电阻测量简便易行, 测量精度也能满足要求。

3.1.3 电阻应变片, 测量桥应变情况。 (根据桥梁孔数决定数量) , 应变电阻片, 将应变片贴在桥梁的各主跨承重梁上, 使其随着承重梁的应变一起伸缩, 这样里面的金属箔材就随着应变伸长或应变片原量缩短。桥梁在载荷作用下桥体变形伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理, 通过测量电阻的变化而对应变进行测定。

3.1.4 涡流传感器, 测量桥挠度变化。 (根据桥梁孔数决定数量) , 电涡流传感器是一种非接触式的线性化测量工具。具有长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响等优点, 用于对桥梁挠度变化状态监测。

3.1.5 磁电式检波器, 测量速度变化 (加速度) , 用于测量桥梁振动情况 (数量根据桥梁孔数决定) , 磁电式检波器是输出与场强度成正比, 磁场强度随着温度的增加而减少, 使用检渡器时应注意温度的变化, 磁电式传感器存在线性误差.尽量选择在线性区工作, 因地适宜地应用在桥梁检测中。

监测系统同时使用了不同种类的多个传感器进行数据采集。利用集成信号处理电路来实现对传感器输出信号的前置调理工作。主要是通过集成信号处理电路模块强大的信号调理能力, 对多路信号同时输入、对多路信号分别进行隔离放大和滤波、为应变片提供桥路和激励电压等。

3.2 桥梁监测监控主要单元

桥梁远程监测系统, 包括本地控制计算机和监测中心计算机上的系统单元。, 智能控制单元, 数据处理单元等。本地控制计算机安装并运行系统单元, 将接收到的数据通过系统单元转发到监测中心计算机, 数据处理单元根据接收到的数据执行具体的数据处理操作。

3.3 系统的主要特点如下:

3.3.1 系统支持大部分硬件接口。

底层硬件具有各种现场系统的硬件驱动接口和通信协议模块。采用开放式结构也为更多新的硬件接口类型提供了无缝集成机制。解决了不同桥梁类型和监测设备带来的上行智能控制仪器的硬件系统接入问题。

3.3.2 系统是基于互联网络的数据传输对用户来说是完全透明的。

多桥监测的网络延伸。多个桥梁监测监控子系统实现分布式集中监测, 多个桥梁监测监控子系统的连接, 都是基于互联网络实现的;其次在通信模式上, 支持C/S或S/S等模式。可在互联网络基础上建立统一的数据传输和通信。

3.3.3 系统具有分布式数据处理能力。

对多座桥梁进行分布式集中监测, 在子监测点上可以大量的存储和访问监测数据。同时可以与服务器连接随时为服务器提供数据信息。

4. 结论

综上所述:桥梁监测监控系统具有支持多传感器信号输入, 支持数据远程传输和共享, 具备自动记录、数据保密等附加功能, 模块集成度高、机械及电气性能好等特点。可以完成对桥梁动载、静载的监测任务, 能够将监测数据远程共享, 供桥梁工程技术人员对桥梁采取相应的对策。延长桥梁的使用寿命, 避免出现随机性垮塌现象。

摘要：桥梁远程监测监控系统-由多种传感器采集分布在不同区域的桥梁特性信号, 对桥梁的强度、扰度、振动特性、裂缝的宽度等指标监测。提高桥梁监控效率和能力。供桥梁工程技术人员对桥梁采取相应的对策。延长桥梁的使用寿命, 避免出现随机性垮塌现象。

关键词：桥梁安全运营,传感器检测,远程通讯,计算机控制,监测监控系统试验

参考文献

[1]元耀峰毕卫红卢辉斌大型桥梁远程监测系统的研究仪器仪表学报

[2]张启伟大型桥梁健康监测概念与监测系统设计同济大学学报

远程维护与监测 篇2

常规的联锁车站控制台都设有电流表，车站值班员在控制台排列进路时，通过这些电流表就能了解室外道岔动作情况。如道岔发生卡阻、挤岔、锁闭异常等情况，电流表可以直观反映出来，减少了由于室外情况不明而产生的误操作。区域联锁主控站的道岔由主控站联锁系统控制，被控站的道岔由被控站联锁执行设备控制。因被控站无人值守，故需要主控站值班员来查看被控站道岔动作情况。通常的做法是通过电缆将被控站的电流表连接到主控站，但因为距离较长效果不是很好，这给运输带来了不安全因素，也容易造成值班员误操作。为解决此问题，设计了控制台电流表远程监测系统，该系统在不改变区域联锁的情况下，实现了让主控站值班员实时查看到被控站道岔动作情况，解除了影响运输的不安全因素。

1系统结构设计

区域联锁系统一般有一个主控站和一个或多个被控站。根据这种特点，在每个被控站设置一台大电流采集器，用来采集被控站电流表的动作情况;在主控站设一台光纤/CAN通信转换集中器，与各个被控站的CAN/光纤通信转换器进行通信，收集各个被控站的电流表监测数据。被控站道岔电流表的数值在主控站电流显示屏上显示，也可以接入联锁上位机，在联锁控制台上显示。

大电流采集器和CAN/光纤通信转换器的通信采用CAN总线通信方式，CAN总线是可靠性很高的现场总线，同时扩展性也很强;主控站采用光纤/CAN通信转换集中器，接收各站电流采集单元的数据，处理、存储数据并发送至电流显示屏进行显示;被控车站较多时，可以通过联锁上位机进行软件接口，在联锁控制台进行集中显示;主控站和被控站之间通过光纤连接。

2系统功能及核心部分设计

控制台电流表远程监测系统实现了对区域联锁系统被控站道岔动作情况的实时监测，具有测试精度高、反应速度快的特点。系统主要由电流采集、通信传输、电流显示等几部分组成。其中电流采集是核心部分，主要由CPU 控制器、电流传感器、模拟输入、数字输入、数字输出、隔离通信总线及电源等部分组成，测试精度可以达到±2%。

软件结构中，输入信号的零点修正及参数模型建立是2个关键部分：

1.输入信号的零点修正。2、3、4、5单元模块，主要是自主学习信号放大过程中零点漂移和信号自身白噪声及被测信号带外干扰的情况，并由此建立干扰参数模型9。运用此参数模型完成对信号的误差运算、反馈等闭环控制，以此达到对输入信号的零点修正。

2.参数模型的建立。的7、8单元分别为直流参数模型和交流参数模型。根据转辙机的型号不同，道岔动作电流也有直流和交流2种，不同的信号源由不同的模型来处理。9为干扰参数模型，道岔动作电源回线由室外传输回来，由于走线距离等因素影响，会受到外界电磁信号干扰。在进行模数转换放大处理时，放大电路自身产生了白噪声和信号零点漂移，加上外部无信号时的强干扰信号一同被送入处理单元，造成了此模型输入参数多，并且参数变化范围大，使每一应用地点干扰参数模型也不同，为此，建立了干扰模型参数的默认值，在实际使用中，采用自学习方法或自动、手动修改参数进行存储。

3.电流采集软件处理流程。从如图4所示的软件处理流程可以看出设备的主要工作过程及处理方法。当没有被测电流信号输入时，处理器读到的信号为干扰信号，包括噪声及外部干扰，同时存在由信号放大带来的零点漂移。考虑到这些及其他因素后，处理器可通过学习并建立相应的模型，在默认的干扰参数模型下，有尺度地动态调整干扰参数模型，并保存相应的参数，待有被测信号时，修正被测信号，使之测量精准。

当有被测电流信号输入时，通过上述方法测量比较精准的电流信号，经过干扰参数模型完成反馈、修正，使测量精度进一步提升，并根据信号源判断是采用直流参数模型、还是交流参数模型进行处理。

3结束语

远程维护与监测 篇3

关键词:汽轮机组;实时监测;振动分析;故障诊断

中图分类号:TV 734.2+1 文献标志码:A文章编号:1671-7953(2009)04-0095-03

On-line Monitoring and Long-Distance Analysis System for Steam Turbine Generator Sets

QIN Jianming FAN Xin2

(1.School of Electrical Engineering , Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;2.Henan Electric Power Research Institute,Zhengzhou 450052,China)

Abstract: In order to ensure the safety running of the turbine generator sets, realize online condition monitoring and fault diagnosis of running generator sets and develops a ser of online condition monitoring and fault diagnosis system based Internet. The system is composed of real-time monitoring, data communication, long-distance analysis and the on-line monitoring of the vibration developing process can be realized. Consequently good basis and reliable information for the maintenance and operation of Steam Turbine are provided.

Key words: steam turbine generator sets;real-time monitoring;vibration analysis;fault diagnosis

大型汽轮发电机组已成为我国电网的主力机组,其复杂的结构和特殊的运行环境,导致故障时有发生,尤其是振动问题。尽管一般大型机组都会安装振动监测保护仪表(TSI),但该设备功能相对简单,对于振动异常问题,并不能提供强有力的有效分析手段,因此,安装振动在线监测与分析系统对于机组安全运行有着重要的现实意义。

1 系统总体设计

本系统网络服务站、数据采集站和分析诊断站等部分组成。系统通过能数据采集站连续在线采集现场设备振动波形数据,分别在本地监测诊断节点站和远程诊断中心站进行设备振动状态监测、故障诊断和设备的管理与控制。系统通过局域网、通讯微机、MODEM和电话网,把现场数据传送到远程诊断中心站作进一步的分析诊断,也可把远程中心的分析结果传送到现场。

系统总体结构由三部分构成(如图1):本地监测系统;数据通信系统;远程分析系统。

系统可连续在线采集现场设备振动波形数据、分别在本地监测诊断节点站和远程诊断中心站进行设备振动运行状态监测、故障诊断。根据需要系统可通过通讯微机、MODEM或Internet网,把现场数据传送到远程诊断中心站作进一步的分析判断,也可把远程中心分析结果传送到现场。

2 本地监测系统

该系统基本配置包括传感器、数据采集站、工程师站和数据库服务器等。系统采用分布式模式构建,分为设备层、通讯层和功能层三层结构。传感器和数据采集站组成了设备层,工程师站和数据库服务器组成了功能层。

2.1 设备层

设备层也是系统的硬件部分,直接面向机组设备,以数据采集为核心,通过采样驱动程序,完成各通道的数据采集,并与功能层监测系统进行双向通讯,上传采样数据,为上层系统提供可靠的实时信息。

传感器群负责现场原始信号的拾取、传送,既包括了各轴振、瓦振信号,又包括了与振动相关的一些过程量(如差胀、轴向位移等)。对于装有机组振动监测保护系统(TSI)的机组无须安装振动传感器。

数据采集站实现机组数据采集功能,采集站由前置信号处理器和数据采集工控机组成。前置信号处理器从传感器群接入现场信号,对来自现场传感器群的振动和相关过程信号进行隔离、滤波、抗混滤波、积分、衰减/放大、整形等调理,使得这些信号变为数据采集板能直接采集的标准信号。数据采集工控机选用DAQ2205A/D板作为数据采集板。该采集板为一款基于32位PCI总线的高性能、功能强大的采集板,允许信号64路单端输入或32路双端输入方式;采集板输入端子为两个SCSIV68接口,上面接口为振动量和过程量信号输入口,下面接口为键相、转速信号输入口;采集板具有成组触发采样功能,能很好的实现同步整周期方式采样。数据采集工控机接受前置信号处理器输出的标准信号,完成数据采集,对各信号进行初步处理,并定时将采集数据上传。前置信号处理器的所有振动信号以及部分过程量信号来自电厂BENTLYY3500系统,其余的过程量信号则为来自现场DCS系统变送器输出的1-5V或4-20mA的标准信号。

数据采集站功能主要分成四部分:实时数据采集、数据双向通讯、振动实时显示和实时启停机。

2.2 功能层

功能层对采集信息进行分析处理,主要完成数据处理、数据存储管理、状态分析、故障诊断等功能,是系统的关键部分。

工程师站为厂局域网内任一台机组,可运行振动在线监测与分析软件,具有丰富的图形显示和较强的分析处理功能。软件采用Borland C++ Builder6.0为开发工具,综合应用了汇编语言、动态链接库、多线程、图形处理、数据库等技术。在底层控制软件上应用了汇编语言和调用动态链接库与底层交换信息;上层软件既要实现数据采集又要实现实时显示和处理数据,需要多线程来控制,即启动主线程之后启动辅助线程。程序中创建了一个新线程文件CollectionThread.cpp来实现数据采集功能。软件安装后供运行人员在线监控机组振动情况,软件功能主要有:系统设置、实时监测与分析、启停机记录分析、故障记录分析、报表与统计。系统参数配置关系到数据的采集以及系统的正常运行,设置时一定要慎重。当系统硬件已经安装完毕,则参数的配置一定要与硬件配置保持一致,否则系统不能正常工作。实时监测部分包括实时振动棒图、振动波形图(图2)、振动趋势分析、振动报警监视、频谱分析、轴心轨迹(图3)、相关分析等。

数据库服务器用于存储全厂所有机组的振动数据和相关过程参数,包括实时数据和历史数据。其上运行振动在线监测与分析软件与故障诊断软件。此外,与设备层的通讯以及与其他系统(如MIS系统等)的通讯也在其上完成。

3 数据通信系统

数据通信系统中,本地监测诊断系统中工作站与服务器间距离短的用网卡组成局域网系统,距离长的用MODEM组成局域远程登录系统或通过Internet组成广域监控诊断系统。而与诊断中心服务器的互连采用基于Internet的连接,使得本系统具有很强的开放性和扩展性。

数据通讯接口实现设备层与功能层间的正常通讯,通过以太局域网,将数据采集站所采集的实时数据上传到数据库服务器并保存,同时将系统组态信息动态下载到数据采集站,决定采集站的采集状态和采集方式;实现本系统与厂MIS系统和DCS系统间的数据交流,达到数据共享目的。

4 远程分析系统

远程诊断中心是一个小局域网,由几台PC机组成了网络系统和智能诊断专家系统。它通过Internet与生产现场的监测系统连接,可同时在线监测分析多台机组的运行状态,提供丰富的振动分析软件和故障诊断知识库,并利用功能强大的数据库管理软件,对各种原始数据和分析结果进行存储、备份管理。

系统提供了多种时域、频域以及趋势信号分析算法,对数据库里的历史数据和启停机数据等进行分析,并以直观的分析图表显示,以掌握设备当前状态和变化趋势。

5 结束语

本系统是集数据采集、性能分析、故障诊断、人工智能等技术于一体综合信息处理系统,实现了对大型汽轮发电机组运行状态监测和故障诊断。通过与Internet 的连接,实现了远程监测和诊断。可提高实时处理效率和分析诊断的准确性,为运行人员和设备管理工程师提供了设备运行状况的科学依据,以便及时发现异常情况,保证设备安全可靠经济运行。该系统界面友好,使用简单方便。

参考文献

[1] 蒋东翔,倪维斗,于文虎,等.大型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与诊断网络系统[J].动力工程,1999,19(1):49-52.

[2] 李富才,訾艳阳,何正嘉,等.旋转机组分布式在线监测诊断系统[C].2000年全国振动(诊断、模态、噪声)技术及工程应用学术会议论文集,2000.

远程维护与监测 篇4

1 装置结构和控制要求

本远程监测系统实际上是空气质量参数的远程测量，被测参数包括二氧化硫、二氧化氮两路模拟量及四路开关量，要求能按定时和随机两种方式完成上述参数的测量并传送至上位系统;上、下位系统的距离应不受限制;系统具有自我恢复能力，真正实现远程无人值守。

按照上述功能需求，设计要求为：系统采用上、下位主从结构设计，上位机为主叫方，下位机为被叫方。上位机以定时巡检或随机抽检两种方式远程获取各下位机(子站)采集到的空气质量数据，根据国家环保总局有关空气质量检测的要求编制周报、日报等;下位机(即子站)分布在城市的各检测点，负责采集空气质量数据，主要是二氧化硫、二氧化氮含量，具有自检、自动稳零等功能，自动应答上位机呼叫并上传数据。由于被测参数的变化缓慢，对实时性要求不是非常苛刻，因此采用PSTN(公用电话网)形式实现远程呼叫和数据通信。

2 下位机系统硬件设计

根据系统实际需要，可按以下几个部分实现装置自动控制系统：(1)基于PSTN通信接口电路;(2)模拟信号采样电路;(3)满足无人职守要求的下位机控制电路。

硬件系统框图如图2所示。

由于系统要求有较高的稳定性，能满足系统无人职守条件下自恢复运行和监视系统运行状态的要求，微处理器采用AT89S8252。

2.1 CPU模块设计

在P0数据地址复用总线口上扩展了74HC373作为低8位地址锁存器，适应LCD液晶显示模块的接口需要，产生LCD模块读写所需驱动信号的输入信号A0,A1。

系统采用MAX813L实现复位需要，由S1实现手动复位(主要用于调试期间的复位)。由此实现的复位电路具有电源电压监视能力，即当电源电压低于4.65V时产生高电平复位信号;同时也具有上电复位能力。

2.2 人机界面设计

系统中人机界面主要是显示界面，因为是远程控制系统，因此下位机没有设计按键按钮电路。显示界面采用HD44780兼容的16×2液晶显示模块。

2.3 模拟量输入通道和开关量输入通道设计

采用AD7705作为模数转换接口芯片。

系统需采集的参数变化缓慢，对转换速度要求不高，采用周期也没有特殊要求。从保证转换精度和稳定性方面考虑,两路模拟信号通过CON4输入AD7705的两个通道。AD7705不是直接取自电源电压，而是通过电压基准源芯片MC1403产生，其2脚输出的基准电压为2.50V，实测电压精度可达到0.1%。基准输出端并接的滤波电容应选用钽电容和CBB电容，以确保稳定度和噪声方面的要求。为使用50HZ工频的特点，提高A/D对其的抗干扰能力，A/D晶振频率选用芯片规定的2.4576MHZ，输出更新率为50HZ。AD7705的数据输入/输出口线并接后与微处理器的某一口线相接，节省了一条口线。

2.4 MODEM通信接口设计

基于PSTN远程系统的关键是调制解调器(MODEM)通信接口模块。

MAX232作为TTL-RS-232电平转换芯片，是微处理器与MODEM之间的接口电路，51系列微处理器虽然有串行输入/输出口，但不具有RTS、CTS、DTR等标准接口握手信号线，考虑到下位机与上位机的通信量一半并不大，所以在连接时采用了简单的“三线式”，即只通过TXD、RXD和地线GND进行连接，同时对其他信号做以下处理：

(1)7(RTS),8(CTS),1(CD)等三信号线短接

(2)6(DSR),4(DTR)等两信号短接

RS232的接线端与连MODEM的DB9的第二脚(接收端)相连，发送端与DB9的第三脚(发送脚)相连，通过软件的设置与处理，实现“三线式”远程通信。

3 系统软件设计

系统软件采用模块化方式编制，系统主模块程序流程图如图3所示。

主模块首先要考虑的是A/D转换与通信之间的关系问题，其次是各模块的层次问题，最后是看门狗在各种模块中的嵌入问题。为保证下位机响应上位机呼叫的实时性，串行通信采用中断方式进行数据的接收和发送，A/D转换结果的读取采用查询方式。

4 结束语

实际应用表明，该系统具有良好的运行特性，较好地达到了空气质量参数远程测量的生产运行要求。

参考文献

[1]沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京:电子工业出版社,2005.

[2]胡乾斌,李光斌.单片微型计算机原理与应用[M].武汉:华东科技大学出版社,2000.

[3]徐晓,罗剑.基于AT89S8252排污远程监测系统[J].现代电子技术,2008.23:117-119.

[4]师宝山.基于AT89S51的多参数气体检测仪的研制[J].传感器与仪器仪表,2007.23:190-192.

远程维护与监测 篇5

摘要：文章从银盘水电厂机组状态监测系统现有结构出发，分析了进行状态监测系统远程技术改造的实施要点，着重对改造的核心技术如实时数据库技术、数据远程传输技术、异常自动识别技术等进行阐述。

关键词：水电厂；状态监测；远程监控；数据远程传输；技术改造；水电机组

中图分类号：TV734 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）08-0035-03

银盘水电厂地处重庆市武隆县，是乌江干流水电开发规划的第十一个梯级，安装4台150MW轴流转桨式水轮发电机组，是发电兼顾彭水水电厂的反调节任务和渠化航道的枢纽工程。水电厂机组状态监测系统是监视、预测和分析诊断水电机组运行过程中的故障现象的重要电气设备。银盘水电厂机组状态监测系统由传感器、数据采集单元、服务器及相关网络设备、TN8000软件等组成。为了充分利用湖南电力试验研究院的专家组力量，通过应用状态监测系统远程监控技术，将银盘水电厂1-4号机组的振动、摆度等机组状态数据实时发送至湖南电力试验研究院，迅速组织专家对机组故障进行分析和诊断，从而避免破坏性事故的发生。本次技术改造将对保障银盘水电厂机组安全稳定运行起到积极的作用。

1 远程监控改造前银盘水电厂状态监测系统

结构

银盘水电厂状态监测系统分为上位机、现地数据采集站、传感器三层结构。

1.1 上位机

1.1.1 状态数据服务器。状态数据服务器采用IBM X3400服务器，用于存储和管理从各数据采集站传送过来的机组实时状态数据、历史状态数据及各特征数据。

1.1.2 WEB服务器。WEB服务器采用IBM X3400服务器，负责将状态监测系统的数据发送给MIS系统，并能在MIS系统中进行数据浏览和查询。

1.1.3 工程师工作站。工程师工作站采用DELL 380MT系列工作站，供现场工程师监测和分析机组的有关信息。

1.2 现地数据采集站

主要由TN8000数据采集箱构成，负责各种信号的采集、存储和数据处理，并进行实时监测和分析，同时对相关数据进行特征参数提取，得到机组状态数据，完成机组故障的预警，并将数据通过网络传至数据服务器，供进一步的状态监测分析和诊断。

1.3 传感器

1.3.1 摆度和键相传感器。测量大轴摆度的电涡流传感器采用德国申克公司的IN-081一体化涡流传感器。

1.3.2 振动传感器。测量上机架、下机架、顶盖和定子机座的振动传感器采用北京豪瑞斯公司生产的低频速度传感器，型号为MLS-9H（水平）和MLS-9V（垂直）。

1.3.3 压力传感器。监测蜗壳差压的差压变送器选用美国ROSEMOUNT3051CD差压变送器。各压力（脉动）传感器采用瑞士KELLER公司的21R系列压力传感器。

1.3.4 空气间隙传感器。用于监测发电机定转子之间空气间隙的传感器由平板电容传感器和信号调理器组成。

1.3.5 局放监测装置。局放监测装置采用加拿大IRIS公司的HYDROTRAC系统，包括电容藕合传感器、HYDROTRAC在线局部放电监测仪。

2 远程监控改造后系统结构及改造实施要点

2.1 改造后状态监测远程监控系统结构

改造后状态监测远程监控系统由电厂侧监测层、数据中心服务器层和数据应用层三层结构构成。

2.1.1 电厂侧监测层。电厂侧监测层即由上位机、现地数据采集站、传感器三层结构构成的电厂侧状态监测系统，电厂侧监测层负责采集1-4号机组的状态数据并进行处理后通过WEB服务器实现与数据中心服务器层的数据交换。

2.1.2 数据中心服务器层。数据中心服务器层由一台IBM X3650服务器构成，安装于湖南电力试验研究所内，该服务器托管于INTERNET骨干网，主要用于接收电站WEB服务器发送上来的机组实时状态数据，并集中存储形成机组状态数据的历史数据库。数据中心服务器同时具备数据发布的功能，终端用户只要具备上网环境就可以随时随地访问该数据服务器数据。

2.1.3 数据应用层。数据应用层即终端客户端，通过从数据中心服务器获取电厂状态监测数据进行分析和处理。

2.2 改造已经具备的条件

银盘水电厂目前安装的TN8000机组状态监测系统已经具备了数据远程监测的基本条件，只需要将WEB服务器开通访问INTERNET，安装相应的软件，并在湖南电力试验研究院设立相应的中心数据服务器即可。

2.3 改造需要增加的设备

2.3.1 数据中心服务器。湖南电力试验研究院需要增加一台数据中心服务器。

2.3.2 租用电信带宽。租用电信公司带宽（4M），连接电厂侧WEB服务器和湖南电力试验研究院数据中心服务器，将数据从电厂传送到湖南电力试验研究院。

3 状态监测系统远程监控技术改造核心技术

3.1 实时数据库技术

对状态监测系统远程监控中心而言，数据存储和管理策略是需解决的核心技术。笔者认为关系数据库（sqlserver或者oralce）无法满足机组状态监测系统远程监控中心的数据存储需求。原因有以下两点：

3.1.1 关系数据库主要的功能定位在于管理静态信息之间的关联性，主要应用在信息管理系统、财务系统等静态信息应用系统中。工业现场传感器产生的数据的是以时间为序的序列动态数据，用处理静态信息的关系数据库来存储传感器产生的动态数据显然不合适。传感器24小时分分秒秒都在产生新的数据，关系数据库无法大量存储这些数据，只能采用间隔时间稀释数据的办法，人为地丢弃部分数据，客观上无法避免地造成了关键数据的丢失。

3.1.2 关系数据库的查询功能无法满足时序动态数据的查询要求。由于关系数据库的设计功能定位本来就不是处理工业现场传感器数据存储的，因此机组状态监测系统使用关系数据库就会使单个数据表的数据容量巨大，关系数据库能够高效地检索多表之间的关键字关联信息，但是对单个数据容量太大的表，其信息检索性能会大大降低，这就是在使用某些系统进行历史数据查询时系统长时间没有响应的原因。

所以要想长时间存储监测数据并且获取较高的检索效率，最佳方案是采用“实时数据库”。

银盘水电厂状态监测系统采用的具有高效压缩比的TN8000Real实时数据库，能够适应状态监测系统远程监控的数据存储要求，现场数据以平均2秒的间隔发送，中心数据库对数据不做任何人为稀释丢弃处理，全部存储下来，以备后续的数据挖掘应用。

TN8000Real实时数据库具有以下特点：

（1）实时数据库的TAG容量可达100000点，存储周期可以达到1秒，以每台机800个点计算，至少可存储100台机组的数据，可满足中心所属电站的数据存储需要。

（2）数据压缩和存储效率高。按1台机组稳定性参数40个测点计算，采用连续存储方式，利用原始数据压缩技术压缩后而未经过实时数据库压缩前的1台机组年数据量约为80G，经过实时数据库压缩后，1台主机的年数据量约为20G。

（3）实时数据库TAG点表根据电厂和机组的序号自动生成，不需人工逐一创建。实时数据库内嵌1个关系型数据库，可便于检索和查询。

（4）实时数据库占用的CPU的资源比较少，一般的负荷仅为CPU的5%～10%。

（5）实时数据库数据读取效率高，在10M以太网环境下测试，客户端随机读取实时数据库的测点10000条记录，平均读取时间小于2秒。

（6）实时数据库系统提供开放的数据接口，可便于其他系统实现数据共享和调用。

3.2 状态监测数据远程传输技术

银盘水电厂状态监测系统远程监控技术改造项目在数据远程传输方面有两项关键技术：

3.2.1 Base To Base。数据库对数据库的动态镜像传输技术。电厂侧数据服务器和中心侧数据服务器都装有TN8000Real实时数据库，并且其测点一一对应，只有当电厂侧某个测点的数据发生变化时，该测点的数据才会被发送到中心侧的数据库上，否则数据不会发送。这种机制保证了系统数据对网络带宽的最小占用，是专门针对广域网数据集成的效率最高的数据处理技术。

3.2.2 数据双重压缩技术。TN8000系统根据机组状态数据的特性，对数据进行压缩处理，即原始数据压缩和实时数据库的数据压缩。经过双重压缩处理后的数据在保证数据不失真的前提下，使数据占用的存储空间减少至20%左右，为远程中心的大规模数据存储提供了必要的技术

条件。

3.3 中间件技术

TN8000系统采用中间件技术进行数据的读取和预处理。传统的B/S和C/S模式由于客户机和服务器直接连接，服务器将消耗大部分资源用于处理与客户端的连接工作和频繁应付客户端的连接请求，从而降低了系统处理能力，导致系统整体运行效率大幅度降低。中间件主要用于在客户端和服务器之间传送数据、协调客户与服务器之间的数据交换、实现跨平台和语言的无障碍通讯。

3.4 TN8000远程系统异常状态自动识别技术

TN8000远程监控系统能自动根据监测数据对联网机组异常状态进行识别并对异常状态进行报警，便于试验研究人员对机组故障或缺陷进行早期识别，避免机组状态进一步恶化。

TN8000远程监控系统采用多种预警技术用于识别机组运行状态和及时发现故障早期征兆，主要包括矢量靶图报警、频谱靶图报警和趋势预警等方式。系统预警技术基于按工况分类（负荷、水头等）的样本数据，并结合了来自于计算机监控系统的其他工况参数，可避免误报和漏报，具有很好的实用性。TN8000远程系统发现异常后，可通过显示界面进行提示，并可通过配置相应的设备以短信方式第一时间通知相关人员。

4 结语

银盘水电厂通过实施状态监测系统远程监控改造后，将机组状态监测数据及时送至湖南电力试验研究院进行专家会诊，能够及时识别机组的状态、发现故障的早期征兆，对故障原因、严重程度、发展趋势做出准确判断，可及早消除故障隐患，避免事故的发生。同时通过对设备健康状态进行全面的评估与判断，做出合理的机组检修安排或建议。因此银盘水电厂进行本次改造对于提高机组运行的安全可靠性，降低维修成本，延长设备使用寿命，提高电站的经济效益和竞争力，提升水电厂现代化管理水平，有着非常重要的意义和作用。

作者简介：唐亚波（1987—），男，湖南人，重庆大唐国际武隆水电开发有限公司助理工程师，研究方向：水电厂机组状态监测系统、水电厂自动化。

远程维护与监测 篇6

我国“十五”以来奶牛养殖业发展迅速。奶牛作为人类食物供应链的重要来源之一,养殖成本高,技术复杂。多数奶牛场由于缺乏有效的疾病监测管理机制,使奶牛频频发生各种疾病,严重影响了奶业发展和食品安全,因而迫切需要加强奶牛养殖的科学管理。虽然奶牛养殖信息管理系统在集约化养殖厂得到应用[1],但是对奶牛等大型动物的疾病监测管理仍停留在人工观察和定时检测的较低水平。体温是判断机体健康状态的基本依据和指标[2,3],监测并及时记录奶牛体温,不仅有助于及时发现、预防和控制奶牛疾病,而且可以及时准确地识别奶牛的发情期[4]和分娩期,有利于延长奶牛产乳期,提高其年产奶量。

无线传感器网络(WSN)凭借其低功耗、低成本、高可靠性等特点,已逐渐应用于农业领域[5]。澳大利亚联邦科学与工业研究组织和Nadimi等已展开应用无线传感器网络对奶牛健康状况进行监测的研究[6,7]。贾北平、郑艳新等提出基于非无线传感器网络实现奶牛体温无线采集的方案[8,9],为实时监测奶牛健康状况提供了解决方案,但无线通信协议复杂、系统功能不够全面、测温节点安置方式也需要探讨。

本文拟基于无线传感器网络技术、ZigBee技术和嵌入式技术,研究并开发实时远程监测奶牛体温变化的系统,以便养殖人员实时了解奶牛体温变化,掌握奶牛的健康、分娩和发情等状况,对促进奶牛养殖的科学化、加强牛奶安全生产管理均具有重要意义。

1 系统结构

奶牛体温监测系统结构如图1所示,由ZigBee自组网、嵌入式网关管理平台和上位机管理系统3部分组成。ZigBee自组网部署在奶牛养殖区域,将定时采集到的奶牛体温等数据以多跳方式汇聚到区域协调器,并通过RS-232总线传输到网关节点。运行在网关上的系统管理软件采用嵌入式数据库管理模式对传感器节点传来的数据进行预处理、显示、预警和存储,并最终上传给上位机。上位机中的管理系统对数据进行进一步的存储和分析。

ZigBee自组网设定为树状拓扑结构,最大深度为5层,在本系统中设计为测温节点、路由节点和协调器节点3层,其中协调器是ZigBee网络的中心节点。

1)测温节点:

定时对奶牛体温和电池电压进行测量,并将奶牛编号、体温和电池电压数据上传至路由节点或协调器节点。

2)路由节点:

将测温节点发来的数据转发至协调器节点,并具有路由选择功能,延长了数据传送距离,扩展了网络规模。1个路由节点最多可以接收20个测温节点,或接收14个测温节点、转发6个路由节点的数据。

3)协调器节点:

负责建立ZigBee网络,接收来自测温节点或路由节点的数据(即汇聚无线传感器网络的数据),并通过RS-232总线传输到网关节点。协调器最多可以接收14个测温节点和6个路由节点的数据。

为实现图1所示的奶牛体温实时监测系统,本文分别进行了系统硬件和软件设计。

2 硬件设计

2.1 ZigBee节点硬件

ZigBee网络节点硬件由CC2430芯片、天线、传感器、测温电路(仅测温节点)、RS-232通信模块(仅协调器) 以及电源等部分构成。

2.1.1 CC2430

CC2430芯片整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议,接收灵敏度和抗干扰性能出色,支持UART异步串口通信协议;采用小尺寸(7 mm×7mm)QLP-48封装,只需极少外围元件即可工作;其低功耗设计特别适合要求电池寿命较长的应用。选用CC2430作为ZigBee网络节点的核心单元,以提高系统的可靠性并降低功耗。

2.1.2 测温节点硬件

测温节点硬件结构如图2所示。

2.1.2.1 温度传感器选型

本文采用MF5A-4型NTC热敏电阻作为温度传感器。该热敏电阻专为电子体温计设计,在43.0℃时阻值为4.7kΩ,具有小型化(温度感应头部直径小于3mm)、精度高(可精确到0.1℃)、响应快和可靠性高等特点。

2.1.2.2 测温电路原理

测温电路主要由电桥和放大器构成,如图3所示。电阻R1~R3和Rv构成惠斯登电桥,其中R1~R3选用4.7kΩ高精度、低温漂的金属膜电阻,Rv为MF5A-4型温度传感器。由于奶牛体温在43.0℃以下变动,所以电桥输出变化的正电压。该电压经测量放大器AD627进行差模放大后(Rg用于调节放大增益),通过I/O口P0_0输入CC2430,并使用片内14位精度的ADC进行模/数转换。ADC的参考电压由片外经P0_7口引入,与电桥供电电压一致,可抵消电源电压变化引起的测量误差。此外,采用CC2430内部1.25V参考电压,可完成对电源电压VCC的测量,测得电压和温度、奶牛编号一起发送给上层节点。

测温节点用两节7号电池供电。为最大限度地减小功耗,采用如下策略:设定节点在闲置时间进入睡眠模式;通过控制单片机P0_1口输出高低电平来控制PMOS管IRF7416的通断,以打开或关闭测温电路。这样,可以大大减小系统功耗。

2.1.2.3 测温节点安装

奶牛皮毛厚实,加上日常活动和外界因素的影响,很难从体表测得其体温。直肠温度虽然最接近真实体温,但不适合长期放置温度传感器。鼻孔温度较易测量且其变化可以反映呼吸的频率,但传感器安装难度大,且测得的体温不稳定,易受奶牛进食和季节等因素的影响[10]。耳道温度在一定程度上可以反映体温的变化[11],这是由于奶牛耳道孔径较大,温度稳定,且不易受外界环境影响,可作为测量体温的理想部位,故本文选择耳道测温方式。为了减小节点体积以便安装,除温度传感器通过导线引出外,测量电路、无线射频模块和电源都集成在一块3cm×6cm的PCB上,并被包装在橡胶项圈内,可避免雨水、碰撞等的影响。温度传感器嵌在特制的柔性橡胶耳塞中,并通过3.5mm耳机插头与PCB连接,方便进行传感器的更换。测温节点硬件实物如图4所示。

2.1.3 路由和协调器节点硬件

路由器和协调器节点硬件结构相近,唯一不同的是协调器节点具有RS-232通信模块。路由器和协调器节点作为ZigBee网络中的全功能设备(FFD),维护着网络的通信,使用220~3.3V电源适配器供电,安装在养殖区域的墙壁上合适位置。

2.2 网关节点硬件

网关节点作为信息集中处理和无线传感器网络的本地化管理平台,要求具备较快的处理速度、较强的信息管理功能和丰富的外围接口资源。SAMSUNG公司32位RISC微处理器S3C2440A非常适合此类应用。S3C2440A采用ARM920T内核,拥有独立的16kB指令Cache和16KB数据Cache,内核电压为1.3V时主频400MHZ。它提供了丰富的外围设备接口,包含4通道DMA控制器、3通道UART、8通道10位ADC和触摸屏接口,还集成了LCD专用DMA的LCD控制器。本文以S3C2440A为核心构建无线传感器网络网关硬件平台,硬件结构如图5所示。

3 软件设计

3.1 ZigBee网络节点软件

ZigBee网络节点软件部分的设计主要实现ZigBee无线传感器网络组建、奶牛体温测定和数据格式转换等功能。测温节点程序流程如图6所示。

CC2430芯片具有可修改的64位物理地址,使用前16位作为奶牛个体识别的唯一标识,灵活性和稳定性很好。为了保证精度,温度数据采用线性插值法查表获得:测温节点根据电桥输出电压换算出NTC热敏电阻的阻值,此阻值经电阻-温度(R-T)关系表转换,便可得出精度高于0.1℃的温度数据。由于在单片机ROM中建立R-T表,并进行查表操作会消耗大量资源,因此本文采用将查表工作上移至网关节点的策略,测温节点发送传感器的阻值代替实际温度,从而可减轻测温节点的工作量,延长电池寿命。

协调器节点在建立网络后,等待测温节点或路由节点传来数据,并将数据由串口传递给网关节点。

3.2 网关和上位机管理系统的实现

网关需要完成传感器节点管理和环境数据管理等工作。鉴于嵌入式数据库SQLite3具有体积小、快速高效、易于移植且开源等优点,本设计基于SQLite3开发网关管理软件。

1)节点管理。

其包括节点电量、奶牛编号、数据接收时间、运行状态和当前环境温度等属性的配置。

2)数据管理与预警。

网关周期性接收无线传感器网络所有节点汇聚的大量数据,采用SQLite3数据库对采集的数据进行实时存储、查询和删除等操作。由于嵌入式系统存储容量有限,因此规定数据保存3天。网关管理系统实时绘制体温曲线,当奶牛的体温超过预设值时,进行预警。此外,网关节点自动将离线和实时数据上传到上位机中,以便进一步地进行数据分析。

上位机软件采用LabVIEW语言编写,利用PC机强大的数据处理能力完成整个系统的数据存储、体温监测预警及系统运行状态监视等功能。软件的体温曲线绘制界面如图7所示。

4 测试与分析

为了测试系统性能,2011年7月在西北农林科技大学试验农场进行了数据采集试验。采用自身对照方法,对同一头健康的奶牛同时进行两项测试:测试一用设计系统测量奶牛耳道温度,将测温节点通过项圈固定在奶牛脖子上,传感器耳塞置入奶牛耳道,测温节点每10min发送一次所测数据,发送完成转入睡眠模式,协调器节点距奶牛50m,在网关节点和上位机端实时显示采集到的数据;测试二使用肛温电子温度计,与测温节点同步测量奶牛直肠温度并记录。在牛棚内温度约为28℃的环境下,连续测得12组数据见表1所示。

偏差=肛温-耳温。

由表1可看出,肛温均值减去耳温均值所得偏差与偏差均值十分接近,表明测得耳温与肛温之间存在良好线性关系。进一步的试验数据表明,系统软硬件工作性能稳定,极少出现传输丢包现象。测得耳温经软件补偿后与肛温偏差不超过0.1℃。

5 结论

1)测温模块应用多种手段降低功耗,延长电池使用时间;应用特殊设计的耳塞和传感电路测量耳温代替实际体温,便于使用,测定精度可达0.1℃。

2)采用将查表工作上移至网关节点的策略,测温节点发送传感器的阻值代替实际温度,减轻测温节点的工作量,减少了发送数据量,从而可延长电池寿命。

3)采用3层ZigBee自组网结构,可扩展心率、呼吸频率和步数等更多测量功能。

摘要：为了远程、实时监测奶牛体温,给疾病诊断和发情状况判断提供科学依据,设计并实现了基于ZigBee网络的奶牛体温监测系统。以CC2430芯片为核心开发了测温节点、路由节点和协调器节点,基于ARM9的微处理器S3C2440A和嵌入式Linux构建了网关节点;采用ZigBee技术实现无线网络自组网和监测数据自动汇聚;开发了测温节点程序、基于SQLite3的网关管理软件,并用LabVIEW设计了数据存储、体温监测预警及系统运行状态监视的上位机软件。本系统为奶牛疾病及分娩期预测提供了有效工具,对其他大型动物的监测也具有一定的指导意义。

关键词：奶牛,体温,无线传感器网络,ZigBee,LabVIEW,精细农业

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[10]尹令,刘财兴,洪添胜,等.基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统设计[J].农业工程学报,2010,26(3):203-208.

远程维护与监测 篇7

在现代物质生产中, 物料的搬运和装卸是整个生产环节中的有机环节。随着国民经济的快速发展, 为高效、及时和安全地完成装卸搬运作业, 起重机、叉车、输送机和堆垛机等现代铁路物流设备在铁路物流系统中的使用越来越广泛, 作用也越来越大。但由于现代铁路物流设备起重量大、作业连续性强、现场环境恶劣等因素, 在实际使用过程中容易出现各种难以预料的故障, 造成设备的停顿, 会直接影响到铁路的经济效益, 严重时造成人员伤亡和巨大的财产损失[1]。因此, 对现代铁路物流设备进行实时状态监测、故障诊断及远程维护具有重要的意义。

目前, 国内针对现代铁路物流设备的检修主要还停留在定期计划维修阶段, 且对设备的维护主要依靠经验对故障点进行判断。这种方式效率低下, 故障点查找困难, 维修周期长, 会造成诸多不必要的损失。为适应装卸企业自身发展的需要, 必须从观念创新、制度创新、管理创新等方面对传统的设备维修体制进行改革[2]。基于状态的维修 (Condition-based Maintenance, CBM) 是一种全新的设备维护模式, 其核心思想是在有证据表明故障即将发生时才对设备进行维护。它通过对设备工作状态和工作环境的实时监测, 借助人工智能等先进的技术, 诊断和预测设备未来的正常工作周期, 合理安排设备未来的维修调度时间[3]。鉴于此, 引入了现代铁路物流设备CBM维护方式, 通过先进的传感器、计算机和人工智能等技术的结合, 对现代铁路物流设备进行科学地维修保养, 从而在保障设备安全、经济、可靠的前提下最大限度地提高现代铁路物流设备的利用率, 降低检修人员、财力、物力的浪费和检修磨损, 提高铁路经济效益。下面首先介绍现代铁路物流装备故障诊断与远程维护系统 (RDMS) 的整体体系结构, 接着详细讨论RDMS的硬件和软件结构设计, 最后对全文进行了总结。

1 RDMS整体体系结构

设备监测和信息技术的快速发展, 为设备状态监测与故障诊断维护技术的发展带来了新的机遇。运用高新技术去解决传统的设备管理维护问题已经并不鲜见[4]。本系统以现代铁路物流装备维修管理的信息化、智能化为目标, 参考OSA-CBM (Open System Architecture for Condition-based Maintenance) 国际标准以及ISO 13374等机械状态监测和故障诊断相关的国际标准, 构建RDMS系统, 开发“RDMS应用程序”, 目的是使系统标准化、通用化和模块化。RDMS结合现有的设备监测诊断技术, 以信息技术为纽带, 建立以互联网为平台的网络化现代铁路物流装备故障诊断与远程维护系统体系, 将众多的现代铁路物流装备、企业设备维护部门、各个不同的设备生产厂家和科研中心等诸多的资源结合起来, 形成一个资源共享、相互协作的现代铁路物流装备故障诊断及远程维护系统[5]。在信息技术环境下, 设备上的数据采集装置实时采集设备上各个部位安装的传感器数据, 以得到设备运行状态数据。一方面, 机载的状态监测与故障诊断系统可以暂存采集的数据, 初步完成设备的运行状态监测与简单的故障诊断, 现场的诊断人员可以根据机载系统进行监测和诊断。另一方面, 将采集得到的状态数据通过通信网络发送到监控中心的服务器, 位于监控中心的维护人员运用故障诊断与远程维护系统对现场运行的设备进行实时状态监测、故障诊断和预测等, 为设备提供远程故障报警、故障定位、故障解决方案等。系统的整体体系结构如图1所示。

整个RDMS由机载监控系统、通讯网络和远程监控中心三部分组成。机载监控系统一方面采集设备的各种运行状态数据, 利用机载的故障诊断系统软件对设备进行实时状态监测与故障诊断、定位, 并通过通信网络 (包括3G移动通信网络、Internet等多种无线/远程通信方式) 将所采集数据传送到远程监控服务与故障诊断中心, 另一方面机载监控系统可以接收远程监控服务中心的操作指令, 完成远程交互, 实现现代铁路物流设备远程故障诊断与维护。

2 系统硬件结构设计

2.1 机载终端装置与设备

现代铁路物流装备运行状态数据的采集是对设备进行状态监测与故障诊断的基础, 数据采集部分需要一些机载的终端数据采集设备与装置来采集设备的实时运行状态数据, 这些机载的数据采集设备包括分布在各个关键零部件上的各种类型的传感器、控制器和通信模块等。传感器采集设备的各种工况数据信息, 如发动机的油温、油压、水温、变速油压、制动系统压力、液压系统油温等等, GPS模块可以用于确定设备的地理位置信息, 采集得到这些数据信息以后暂时存储这些数据[6]。由机载监控系统实现设备运行状态在线监测, 以便及时对设备异常部位发出警报或报警, 初步诊断出设备故障, 以便及时排除故障。另一方面, 机载监控系统通过通信网络把采集得到的设备运行状态数据发送给远程监控中心。由于机载终端向远程监控中心发送的数据量较大, 为了保证可靠的通信可以设置多种无线/远程的通信方式结合的方式, 如:GPRS通信方式、3G通信方式等。

2.2 远程监控中心

远程监控中心是整个RDMS系统的核心部分, 它由实时数据服务器、历史数据服务器、数据分析服务器、故障诊断服务器、GIS服务器、工程师站、打印机、网络通信设备等组成[7], 如图2所示。

远程监控服务中心的主要功能是监控、预警、远程故障诊断及维护等。机载监控系统需要通过通信网络连接到远程监控中心, 当机载监控系统连接上远程监控中心以后, 把自己的相关信息 (如设备类型、机型、出厂时间、销售区域、工作位置等) 自动发送到远程服务器中并保存以记住该设备, 在远程监控中心的维护工程师们就能清楚地了解设备的信息[8]。远程监控中心通过通信网络实时收集各台现场作业中设备的状态数据, 分析和确定各台设备的当前工作状况, 如有问题则及时分析和诊断, 给予预警和报警。远程监控中心的远程维护系统还提供完善的设备工作状况统计功能和详细的查询功能, 并能根据所收集到的数据, 利用一定的预测分析方法预计指定设备中所检测关键部件的剩余使用寿命, 在适当时间给出预警信息。根据设备的当前问题, 给出远程维护的指导信息。GIS服务器为监控服务中心提供设备的地理信息相关服务, 如设备的区域分布、施工密度等。工程师工作站为监控中心的工程师提供友好的人机界面, 用于不同设备实时运行状态监测, 便于工程师为现场设备维护人员提供完善的设备维修方案。系统还可以提供特定的服务 (如Web服务等) , 故障诊断结果与维护的相关信息会在远程监控中心进行整理与记录。

3 系统软件结构设计

参考OSA-CBM[3]标准, RDMS系统从下到上可分为数据采集层 (Data Acquisition, DA) 、数据处理层 (Data Manipulation, DM) 、状态监测层 (Condition Monitor, CM) 、健康评估层 (Health A s s e s s m e n t, H A) 、预测评估层 (P r o g n o s t i c s Assessment, PA) 、决策支持层 (Decision Support, DS) 和表示模层 (Presentation) 七个层次, 每一个层次对应于一个模块, 如图3所示。

其每一层的功能描述如下:

1) 数据采集层:和装卸运输底层物理设备进行通讯, 采集设备各零部件的实时数据, 为其他的模块提供现场的原始数据, 然后将数据存入本地数据库。

2) 数据处理层:获得采集得到的原始数据, 对原始数据信号进行一些预处理, 如滤波、降噪等功能, 然后将数据存入本地数据库。

3) 状态监测层:主要完成DA、DM模块输出数据与系统工作限定值比较的功能, 实现对现代铁路物流设备零部件工作状态的实时监测, 当系统或零部件出现异常的时候会发出警告或报警, 将警告或报警记录存入本地数据库。

4) 健康评估层:利用多种故障诊断方法对装卸运输设备系统及零部件进行故障诊断, 然后对设备的系统、子系统、组成部件的性能衰退进行评估, 如果系统的性能处于衰退期, 模块产生一些诊断记录, 描述一些可能发生的故障和故障迹象, 并将诊断和评估结果存入本地数据库。

5) 预测评估层:主要根据底层模块的相关数据信息, 按照一定的预测模型推断设备及零部件的有效工作时间。

6) 决策支持层:主要负责接收由各系统健康管理传递的各部件健康信息, 并依次参照数学模型和历史数据, 对当前、历史及未来的设备工作状态进行综合考虑, 给维护人员提供合理的有针对性的设备维护计划。

7) 表示层:表示模块主要作为和用户交互的接口, 可以从其他各层模块提取数据。用于系统的描述, 包括报警信息的显示, 故障诊断和评估结果、预测结果以及建议维护计划等信息的显示。

RDMS系统软件结构简图如图4所示。机载监控系统主要由本地数据库、数据采集模块、数据处理模块、状态监测模块、健康评估模块、预测评估模块、建议生成模块等七大模块组成, 其每个模块的功能作用在上面的内容中已经做了相应的介绍。而远程维护系统主要由远程数据库 (用于存储历史数据) 、数据预处理、多传感器融合算法、故障树决策、故障自学习等五大模块组成。

首先, 根据各设备工作机构的功能、原理以及由历史记录显示的故障发生率, 分析其危害性和分布状况, 剖析故障发生的原因和机理, 研究设备施工状态信息的实时获取技术, 并建立了具有扩展性的设备监测与诊断数据库。为了实时监测设备运行状态, 建立了设备实时状态监测模块。为了实现设备的故障诊断与性能评估, 建立健康评估模块, 充分利用企业、行业已有的经验、知识和技能, 建立设备故障诊断专家系统知识库, 进一步建立故障诊断专家系统。通过建立设备关键部件的剩余工作寿命预测模块, 实现零部件寿命预测。通过建立建议生成模块, 对设备的维修提供标准化模块, 对日常问题的解决提供专家级的经验和指导, 这样能够大大提高企业的生产效率和员工解决问题的能力, 并充分利用企业已有的经验、知识和技能, 解决目前设备运行管理中存在的现场维修能力差、故障解决周期长、直接影响工作进度的现实问题。

如图4所示, 系统首先采集设备关键零部件的实时数据, 将采集到的数据进行处理以后存入机载监控系统的本地数据库中, 把数据处理、状态监测、健康评估、分析与预测等程序进行封装, 开发设备的机载监控系统。通过对设备的关键和易发生故障部位进行监测、诊断与预测, 及时了解设备运行状态、故障情况以及剩余的工作时间。同时对设备的维修提供建议生成模块, 将企业内、甚至行业内的专家资源整合起来, 对故障问题的解决提供专家级的经验和指导, 并提供专家级的故障解决方案与维修建议。

同时, 在企业内部或科研单位建立远程监控中心, 设计以设备机载的故障诊断系统为客户端, 远程监控中心为服务器端, 建立设备的远程维护系统。远程监控中心通过通信网络在线收集位于不同工作地点各设备的运行状态数据, 并存储在远程数据库中, 实现远程数据备份和远程数据库管理;然后, 系统采用多传感器数据融合算法, 对多个传感器的数据进行信息融合, 提取征兆信息, 建立查询条件, 在推理机的作用下, 不断与知识库中的知识匹配, 作出故障诊断决策, 提供给用户。系统具有自学习功能, 故障决策经自学习模块反馈给知识库, 对相应的置信度因子进行修改, 更新知识库, 同时, 自学习功能可根据知识库中的知识, 利用工程师和用户之间的交互, 从设备中采集相关信息, 并对这些信息进行分析、处理, 在工程师的参与下修正故障树模型, 并将新学习的模型导入知识库, 不断完善和扩充知识库, 实现自学习功能[9]。因此, 根据远程维护系统内嵌的专家系统可以实现设备远程维护管理, 包括进行整合分析、判断、统计以及变化趋势分析, 并为施工中的设备提供远程报警、故障定位、故障解决方案查询等功能。设备维护工程师、企业内的专家等通过远程监控中心了解与掌握各设备运行状态、故障情况以及剩余的工作时间, 从而能够根据设备的现状制定出合理有效的故障解决方案或设备维护计划, 为设备现场的工作人员提供技术支持和服务。

4 结束语

长期以来, 现代铁路物流装备的维修采用计划维修方式, 这种维修方式存在着诸多弊端。CBM基于状态的维护是一种新型维护方式, 本文通过对现代铁路物流装备故障诊断及远程维护技术的研究, 探讨了CBM系统在现代铁路物流装备故障诊断与远程维护系统中的应用。文中以现代铁路物流装备为研究对象参照OSA-CBM体系架构介绍了RDMS的软硬件结构设计。基于OSA-CBM的RDMS的提出为实际应用系统的研制和开发提供了理论依据、实现方法和思路, 进一步促进了现代铁路物流装备基于状态维修管理方式的开展。

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远程维护与监测 篇8

关键词：HFC网络,远程监测,模块设计,软件功能模型,系统特点

0 引言

截至2015年底,全国有线电视用户2.39亿户,有线数字电视用户2.02亿户。杭州地区的有线数字电视用户也早已突破100万户以上,提升有线电视网络的运维水平,提高网络的服务质量,是有线电视、数字电视技术及网络发展的必然需求。

近年来广电行业推出了一系列国家及行业标准规范,对广播电视安全播出、系统运维、网络管理等方面进行了规范与要求。如《GY/T166-2000有线电视广播系统运行维护规程》、《GB/T20030-2005 HFC网络设备管理系统规范》,2009年又颁布《广播电视安全播出管理规定》(62号令)及实施细则,指导着各地有针对性地开展此项工作。由于各地有线电视网络结构、技术架构不尽相同,运维水平参差不齐;同时有线电视网络是星树型结构,存在设备较多、节点较多、监测设备成本高、构建信息回传通道较难等的问题,尽管标准与规范指明了方向,确定了目标,然而要对有线电视网络设备进行全面的指标监测,要达到规范中关于有线网络系统质量客观测试项目和周期的要求,还是有一定差距,长期以来,成为业界探索研究的重要课题。

有鉴于此,我们在多年来研发的具有多项专利的分布式在线网络监测设备的基础上,更新其硬件及嵌入式软件版本,开发出综合网管及专家分析软件。实现从有线电视前端到用户端的网络各个节点监测,通过它来实时或准实时采集包含设备运行指标和网络信号指标的一系列指标;信号类型涵盖有线数字电视信号、有线模拟电视信号、有线调频广播信号。这些指标信息经过IP网络回传到前端机房,首先集中呈现指标及其告警信息,再利用网管智能分析指标数据,并通过专家知识库来有效评价被监测区域的网络信号质量,从而达到有效、实时分析判断HFC运行质量的目的。

1 系统建设方案

1.1 系统实现难点

HFC网络运行远程监测系统开发的主要难点有:HFC网络指标监测设备的软、硬件工作机制,数据监测流程;监测模块和网络管理模块之间信号的通信响应保障方法;监测设备测量指标的准确性;提高监测设备在线率、系统稳定性;减少监测系统软件的误报率;整个系统软件架构;软件数据分析表单、数据库的设计;分析数据在软件中的界面呈现,如何使用软件的方法评判一个地区的网络运行状况?如何进行区域停播率故障分析?以及链路指标数据的趋势分析?预留与其它网管系统信息交换的接口及规范等。

1.2 系统总体架构

华数HFC网络运行远程监测系统由远端监测设备、局域网或GPRS网、监测中心服务器及分析软件等组成。远端监测设备可根据需要设置在有线电视网络中的前端、光节点、放大节点、用户端等任意节点,采集有线电视网络射频信号,处理后的数据通过局域网或GPRS网传送给前端监测服务器。服务器接收、分析、处理获得的数据,以图形或报表形式输出监测结果。该系统能实现实时测量某节点、定时轮询测量所有节点、出现故障实时报警等功能。

图1为系统架构示意图。

1.3 监测设备设计

监测设备包括监测模块和网络管理模块,工作原理是:输入监测设备的有线电视信号,经过RF信号前级处理电路,进入高频调谐器。当需要进行数字频道指标的测量时,高频调谐器输出的中频信号经放大后,进行A/D采样,在数字处理电路中经数字解调后,得到测量所需要的相关信息,经过数据处理后最终得到数字频道相关指标参数的测量结果。测量结果通过网管模块以TCP/IP协议方式远程传输给前端服务器。

监测设备为数据采集服务器提供API接口。通过SNMP协议,可提供监测设备的工作状态信息、报警信息,还可对轮询频点、轮询时间等参数进行设置。

图2为监测设备系统设计框架图。

1.3.1 监测模块硬件

监测模块采集输入的射频信号并加以分析处理,得到有线数字电视信号的功率电平、MER、BER指标,及模拟电视信号的图像电平、伴音电平、载噪比指标,经过参数软件补偿后,再将测量参数保存于存储器中,通过串口将数据传给以太网管模块。

1.3.2 监测模块软件

监测模块主要功能是测量有线电视信号的参数指标,有电平测量、MER、BER和C/N等参数的测量,同时具备斜率测量、扫描测量、频谱测量功能模块。

每个测量功能都需要通过模块软件来设计测量步骤。如电平测量划分为模拟频道测试、数字频道测试、单频率测试、载噪比测试等各种测量模式,设计A/D采样5次,调用补偿模块对采样结果进行补偿。MER测量是在测量当前频道电平值后,根据电平值的大小,决定是否开启运放,并将电平值限定在可测量范围内,之后再进行MER测量。

1.3.3 网络管理模块硬件

网管模块控制器为嵌入式开发平台,操作系统采用uclinux。它通过RS232接口和信号采集模块进行数据通信,从监测模块的存储器中取得测量参数,并和频道参数预设值进行比较,当监测参数不符合预设报警值时,将不符合的频道号及参数数据一起封装通过TCP/IP上传给服务器。

1.3.4 网络管理模块软件

网络管理模块可实现数据信息处理、数据格式转换功能。数据信息处理根据需要将数据分组打包、通过数据对比分析确认是否需要主动发包报警等内容。数据格式转换实现串口数据转换成符合TCP/IP协议的以太网数据格式,以满足远距离传输的要求。图3为网管模块软件流程图。

1.4 系统软件设计

1.4.1 软件功能模型

系统管理软件实现实时测量、定时轮询、实时报警、专家分析、报表输出等功能。软件功能模型示意图如图4所示。

1.4.2 监测数据采集

核心数据处理服务器通过SNMP协议向每个节点的监测设备发送SNMP请求,获取其当前频点的监测指标数据SNMP响应包,并对其响应包进行拆解,提取相关指标数据,并进行数据分析、组织归档。

1.4.3 数据存储及数据库

数据库采取了大容量内存缓存池和磁盘数据库相结合的方式。采集到的QAM指标数据会先放入内存缓存池中,设计每8个小时将当前内存缓存中的信息写入磁盘数据库中。WEB服务器和其他应用服务器可通过Webservice接口,优先在内存缓存池中查询相关数据。

内存缓存池和磁盘数据库中均包含电平、MER、BER、载噪比、频率偏移等QAM指标、报警数据、报表数据等信息。内存缓存池按照数据结构来组织、存储数据,内存缓存池中保持至少最近1天以上可调的数据信息;并向外提供数据库接口以供查询、处理数据。系统数据处理流程图见图5。

1.4.4 监测系统软件功能定制

监测系统具有用户参数管理、业务参数管理、历史数据查询、历史数据统计等4大功能模块。主要包括:

1.轮询控制:系统可以对各个节点的监测设备提供独立的轮询控制机制,且可以控制监测模块锁定特定的监测频点。轮询频点和轮询时间均可设置。

2. 报表制作:核心业务处理服务器提供日常业务报表生成、统计报表生成等业务处理功能,以辅助值班人员处理相应运维工作事务;报表内容包括:节点、频点、时间、电平、MER、BER、指标数据分析对比等。

3.历史数据查询:核心数据处理服务器定时对归档数据进行数据存储。持久化数据可被反复提取用于查看和报表制作。历史数据查询方法:确定节点、频点、时间段后,通过曲线图、柱状图的方式显示历史数据。

4.报警类型:系统报警类型主要有:监测设备故障、数据采集服务器故障、数据库服务器故障、WEB服务器故障、监测设备连接中断故障、心跳线连接中断故障等。核心数据处理服务器定期对归档数据进行内部模板比对,对处于异常状态的数据产生告警信息,并将告警信息以SNMP TRAP包的形式转发至监测客户机软件,用于UI呈现。

5.报警查看:可以按节点、时间、频点、报警类别进行历史数据查看,并可对查询数据提供报表功能,并提供饼图、曲线图统计数据显示、拓扑图报警等功能。

6.设置报警类型和阈值:可以自定义设置报警的类型和阈值,降低故障误报率。

7.系统设备的设置与管理:支持远程设置系统内设备参数、查询系统内设备运行状态、系统内设备的告警故障及定位分析。

B/S架构软件功能界面图见图6所示。

2 系统技术特点

2.1 实现有线电视网络指标大范围一体化实时自动监测

在HFC网络运行远程监测系统建设中,经过系统设计与架构、监测设备硬件开发、网管软件开发、网管信息传输网络规划与建设、监测设备布点等阶段,逐步建成了一个针对HFC网络系统运维的管理系统,突破了HFC网管标准监测对象与指标,增加MER、BER、C/N等射频指标的监测,相当于将稳定度较高的数字电视测量仪器部署在有线电视网络各节点,对于探索数字电视网络运行指标监测具有重要意义;监测的设备从光设备拓展到了分配网络的电设备,使得监控维护层面从骨干层逐步向用户层大范围发展,再综合系统采集的其它实时数据,就可在第一时间,准确分析出有线电视网络的节点状态,相比网络现场维护方式,可有效缩短有线电视故障排查时间,为HFC网络运维提供强大技术保障。

2.2 采用基于运维数据的大数据分析方法

HFC网络运行远程监测系统采用实时监测+轮询检测的方式进行HFC网络指标的数据采集。杭州地区有线网络共有40多个频点的数字电视节目,监测设备24小时不间断实时测量相关指标,多设备、长时间运行的结果使得测量的数据量非常大。据测算,以目前100个左右监测设备的规模测算,每天增加的测量数据大约在50多万条;随着监测设备的不断部署上线,加上实时报警数据,每天的测量数据量还将有所增加。系统通过定制大数据分析工具,准确分类显示各监测节点不同时段频道的指标测量分析结果;依据以往网络故障维护的经验分析,开发出符合本地运维需求的大数据专家分析系统,已成为网络运行维护的重要工具。大数据分析与专家知识库的建立是系统的重要功能应用。

2.3 安全可靠的网管业务信息通道

基于杭州数字电视HFC+IP网络架构,系统的信息回传链路是通过以太网络。华数数字电视宽带IP网络采用分层结构,通过POP机房路由转发,最终到达用户端。HFC网络运行远程监测系统的测试数据回传正是通过这一架构合理、运维保障措施得力的网络,传输至数字电视骨干机房和前端机房,并采用划分专用VLAN的方法实施网络信息回传:如将用户端的交换机更换为具有VLAN功能的,并统一规划好回传网络的IP地址,合理分配上层交换机的资源,打通前端与用户端的IP通路,使得测量指标数据能够稳定、安全地得以传输。

2.4 基于多业务的指标统一分析平台

杭州有线电视网络发展至今,传输的节目从单纯的模拟有线电视节目,到数字电视节目,乃至多种业务的数字信号;而不同的业务信号具有不同调制方式,不同信号强度,不同符号率,甚至不同的频带宽度等多种差异,在HFC网络运行远程监测系统的监测设备设计时,已将各类信号情况充分考虑,远端监测设备参照数字电视信号分析仪进行设计,符号率连续可调,在RF信号符合一定范围值的情况下,不仅成功锁定被测试的频点信号,又提高被测量信号指标的精度,进而分析出射频信号的一系列指标数据,使得HFC网络运行远程监测系统成为不同业务的统一分析平台。同时预留与上一级综合网管通信的统一协议接口,使多业务网管真正成为全业务融合的网管系统,为后续发展NGB网管系统奠定基础。

2.5 系统具备较好的稳定性

多年来的实践经验表明,系统运行的稳定性,是HFC网络运行远程监测系统建设成功与否的关键。监测设备硬件优化嵌入式结构,设计上采用模块化架构,优化监测设备下位机软件代码,使程序执行效率更高,在软硬件基础设计上提高运行稳定性;系统综合了B/S和C/S架构的优点;采用可视化JAVA编程语言开发工具及SQL数据库技术,优化软件代码结构,以及软件测量工作、数据分析、数据通信等流程,在系统软件架构与通信机制上保障系统运行的稳定性;充分利用华数宽带网络的优势,建立具有华数特色的安全网管信息传输网络;同时在监测设备嵌入式软件设计时,优化监测设备重启机制,维持监测设备与网管软件之间的正常通信,确保监测设备长时间不间断运行。正是基于上述几个因素,使得HFC网络运行远程监测系统具有真正的实用价值。

鉴于上述HFC网络设备指标监测相关技术上的创新与特点,本系统建设项目获得了2015年广电总局、浙江省广播电视科技创新奖。

3 结束语

华数HFC网络运行远程监测系统是基于有线广播电视网络技术发展趋势,按照总局关于广播电视网络安全播出管理要求以及相应的运行维护规程,进行规划设计建设。经过2年多时间的实施项目过程,历经项目立项,项目规划,硬件开发、软件编程、网络建设、监测设备布点、综合联调与改进等各个阶段。监测设备采用模块化设计架构;优化下位机软件与系统管理软件结构、流程以及通信机制。逐步克服项目研发中的难点,在监测设备布点时,尽可能选择具有典型代表意义的网络节点,在网络架构上保障链路的正常通信,提高设备运行的稳定性。系统建成后运行平稳,设备网络工作正常,为有线电视HFC网络实时监测主要网络指标奠定了坚实的基础。

系统实现对有线数字广播电视网络中播出信号的实时监测,及时准确地报告事故地点、故障类型,为网络维护部门提供有价值的指标告警数据与信息,为及时处置故障,提供可靠的技术保障;系统软件数据分析可作为评判区域有线电视网络信号质量维护状况的参考依据;可实现所监测区域网络指标的自动巡检,提高了网络运维工作效率。对加强有线数字电视网络的安全管理,确保有线广播电视安全播出、提升运维网络品质具有重要意义。

参考文献

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[2]李晓飞.基于SNMP的开放式HFC网络综合管理系统的研究[D].西安:电子科技大学,2014.

远程维护与监测 篇9

关键词：嵌入式,无线传感器,无线监测,GPRS

1 引言

目前国内大部分地区的监控设备采用固定电话等有线通讯方式, 有的甚至无任何远距离通信功能, 采用人工方式进行监理, 不能远距离传输数据, 传输速率低下[1]。文献[2]提出一种采用单片机+GPRS+Zigbee的无线监控系统, 由于单片机速度、性能等条件的制约, 系统后期升级受到一定限制。本文提出一种基于嵌入式平台将无线传感器网络和移动通信网络有机结合起来的工业监测分布式系统。系统采用两级组网方式, 简化了仪器仪表设备之间的物理线路连接, 不仅简化了系统复杂度, 还可以降低成本。解决了数据采集系统和控制设备之间的数据传输问题。 (1)

2 总体设计方案

本系统结构框图如图1所示, Zigbee无线传感器网络采用星型拓扑结构设计, 即由一个Zigbee协调者 (Coordinator, coord) 和多个Zigbee终端 (ReducedFunctionDevice, rfd) 组成。各个Zigbeerfd连接各个设备, S3C 2410嵌入式处理器通过串口分别连接Zigbeecoord和GPRS模块, 基于linux2.4.18操作系统平台完成分布式无线远程设备监测功能。

远程用户可以通过两种方式监测各设备数据, 第一种被动形式, Zigbeerfd实时采集设备监测信息, 当监测信息超出了用户设定的范围, 通过无线传感器网络发送信息给Zigbeecoord, Zigbeecoord通过串口将信息转发给嵌入式平台, 嵌入式平台立刻通过AT命令配置GPRS模块, 将收到的信息以短信息的形式发送给远端用户;第二种主动形式, 用户可以通过发送特定短信息的形式给嵌入式平台, 例如“?设备号”, 嵌入式平台收到短信后给Zigbeecoord一个中断信号, 利用Zigbeecoord通过查询的形式读取各个Zigbeerfd设备数据, 并以短信息的形式发送给用户, 使用户随时随地了解工控现场的状况。下面从硬件组成和软件实现两部分详细讲解设计过程。

3 硬件组成

3.1 嵌入式平台

嵌入式平台利用S3C 2410微处理器做为整个系统的控制中心, 扩展了64M FLASH、64M SDRAM。S3C 2410是一款基于ARM 920T内核的高性能、低功耗、低价格的微处理器。内部采用高级微控制总线 (AMBA) 体系结构, 主频高达203MHz, 集成三通道UART[3], 其中两个串口, 分别连接一个Zigbeecoord和GPRS模块。

3.2 Zigbee模块

Zigbee模块采用TI公司推出的一款符合IEEE 802.15.4规范的SOC射频收发器———CC 2430。该芯片在内置80c51核的基础上整合了ZigBee射频 (RF) 前端和内存。具有128KB可编程闪存和8KB的RAM, 还包含模拟数字转换器 (ADC) 、AES128协同处理器以及21个可编程I/O引脚, 其中, P0、P1口是完全的8位口, P2口只有五个可使用的位[4]。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节, 可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。因此, 需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。大大降低了硬件开发周期和成本, 最大程度地降低了系统开发风险。Zigbeecoord通过DB 9公口插座连接S3C 2410嵌入式平台的串口1。

3.3 GPRS模块

GPRS (通用分组无线业务) 支持TCP/IP、PPP协议和透明数据传输, 理论带宽171.2kbps, 实时在线, 按数据流量计费。本系统GPRS的模块采用的是WAVECOM公司的GSM/GPRS双频SIM 300v7.03, 内嵌TCP/IP协议栈。通过异步通信接口与S3C 2410嵌入式平台的串口2相连, 使用AT命令实现GPRS通信。

4 软件设计

4.1 S3C 2410嵌入式平台控制设计

由于本系统是在嵌入式操作系统平台上开发, 支持多线程编程。根据需要, 主程序设计建立了四个线程, 分别是串口发送、接收线程, 短信发送、接收线程, 它们各自单独运行, 分别处理自己的信息, 各线程间通过全局变量完成相互通讯。

多线程在并发执行时可以按系统的实际情况让各线程间互斥或同步。本系统中用互斥锁来实现互斥, 用信号量来实现同步。

信号量本质上是一个非负的整数计数器, 它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时, 调用函数sem post () 增加信号量。只有当信号量值大于0时, 才能使用公共资源, 使用后, 函数sem wait () 减少信号量。

由于Linux引入了设备文件的概念, 读写串口数据可以像读写普通文件一样进行操作。

4.2 GPRS短信息收发设计

前面提到本系统通过两种方式监测各设备数据, 第一种被动形式比较简单, 由于篇幅有限, 不再描述, 本次主要讲授第二种, 既远程用户通过短信查询的形式实时掌握某联网设备状态信息。首先, 串口2的初始化、GPRS模块的初始化, 然后, 通过gprs read () 函数判断是否有短信息, 如有短消息则调用gprs read msg () 函数激活读线程, 读SIM卡中第1条信息赋值给全局变量Sd, 为防止溢出, 立刻清除串口缓冲区, 删除SIM卡中第1条信息。最后, 根据Sd的值判断要查询的设备x当前信息, 通过Zigbee网络查询设备x当前信息, 通过gprs resply msg () 反馈函数利用AT命令将设备x当前信息发送给某固定手机。主要流程如图2所示。

4.3 Zigbee网络收发设计

本系统的Zigbeecoord建立网络并对网络进行监控, 接收从Zigbeerfd传入的信息并通过串口传给S3C 2410嵌入式平台;接收从串口传入的信息并执行相应的处理, 即发送信息控制Zigbeerfd。

本系统的Zigbeerfd与设备相连采集设备当前状态和数据信息, 控制设备的状态;申请加入网络并及时将收集到的信息发送给Zigbeecoord;接收从Zigbeecoord传入的控制信息并做相应的处理。

4.3.1 Zigbeecoord节点设计

首先, Zigbeecoord节点扫描信道, 寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络, 如找到合适的信道, Zigbeecoord节点建立一个新网络, 为新网络选择一个唯一的PAN标识符, 并为自己选择一个16bit的网络地址, 16bit的网络地址在整个网络中是唯一的, 也就是802.15.4中的MAC短地址[3]。当有Zigbeerfd节点加入网络时, Zigbeecoord节点给它分配一个在该网络中唯一的网络地址, 并接收来自Zigbeerfd节点的第一帧 (节点代号) 保存在网络表里。以中断的形式接收来自串口的控制命令和Zigbeerfd节点的信息帧;将收到的串口命令以帧为单位存入串口命令缓冲区ttyc in;将来自Zigbeerfd节点的信息帧存入无线接收缓冲区rfd in。查询串口命令缓冲区ttyc in和无线接收缓冲区rfd in;若串口命令缓冲区ttyc in有控制命令, 解析并通过无线方式传送给Zigbeerfd;若缓冲区rfd in有Zigbee rfd节点的信息帧, 通过串口传送给嵌入式平台。

4.3.2 Zigbeerfd节点设计

首先Zigbeerfd节点进行初始化、加入网络、获得Zigbeecoord节点为其分配的网络地址、发送本节点的第一帧节点信息帧 (节点代号) 给Zigbeecoord节点。每隔30s查询本节点中各传感器的状况, 将此时状况信息与用户设定的范围比较, 当采集的数据超出了用户设定的范围, 将此数据存入无线发送缓冲区send to Coord, Zigbeerfd节点产生发送中断, 发送数据给Zigbeecoord, 此时中断优先级最高;若有来自Zigbeecoord节点的查询命令, 则将命令存入无线接收缓冲区Coord in后, 将查询的结果存入无线发送缓冲区send to Coord, 发送给Zigbeecoord节点。

5 实验结果与分析

我们在本系统设计过程中构造了10个Zigbee节点的小型网络。在Zigbee模块之间可视距、网络不繁忙、网络质量较好且发送数据量小于128Bytes时, 通过嵌入式平台向用户发送异常短信时, 用户短信接收正常, 但用户向嵌入式平台发送查询短信, 自动回复短信有较短暂延迟, 但当短时间内多次向嵌入式平台发送查询短信, 会引起GPRS数据包丢失或数据溢出。这主要是因为选用的SIM 300模块缓冲区较小造成, 需要适当控制网络数据流量。

本系统与传统技术相比, 无需布线, 大大缩短建设工期, 并且速度快, 系统稳定性、可靠性更高, 便于后期软件升级, 可以广泛应用于工业自动监控等监控点比较分散的领域。

参考文献

[1]佘青山, 苏宏业, 董利达.基于CDMA/GPRS/RADIO技术的无线环境监控终端设计[J].化工自动化及仪表, 2006, 33 (3) :39-43.

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[3]Samsung Semiconductor.S3C2410A 32-Bit RISC Microproces-sor[M].Samsung, 2004

远程维护与监测 篇10

核能给人类带来了巨大的经济和社会效益, 但核安全问题不容忽视。在核事故发生时, 为有效保护环境、保护公众安全、减少损失, 须及时做出正确的应急辐射评价和应急决策, 而核事故现场的气象环境是做出应急决策的一项重要依据[1,2]。

针对高危核辐射环境下进行长时间远程监测的问题, 文中设计并实现了气象参数远程实时监测节点, 可在无人值守情况下将现场温度、湿度、风向、风速及GPS定位信息传送到监控处理中心。监控处理中心对远程监测节点传回的数据经综合处理后, 可及时的预报、评估和预测核辐射的现状及发展趋势, 在核事故应急决策中具有非常重要的意义。该远程监测节点采用太阳能供电技术, 可解决野外长时供电问题, 并采用低功耗设计, 可长期工作在无人值守的野外恶劣环境中。

2 系统设计

2.1 系统整体设计

远程监测系统的组成如图1所示, 该系统包括远程监测节点和监控处理中心两个部分, 远程节点采集到的现场数据通过以太网实时传输到监控处理中心, 监控处理中心根据获取到的现场气象信息, 通过综合处理后可及时的采取相应的应急措施。其中远程监测节点是系统设计的重点和难点, 该远程监测节点采用低功耗处理器STM32F407作为主控器, 外部配置了大量的传感器模块, 主要包括温湿度测量模块、GPS模块、风向测量模块以及风速测量模块。实时获取的野外现场气象信息通过以太网接口模块传输到远程监控中心, 考虑到远程节点在野外供电比较困难的问题, 我们采用太阳能供电方式, 可解决野外无人值守环境下的长期供电问题。

2.2 STM32F407嵌入式系统模块

基于处理器STM32F407的监控节点包括STM32F407最小系统和与各个传感器的通信接口。温湿度传感器采用I2C总线接口, 本设计中采用STM32F407的通用IO口模拟I2C总线来进行通信;分别采用两个串行通信接口与GPS模块和风向传感器模块进行通信;风速传感器输出的是脉冲信号, 设计中将风速传感器输出脉冲信号引脚直接与STM32F407的中断口相连, 处理器通过对脉冲频率进行计算后可间接得到风速值。

本设计中的风向传感器采用XFX-WD, 该传感器内部采用精密电位器, 低惯性轻金属风向标响应风向, 动态特性好, 具有量程大、线性好、抗雷击能力强、观测方便、稳定可靠等优点。处理器STM32F407采用串口通信接口与该风向传感器进行通信, 处理器向风向传感器发送相应的指令后可对传感器进行相应的设置, 并读取出实时的风向信息。

2.3 风速传感器模块

本设计中的风速传感器采用XFX-WS, 该传感器采用传统三风杯风速传感器结构, 风杯选用碳纤维材料, 强度高且启动好;杯体内置信号处理单元能根据需求输出相应风速信号。该风速传感器模块以脉冲的形式间接提供风速数据, 处理器根据接收到的脉冲信号频率进行计算后得到实际的风速数据。

2.4 温湿度传感器模块

本设计中的温湿度传感器模块采用SHT15, 该传感器是一种新型传感器, 将传感器、信号放大及调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上, 具有全校准相对湿度及温度值输出, 实现了温湿度传感器的数字式输出, 且免调试、免标定、免外围电路, 极大地方便了在嵌入式测控领域的应用。该传感器湿度值输出分辨率为14位, 温度值输出分辨率为12位 (可编程为12位或8位) , 具备CRC数据传输校验功能。STM32F407采用通用I/O口来模拟I2C总线与温湿度传感器进行通信, 其中DATA数据线需要外接一个上拉电阻。

2.5 GPS模块

目前市场上出售的通用GPS模块较多, 本系统采用GPS模块QE-GPS93, 该模块集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU, 并加上相关外围电路。GPS模块收到卫星信号后能快速得到定位数据, 定位数据按照规定的数据格式 (包括经度、纬度、高度、速度等) , 通过串口每1秒向外输出一次定位信息。STM32F407无需参与卫星定位的相关处理, 直接通过串行接口即可获取GPS模块输出的定位信息, 硬件电路设计和软件设计都十分简便。

2.6 以太网接口模块

该远程监测节点具备以太网通信功能, 现场获取的气象参数和地理位置信息通过以太网传输出去。本设计中选用DP83848VV作为以太网控制器, 该控制器具备100M的传输能力。为了进行以太网通信, 需要在STM32F407上移植TCP/IP协议栈, 由于远程监测节点是采用的嵌入式系统, 系统资源有限, 所以我们选择了轻量级协议LWIP, 该协议在保持TCP协议主要功能的基础上减少了对RAM的占用, 只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行, 所以L W I P协议栈非常适合在低端的嵌入式系统中使用。本设计在STM32F407上移植了LWIP协议, 通过UDP方式与远程监控中心进行通信。

3 监测节点软件设计

远程监测节点的程序设计框图如图2所示, 主要包括三个部分:主程序、风速测量程序和中断程序。

主程序中流程如图2所示, 上电启动后首先对系统进行初始化, 包括处理器STM32F407的时钟、外设端口、串口、中断等的初始化, 接着对以太网芯片和相关协议参数进行设置, 随后进入主体循环程序:风速测量、风向测量、温湿度测量以及以太网处理程序, 由于GPS模块会每1秒会自动通过RS232接口向处理器发送定位信息, 所以我们采用串口中断的方式对获取的GPS信息进行处理。

4 实验及结论

远程气象监测节点设计完成后做了实时监测试验, 远程监测中心用一台带网络接口的普通计算机代替。在计算机上运行监测应用程序, 远程监测节点传来的数据将实时的在屏幕上显示出来根据远程监测节点提供的数据, 在危急情况下, 决策部门可据此作出应急响应。

文中设计的核辐射环境下远程气象参数监测节点, 可实时采集风速, 风向、温度, 相对湿度和GPS定位信息, 采集的数据通过以太网传回监控处理中心。

参考文献

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