车辆实时监控系统研制（共8篇）
车辆实时监控系统研制 篇1
摘要：本文介绍了一种基于CAN总线通信技术、GPS全球定位技术、GPRS移动通信技术等为一体的试验数据采集传输系统,通过该系统在重型电控柴油商用车上的应用,解决了汽车道路试验中环境极端、工况复杂、里程长,数据繁杂、试验数据无法及时、准确获取等问题,重点讲述了车辆道路试验数据实时采集方法的实现。
关键词：道路试验,CAN总线,数据采集,GPRS
前言
整车试验是车辆性能的最终检验,起着至关重要的作用。整车道路试验一般少则数千公里,多则数万公里,而且多会选择在汽车试验场、寒冷地区、高原地区、炎热地区进行,要想获取这些不同地区、不同环境、不同工况下车辆试验的数据,按照传统的方式必须在车辆上安装数采设备,记录各种试验数据。试验完成后再进行数据分析,根据分析结果对车辆性能进行评估和改进。而这种传统数据获取方式有数据获取周期长、试验投入大、获取数据量有限、受试验设备影响数据时效性无法保证等缺点。所以在整车道路试验中非常有必要建立车辆信息的实时采集系统,用来对道路试验车辆数据进行远程获取、远程监控。
通过远程传输系统将采集的试验数据发送到监控中心可以使产品开发工程师及时了解汽车动力系统各部件的运行状况,同时也为多个车辆进行道路试验提供有效的管理手段。针对这种情况本文结合目前先进的车辆CAN总线通信技术、GPS全球定位技术,GPRS移动通信技术,Internet WEB服务技术解决了汽车试验中数据不能实时采集传输的问题,并在重型电控柴油商用车试验中得到了初步的应用。
1、数据实时采集系统的设计
1.1 采集系统功能描述
数据采集系统分成车辆监控、车辆服务、试验路线管理、研发应用、系统管理五个主功能模块,主模块下又有若干个子模块,其具体结构见图1。
车辆道路试验数据实时采集系统,是Telematics技术的具体应用。Telematics将无线通信技术引用到汽车行业,通过无线网络为用户提供导航、定位、交通信息、娱乐信息等内容的服务,实现真正的人-车-路的通信中枢。它集汽车CAN总线通信技术、GPS全球定位技术,GPRS移动通信技术,Internet WEB服务技术等综合应用于一体。
1.2 数据实时采集系统的硬件组成与架构
1.2.1 系统结构
道路车辆数据实时采集系统主要由车载终端、数据库及WEB服务器、服务平台软件、数据分析软件等组成。系统架构如下图2所示:
安装在车辆上的终端模块和传感器,采集车辆定位信息、CAN总线中的ECU数据,通过GPRS网络实时发送到远程管理服务平台的数据库服务器,然后由WEB服务器获取数据库中的数据,为用户提供24小时不间断的WEB服务。用户在任何地点,通过internet网络访问远程管理服务平台,获取车辆的车速、发动机转速、油耗等车辆工作状态数据,随时分析车辆的运行状况。
1.2.2 车载终端
车载终端主要由CPU单元、CAN总线控制器、CAN收发器、GPRS通信模块、GPS模块五部分组成。
电源管理负责车载终端所有部件的电源供电;CAN接口和通信单元一方面负责把整车CAN总线上的车辆状态信息、故障信息读取到车载终端,另一方面把数据采集器采集的信息收集到车载终端;CPU单元负责把综合的CAN信息和接收到的GPS信息以GPRS的方式发送到远程管理服务平台。
1.3 数据采集方式的实现
①多种类型模拟量信号进行采集传输流程的实现
将CAN总线数据采集器或传感器连接到车载终端,终端根据预先定义好的协议获取传感器的参数,这些参数可以是温度、压力、电流、转速、位移等。如果将ECU CAN总线并联接至车载终端,就可以同时获取这两部分的数据。通电后,终端会将这些数据发送到远程的管理服务平台,用户可以在能连接到Internet网络的任意一台电脑上,通过权限认证登录管理服务平台,浏览或下载这些数据。
②故障远程诊断的实现
当车辆在试验过程中发生故障时,ECU会第一时间将故障码发送到CAN总线上,通过J1939协议解析故障报文,获取各个故障代码,然后与其它数据一起进行数据编码,通过GPRS网络发送到远程服务器,远程服务器将这些数据存储到数据库中,以备WEB服务器实时的访问。用户通过管理服务平台查看车辆是否发生故障,如果车辆的故障指示灯变成红色(有故障),就可以点击解析按钮,服务平台软件会自动访问故障码解析数据库,获得这些故障的发生位置、原因和解决建议等信息,并显示给用户。
③DBC文件
DBC文件是CAN报文与车载终端沟通的桥梁,将标准CAN报文转化为终端能够识别的代码。为了使车载终端能够准确的解析发动机、ABS等总成发出的CAN报文信息,我们使用CAN总线协议文件编辑器软件,对汽车总成发出的CAN报文进行编辑,形成了针对该车型的DBC文件,然后嵌入终端的SD卡,实现数据的采集及解析。
2、应用验证
该系统在某公司生产的六个重型电控柴油商用车的试验中得到了初步的应用,其开展的试验有汽车试验场的道路可靠性试验、不同地区的道路适应性试验、油耗对比试验等。解决了试验中数据不能实时传输的问题,实现了对试验车辆的管理,部分试验结果见图3、图4。在应用中我们发现相比传统的GPS监控系统,车辆远程通信系统具有如下多个方面的优势:
可以通过CAN总线连接车辆ECU,获取车辆转速、油耗等参数,可以监控车辆的燃油消耗量,还可以通过CAN总线扩展传感器实现模拟信号的采集,具有更完整的数据采集能力;
具有车辆轨迹回放、按照路况进行统计的功能;
具有远程诊断功能,随时发现车辆存在的故障,解除安全隐患;
本系统是实时监控系统,相比很多采用短信等方式传输的GPS系统,传输速率更快,可以更快更准确的了解每台车的具体位置。
3、总结
(1)本系统完成行驶数据实时监控、记录(包括:瞬时油耗、车速、发动机转速、总油耗、发动机工作时间、巡航时间、百分比负荷、油温、油压等)每辆车的历史记录、行驶轨迹等信息。所有的数据都实时进行存储。为研发人员提供充足的分析数据。
(2)实时获取ECU故障代码,监控中心软件完成故障解析,给用户提供故障产生位置、原因及排查方法。这些数据都会记录在数据库中,研发人员可以实时查看车辆的故障信息,为维护人员提供更多的维修建议,而且也可以为车辆设计改进提供参考依据。
(3)监控中心存储的数据库,为研发人员提供了海量数据,可以在该基础上进行诸如车辆速度统计、车辆行驶里程统计、车辆油耗统计、车辆作业统计、车辆故障统计、多车辆对比等分析,也可以进行设计模型的验证。
参考文献
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车辆实时监控系统研制 篇2
基于GSM的车辆信息远程实时查询系统设计
结合交通警察在交通管理工作中对车辆信息远程实时查询的需求,构建了车辆远程实时查询系统,提出了基于GSM及数据调制解调器的信息查询原理,并依系统的`组成,选择了短信息数据调制解调器,给出其与服务器RS232端口联接方法,列出了系统的程序开发伪代码.系统经过运行实验能够满足使用需求.
作 者：闫光辉 戴明 YAN Guang-hui DAI Ming 作者单位：闫光辉,YAN Guang-hui(天津工程师范学院汽车与交通学院,天津,300222)戴明,DAI Ming(中国交通通信中心,北京,100011)
刊 名：天津工程师范学院学报 英文刊名：JOURNAL OF TIANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION 年，卷(期)： 19(2) 分类号：U491 关键词：车辆信息 远程查询 GSM 系统设计智能式水位实时检测系统的研制 篇3
本文介绍的智能式水位实时检测系统主要用于水位实时检测记录,适合于野外江河等自然水位或灌区水位检测,为实现水库水位调度自动化及排涝灌溉泵站的自动化提供技术支持。系统主要由下位机和上位机两部分组成,下位机完成对水位高度的实时检测、数据处理、贮存及与上位机之间的串行通信,上位机主要完成采集数据的传输、处理、汇总和分析。实时时钟、采样时间间隔、系统线性误差及传感器非线性误差修正系数等参数均由上位机设定或修正,并通过串行中断的方式现实上下位机的通信连接[1]。
1 硬件系统结构
1.1 单片机及外围线路原理
水位检测系统下位机的单片机及外围线路原理图如图1所示。其中单片机选择了PHILIPS公司近期推出51LPC系列中的P87LPC764 OTP单片机,该系列单片机采用80C51改进型MCU、增加了WDT看门狗、I2C总线及PWM输出[2]。
存储器选用了新型、大容量Flash:MM36SB020。MM36SB020是MEGAWIN公司生产的低功耗、大容量串行e-Flash存储器。存储空间为2Mbits,由52048个页面组成,每个页面为128字节。
实时时钟芯片选用了PCF8563,低工作电流:典型值为0.25μA,大工作电压范围:1.0~5.5V,所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。
由于P87LPC764为非总线结构,因此A/D转换器选择了八位三线串行A/D转换器TLC8031CP,其分辨率为1/25,。达到了系统技术指标的要求。同时选择了MAX6129_EUK25-T超低功耗、串联型电压基准为A/D提供2.5V基准电压。该串联模式电压基准有2.5V至12.6V宽电源电压范围、5.25µA(最大)超低电源电流和200mV低压差特性使其器件非常适合电池供电系统。
RS232串口驱动芯片采用了MAX232并通过串行中断的方式现实上下位机的通信连接。
1.2 传感器及信号调理电路
水位传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器[3]。传感器的信号调理电路如图2所示,水位信号经MPX压力传感器变为电信号,再送入放大电路,进行调理后输出到A/D模数转换。
信号调理电路的工作电源VDD2由间隙性工作的电源管理线路提供,而MPX压力传感器的工作电压由HT7130-1电压调整器调整成3V电压提供。
放大器采用三个OP07运算放大器,它组成一个仪表放大电路,具有高差模增益和高共模抑制比,输入阻抗高。差模放大主要由AR2完成,AR1、AR3为电压跟随器,线路要求R5=R7,R6=R8,并要求有较高的一致性,线路的增益GAIN=R6/R5。
1.3 电源管理及信号采集
由于实时时钟芯片及掉电状态下的单片机应处于长期的电源供电状态。而其它线路处在间隙性工作状态,以延长蓄电池的工作时间,因此采用了间隙电源管理方式,如图3所示。
其间隙性时间长短由实时时钟芯片PCF8563的8位的倒计数器定时产生,每次计数结束,产生一个中断(INT),每个计数周期产生一个脉冲作为中断信号,用于对进入掉电状态的P87LPC764进行中断唤醒,控制图3中的T1 5551三极管导通,VDD2上电,进行一次水位数据采集及存贮。最长采集间隙周期为4小时,而系统的最小采样周期为1分钟。
由于间隙数据采集的特点,在上电后,必须等传感器处于稳定工作状态后,才可采样,因此必须进行一定的延时稳定。
2 下位机软件设计
下位机软件的设计主要包括主程序及串口中断服务程序的设计。主程序流程主要包括VDD2上电延时、PCF8563时钟信号读取及贮存、水位数据采样及处理、PCF8563计数定时启动、掉电状态进入程序、掉电状态中断唤醒程序等模块组成[4]。
水位数据一次采样采集10个水位数据,软件滤波、误差修正后,送存储器保存。间隙性时间长短由实时时钟芯片PCF8563的8位的计数器定时产生,其最长定时时间为255分钟,而最小定时时间设计为1分钟采集一次。
3 上位机软件设计
上位机软件设计主要包括利用Mscomm控件实现RS232串口的数据通信;水位数据采集、传输、保存、查询;利用picture控件实现水位历史数据的曲线绘制;下位机实时时钟设置、水位采集时间间隔设置、系统误差修正、传感器误差修正等模块。
3.1 Mscomm串口通信软件设计
Mscomm控件可提供两种处理通信方式:事件驱动方式及查询方式。本系统采用事件驱动方式,实现接收下位机器从串口传输的数据和对下位机的参数设置。事件驱动方式相当于程序中断方式,当串口发生事件或错误时,Mscomm控件会产生Mscomm事件,用户可以捕获该事件进行处理[5]。
3.2 上下位机交互软件模块设计
上位机与下位机交互的软件模块有:联机测试模块、下位机的参数设定模块(包括下位机时间设定、下位机水位数据记录清除、下位机零点水位的标定、水位采集时间间隔的设定)、误差修正模块、上传下位机水位数据模块。
3.3 水位记录查询模块设计
在水位记录查询模块中,可以选择某一天的某一时间点的水位历史数据进行查询。该模块通过Datacom控件进行日期和时间的选择,确定要查询的某天的那个水位采集时间点,然后水位数据会在“数据记录”栏中显示。
4 结束语
智能水位实时检测系统实现了以下的主要功能及技术指标:
1)通过微功耗及间隙性工作控制技术,采用一个6V/4A的蓄电池供电,能连续正常工作6个月时间。
2)在5分钟采集时间间隔情况下,可贮存6个月的水位实时数据。
3)采集时间间隔可通过上位机设置,设置时间范围:1—255分钟。
4)具有系统误差及传感器非线性误差修正功能,其中系统误差修正可在检测现场进行。
5)通过上位机软件可进行历史数据查询、分析及打印。
摘要：通过对PHILIPS公司P87LPC764 OTP单片机的开发应用,研制了智能式水位实时检测系统,重点阐述了单片机及外围线路、传感器选型及信号调理、电源管理等硬件线路设计,并对单片机下位机及上位机数据采集的软件设计进行介绍。
关键词：水位实时检测,压力传感器,单片机,软件设计
参考文献
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[3]龚沛曾,陆慰民,杨志强.VisualBasic程序设计简明教程(第二版)[M].高等教育出版社,2003.
车辆实时监控系统研制 篇4
电子信息技术的出现以及电子商务的发展,给物流行业带来了新的机遇和挑战。与传统的物流过程相比,现在的物流过程加入了更多信息化的元素,提高了物流的生产效率,改进了资源分配和调度管理的科学性,这大大提高了企业竞争力。目前, 很多物流环节仍存在着可提升的空间,如效率不高、监控无效、 资源浪费等。比如,对于物流车辆的监控管理主要还是集中在车辆出发,抵达目的地两个时刻,而忽视了物流车辆运输途中监控的重要性。物流车辆在途的信息管理仍存在很多漏洞,这将导致资源、时间、人力的浪费,应该得到进一步的改善。
1国内现状及系统改进
1. 1国内现状
20世纪80年代,日本和欧洲的一些发达国家已经出现了能够提升车辆运输效率以及安全性的智能系统,90年代,以GPS定位技术为研究热点的智能交通系统得到关注［1］。随着物流行业的发展,智能系统在物流行业中得到广泛的应用,其精确、稳定、透明、高效的优势为物流业带来良好的收益。在我国, 虽然动态实时获取数据的智能系统应用较晚,但目前也得到了应用,大大提升了企业的效率。
目前的物流车辆监控技术主要是基于GSM/GPRS的无线通信技术,在主控端结合地理信息系统( GIS) ,利用GPS技术, 来完成对物流车辆的实时监控、调度以及信息管理［2］。这种技术方案很好的实现了对物流车辆的监控管理,大大提升物流工作效率。但是仍旧存在一些问题: 第一,GPS技术的定位会受到很多外界因素的干扰,比如当电离层,对流层干扰时,就会产生误差。同时,在大城市或者山区里,高层建筑及树木等对信号也会产生影响,用GPS测量,往往出现数据一直处于浮动状态、假固定或者不能固定的情况,这会导致较大的数据误差,这样的定位并不利于控制中心做出正确的决策。第二,GSM/GPRS数据业务的传输速率较低,难以满足越来越大的数据流传输需求。 第三,没有明确的物流车辆在途管理方案,应对紧急状况的能力还不充分。第四,车辆的路径选择主要依靠经验,效率低下,不便于管理。这些问题的存在,将导致信息传递不及时,信息失真, 信息无效,信息不全面等现状,企业需要更加完善的监控系统。
1. 2改进方案特点
本文在现有方案的基础上,提出一种高效、精确、便捷的动态实时获取物流车辆数据系统,提升物流车辆监管的效率,帮助控制中心作出正确的决策,保证物流车辆在途过程中实现路径最优化、路径透明化,减少人力、物力的浪费。
本系统的特点主要体现在以下几个方面: ( 1) 系统利用路径关键点定位数据对车载GPS定位数据进行比对、校正,提升控制中心定位精确度。( 2) 在路径关键点处实现不停车监控、 测速、信息交换,工作效率高。( 3) 物流车辆与监控中心实时信息共享,便于调度、管理、处理应急事件。( 4) 控制中心利用基于蚁群的路径优化算法软件,指导物流车辆选择最优路径。 ( 5) 系统内采用3G网络进行通信,提升系统内通信质量。
2系统总体结构原理及设计
本文所研究系统针对物流车辆进行高效精确的实时动态监控,同时具有对运输路径进行优化指导的功能。该系统中每辆物流车辆都配有GPS车载终端,以便在控制中心及时获取信息对车辆进行定位追踪。同时,在沿途路径关键点安装有RFID读写器采集车辆信息,采集点设有摄像机记录车辆的视频信息, 以备查询,这些数据被实时传送到控制中心管理系统。在控制中心管理系统数据库存有路径关键点的详细位置信息,每当有采集信号传送过来,控制中心管理系统会将此时GPS定位数据与关键点数据进行对比,计算目前GPS定位的精度,并将关键点位置信息存入当前物流车辆位置数据库。整个系统数据交换过程采用3G网络,能极大地增加系统容量,提高通信质量和数据传输速率。在控制中心的远程车辆智能管理系统上,系统可以根据以往的数据反馈,根据将要出发的物流车辆任务需求或者应急事件,由系统的路径优化算法自动模拟生成最优路线,并以此指导出发车辆。该智能管理系统将所有物流信息汇总显示在控制中心的客户端显示屏幕上,实现高效清晰的可视化管理。 该系统整体结构框图如图1所示。
车载终端安放在驾驶室,进行车辆实时定位、位置信息反馈,并且在相连的液晶屏幕上进行实时的路径显示,给驾驶员以最清晰的反馈。物流车辆的信息识别系统由RFID电子标签和路径关键点的RFID固定读写器组成。远程物流车辆智能管理系统控制中心包括: 智能管理系统应用服务器,智能管理系统数据库服务器,管理员客户端以及路径优化算法软件。数据库服务器由多台高性能设备组成,为应用服务器提供数据支持,管理人员通过客户机进行操作管理。
3系统各主要模块设计
动态实时获取物流车辆的数据系统的设计因为新技术的产生而改良,因为企业追求更高的效率而改进。本系统利用了物联网［3］中应用最广的RFID射频识别技术［4，5］,RFID电子标签［6］因其防水、防磁、耐高温、识别距离远、具有穿透性、可重复读写等优势在零售、自动识别、车辆管理等领域得到广泛应用。
本文所设计系统主要由路径关键点、电子标签、车载终端、 控制中心四部分组成。
3. 1路径关键点设计
路径关键点是指在运输路径途中选取一些位置,安装RFID读写器等设备,与物流车辆上的RFID电子标签共同完成物流车辆识别任务。路径关键点的选取原则是: ( 1) 合理的空间布局。保证在关键点采集的信息对物流车辆全程有覆盖性、代表性。( 2) 评估选址状况。分析选址处网络状况,有无收费站,服务站,住宅区等,若网络较差或没有这些设施,应增加关键点。 ( 3) 统计物流车辆流量。应尽量选择车流量较大的主干道。路径关键点主要包括的硬件设备有: 语音提示模块,车辆传感器, 地磁感应线圈,RFID读写器,摄像机,计算机等。
用于标识车辆的RFID电子标签贴于物流车辆上,当带有RFID电子标签的物流车辆进入关键点设置的阅读区域时,首先会有摄像机1记录其进入的影像,语音提示模块会提示司机,车辆传感器识别到车辆进入,在地磁感应线圈的作用下,标签被激活,RFID读写器与电子标签进行远距离无接触信息采集,读写器管理系统将采集到的卡内信息关联到后台数据库进行相应处理,全程不用停车。摄像机2对车辆出入的全过程提供视频监控,以便管理人员进行信息追溯,并可完成测速等附加任务。
RFID读写器设计为固定式读写设备,安装在各关键点监控区域,用于读取标签信息。读写器可以无接触地读取并识别电子标签中所保存的车辆相关数据,从而完成自动识别车辆目标［7］。读写器通过3G无线网络与计算机主机相连,将所读取的标签信息传送给计算机主机并上传至控制中心的数据库中。
控制中心收到关键点返回的信息,在关键点位置数据库中调取该关键点的位置信息,确定物流车辆此时的位置信息,与GPS定位的实时数据进行对比,计算GPS定位精度,并将关键点的精确位置信息存入物流车辆位置数据库。
路径关键点处硬件组成如图2所示。
3. 2电子标签设计
电子标签采用智能可重复擦写的无源微波电子标签,其数据存贮容量一般限定在2 Kbits以内。电子标签附着在车辆上用于标识目标,每个标签都有ID编号,同时电子标签数据区是存放车辆相关数据的,可以进行读写、覆盖、增加的操作。当车辆进入位置关键点的识别范围时,车辆传感器检测到车辆进入, 触发关键点处的射频读写器,地磁感线圈激活电子标签,读写器和电子标签进行数据交换。
电子标签的处理控制单元主要用于密码校验,编程模式检查,数据加密解密,并控制对EEPROM的读写操作。
非接触式读写器,包括调制解调器、MCU、接口电路、天线。 射频识别工作原理如图3所示。
3. 3 GPS车载终端设计
车载终端硬件结构如图4所示。车载终端安放在驾驶室, 进行车辆实时定位、位置信息反馈,并在驾驶室的液晶屏幕上进行实时的路径显示,给驾驶员以最清晰的反馈。车载终端主要包括处理器,GPS模块,无线通讯模块,液晶屏幕,键盘,应急呼叫模块,天线放大器等。
车载终端上的GPS模块主要完成车辆的定位功能,其中GPS模块由变频器、信号通道、微处理器和存储单元组成。主要作用是接收GPS卫星信号并进行计算,以获得当前的经度、纬度坐标,确定目前车辆所处位置。GPS模块将车辆信息实时传送给控制中心的GPS实时控制系统,进行数据存储和比对。
液晶屏幕用于显示当前车辆的实时路径,控制中心发来的提示、警告等。键盘作为驾驶员与控制中心信息交换的输入端, 根据计算机系统设计,完成相应的指令。
应急呼叫模块是双向的,当车辆遇到意外时,司机可以向控制中心及时反馈信息,当控制中心发现问题时,也可以通过该模块迅速给司机进行提示。
3. 4控制中心结构设计
系统控制中心包括: 应用数据库服务器,系统应用服务器, 管理员客户端,路径优化算法软件。
系统应用服务器根据将要发出的物流车辆运输任务,在系统上模拟出该车辆的最佳路线,并反馈给物流车辆,路线可以在车辆上的液晶显示屏幕上直观显示,并且会主动提示司机几个重要的安装有RFID读写器的关键点。物流车辆与控制中心配备通过3G网络连接的通信设备,保证控制中心与车辆及时互动,并当车辆在途中遇到故障等紧急事项时,通过应急呼叫模块传递信息,控制中心能及时做出反应,及时调度。图5为控制中心结构框图。
4基于蚁群算法的实时车辆路径优化软件
1992年M. Dorigo［8］等受蚁群在觅食过程中发现路径的行为启发提出了蚁群算法。多年来世界各地学者对蚁群算法进行了深入研究和应用开发,作为新型启发式算法,蚁群算法现已被广泛应用于数据分析、机器人协作问题求解、电力、通信、水利、 采矿、化工、建筑、交通等领域［9］。蚁群算法快速的寻优能力、 全局优化特性也同样引起了国内学者的广泛关注。
4. 1蚁群算法
基本蚁群算法思路如下:
步骤一: 初始状态放出一群蚂蚁,此时没有信息素,每只蚂蚁会随机的选择一条路径进行搜索;
步骤二: 在下一个状态,每只蚂蚁到达了不同的点,从初始点到这些点之间留下了信息素,蚂蚁继续完成搜索后返回,同时放出下一批蚂蚁,新放出的蚂蚁会根据各条路径上信息素浓度的高低选择搜索路线;
步骤三: 再下一个状态,未被蚂蚁选择或选择较少的路线上的信息素浓度低,而被蚂蚁多次选择的路线上的信息素浓度较高,然后放出新一批蚂蚁重复步骤二;
步骤四: 经过多次迭代,得出一条路径上信息素浓度最高, 这条路线就是算法输出的最优路径。
4. 2蚁群算法的改进
针对物流运输的特点,蚁群算法改进思路主要有三方面的思考: ( 1) 从调度中心配送货物的需求出发,调度中心根据货物配送的需求,在地图上显示出各货物配送地点的信息,综合成本、时间等参数因素; ( 2) 系统在应用蚁群算法实现路径优化调度时可以采用反向搜索的方式,以各配送点的位置为蚁群初始值,向各运输车辆展开局部搜索,从而得到最优调度结果并输出; ( 3) 实际物流车辆的运输状况,会受到路况和车流量的影响。首先需要从官方数据库获得关于路径路况和车流量的初始数据,并建立数据模型进行模拟,通过多次的模拟校正确定每条路径的路径系数r。由于路况和车流量并不是一成不变的,所以需要算法进行不断地模拟校正,以确定适当的路径系数r 。
4. 3蚁群算法的实现
改进蚁群算法实现主要步骤如下:
( 1) 放出第一批蚂蚁进行一次路径搜索,每条路径上有一个初始路径系数r ,计算所有蚂蚁循环路线的总长度,比较得出最短路径长度,输出蚂蚁最优路径;
( 2) 放出第二批蚂蚁,新放出的蚂蚁会按照各条路径上信息素浓度的高低选择搜索路线,同时进行信息素的更新过程;
( 3) 经过多次迭代,寻找信息素浓度最高的路线,这条路线就是算法输出的最优路径。
路径优化算法软件基于改进的蚁群算法思想,利用JAVA程序开发工具进行实现。服务器的软件编写比较复杂,在下层需要与串口通信,接收终端发来的短消息,上层要为用户提供标准的数据库接口,选用Microsoft SQL Server数据库较为合适。
5结语
本文提出的改进方案系统设计,旨在提升物流车辆在途运输实时可监控性、管理调度便捷性透明性、定位信息校正精确性、通信网络稳定性、路径算法优越性等特点,应用在物流行业中,将会大大提升物流运输的效率,降低成本。随着电子商务在我国较快的发展和较大的市场潜力,需要先进的途中物流车辆监控系统［10］。本文所设计的基于RFID技术的实时动态系统将会得到更广泛的应用。
摘要：针对现有的物流车辆监控系统存在效率不高、信息失真、资源浪费等问题,提出一种新的动态实时获取物流车辆数据系统,该系统具有利用路径关键点RFID识别技术和车载终端GPS定位技术共同定位车辆、车载终端与控制中心实时进行数据共享、采用路径优化算法软件、3G网络进行数据传输等特点。经分析验证表明,该系统有效的提升了车辆监控系统的精确性、实时性、高效性。
关键词：RFID,路径关键点,控制中心,蚁群算法
参考文献
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车辆实时监控系统研制 篇5
对轨道上运行列车进行实时精确定位是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。目前, 对列车定位方法主要分为两类:一类是轨旁定位技术;另一类是车载列车定位技术。其中, 轨旁定位技术主要利用轨旁及车载设备对列车进行实时跟踪, 通常细化为轨道电路定位、信标定位、电缆环线定位、裂缝波导定位、扩频电台定位等方法。车载列车定位技术主要采用安全型编码里程计方法。GPS或A⁃GPS是目前应用较广泛的实时定位技术, 它们通常被归为车载定位技术范畴。其优点是实施方便、费用低;缺点是存在位置漂移, 并且在隧道等密闭空间内无法使用。RFID技术经过几十年发展已经日趋成熟, 在我国车号识别技术中得到大规模、长时间应用。因此, 本文基于RFID技术, 设计了轨道车辆实时定位系统, 它属于轨旁定位技术, 是信标方法的一种具体实现, 即采用布置在轨道上的RFID标签作为信标, 利用安装在列车上的读写器读取标签获取列车实时地理信息, 从而提高列车运行安全性和效率, 为城市交通提供便利[2,3,4]。
1 定位系统组成及工作原理
1.1 信标定位技术
信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。由于信标可提供厘米量级的位置精度, 因此可用于校正列车实际运行距离。信标分有源信标和无源信标两种。有源信标可以实现车地的双向通信;无源信标类似于非接触式IC卡, 在列车经过信标所在位置时, 安装在列车上的天线发射的电磁波激励信标工作, 并传递绝对位置信息给列车。轨道交通系统中所使用的信标大多为无源信标, 被安装在轨道沿线, 为列车提供精确的绝对位置参考点, 或提供线路坡度、弯度等信息[5]。
1.2 系统组成
利用RFID标签作为轨旁定位中的信标, 利用安装在列车上的读写器实时读取标签再传递到服务器进行映射, 进而得到列车的实时定位, 这样就构建了一个基于RFID技术的轨道车辆实时定位系统。该定位系统主要由RFID标签、RFID读写器和后台服务器3部分组成, 各部分功能如下所述[6,7,8,9]:
(1) RFID标签。安装在轨道上且具有唯一标签ID的RFID标签, 车辆电子标签安装于轨道或者运行轨迹的合适位置, 安装时注意避免危险区域。遇到雨雪天气应及时清除, 在日常巡检时应注意检查标签是否完好。
(2) RFID读写器。安装于列车上, 能够全天候自动采集安装在轨道上的RFID标签的ID, 并通过无线模块 (可以选择Wi Fi, GPRS, WCDMA等方式) 传输到后台服务器的管理软件进行处理, 该设备主要包括读出装置主机、微波收发天线、无线模块几个部分。安装时需要保证电源的稳定并避免外部环境可能对设备造成的损坏。
(3) 后台服务器。后台服务器运行管理软件、人机程序及数据库, 接收并处理来自读写器的标签ID数据, 考虑到无线传输延迟不大, 因此可以看作系统近似实时地反映了车辆的实际物理位置。
1.3 系统工作流程
基于RFID技术的轨道车辆实时定位系统工作流程如图1所示, 首先将安置于轨道的RFID标签ID与其对应的物理位置存储在服务器数据库, 然后当车辆经过此位置标签处时, 由安装于车辆的RFID读写器标签ID进行读取后发送到后台服务器, 后台服务器运行的管理软件根据标签ID查找服务器数据库, 得到当前车辆的物理位置。基于RFID技术的轨道车辆实时定位系统安装如图2所示, 其中RFID读写器和RFID标签、后台服务器均为独立设备, 过车时分别独立工作。
2 结语
本文设计的基于RFID技术的定位系统具有实施方便、精度高和密闭空间内工作等优势, 可以被广泛应用于铁路物流系统、地铁以及车辆站段的调度。实际应用中采用何种定位技术, 取决于具体需求和现场情况及费用预算等多方面因素。同时, 随着各种技术的不断发展和突破, 未来会有更多先进的列车定位技术问世。
参考文献
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车辆实时监控系统研制 篇6
目前, 设备巡视普遍存在任务下发后无法对巡视过程实施管理的问题, 现场巡视标准化作业难以落到实处。因此, 针对巡视的重要性以及巡视传统管理方式存在的问题, 运用信息化技术实施巡视过程管理势在必行。
1 巡视管理系统研制理论依据
1.1 过程管理理论
依据孔茨等人的过程管理学派经典理论, 巡视管理应当有计划、组织、人员、领导和控制等关键要素, 通过协调实现五项要素的综合运用。
1.2 科学管理理论
在泰罗的科学管理理论中, 要求通过科学的管理方式谋求最高的工作效率, 这要求采用科学的操作方法, 实施规范化并对执行者进行深入培训。
1.3 安全人机工程原理
依据人、机、环境等特点, 通过先进的作业指导软件实现人与机器的最佳结合实现系统安全与最优工效。
2 解决方案
基于二维码的的设备实时巡视系统集掌上PDA、二维码技术、数据库和计算机通信等技术于一体, 使现场的巡视直接置于管理之中。系统主要包括三个部分:生产管理系统、设备二维码标签、手持式智能巡视仪。基于人机理论, 通过对人员心理的分析, 对人员与智能巡视仪等辅助设备进行分工, 合理设计系统相关功能。
2.1 二维码技术应用简述
首先, 在设备上张贴二维码标签。二维码 (如PDF417码等) 技术成熟、投入及管理成本廉价、信息量大、安全保密、容错能力强、尺寸可调, 目前是物联网的技术基础之一。与射频识别技术RFID相比, 二维码技术具有通用性更强、制作方便、成本更低、不受电力设备产生的电磁干扰影响等优点。
2.2 智能巡视仪简介
手持式智能巡视仪是由主模块及外围电路、数字蜂窝移动通信模块、液晶显示模块、非编码键盘等组成的基本配置型PDA以及全球定位模块、二维码红外识别专用模块组成。智能巡视仪提供强大的数据采集、处理功能, 具有操作简便、二维码识别快速准确等特点。采用主流操作系统, 通过外加专业二维码识别器实现对二维码的无障碍读取。
2.3 管理系统简介
通过后台管理系统实现各项管理功能。从行政及专业两个方面设置人员权限。实现分权限登录控制, 实现设备台帐建立、修改与维护, 生成基于设备台帐的设备二维码标签。运行管理部分可分专业设置, 其中变电部分包括记录定制功能等, 实现作业指导书、新增维护记录等功能。
2.3.1 实现巡视任务派发功能
班组长及以上管理人员可下发巡视任务;巡视任务实施功能, 运维人员通过掌上PDA实施巡视, 依次扫描各设备二维码, 规范化巡视设备, 记录有关巡视数据;断路器压力记录、避雷器动作记录、避雷器泄漏电流记录、蓄电池记录、设备测温记录分别存贮有关巡视数据并提供查询功能。巡视任务方式灵活。巡视任务可下发, 也可通过智能巡视仪执行巡视作业后直接上传数据。巡视多媒体数据从智能巡视仪上传, 同时支持手工录入巡视数据。
2.3.2 实现绩效分析功能
班长等管理人员对班组成员巡视用时、发现缺陷情况进行巡视时间图形分析、巡视数据图形分析功能。
2.3.3 实现数据查阅功能
实现缺陷记录查阅、修改、危险点记录查询、缺陷统计功能, 支持远方对缺陷定性专家库、缺陷处理专家库进行查询, 支持后台维护专家库。其中缺陷记录内容包括:发现的缺陷、缺陷类别、消除情况、发现人、消除人等。记录关联具体设备, 在下发巡视任务开展巡视时提示检查缺陷发展状况, 巡视时可同步记录缺陷。
2.3.4 数据管理技术先进
数据库采用SQL Server等主流技术实现, 采用面向对象的数据结构。数据实时记录采用虚拟专用网络 (VPN) 实现智能巡视仪与数据库实时交换大容量数据。
2.3.5 通信方式灵活多样
在通信技术方面, 应用主流3G通信技术实现数据的实时传输, 支持大容量的现场图片、视频资料的实时传输。同时支持Wifi、局域网、VPN等多种网络结构。
2.4 安全保障措施简介
在安全性方面, 首先系统采用分级授权机制, 只有经过授权方可进行作业。其次, 智能巡视仪采用软件技术禁止和锁定互联网等应用, 同时加装专业防病毒软件。最后, 在系统中应用防火墙技术实现内外网隔离。
3 应用效果
通过试用, 该系统能够真正实现巡视作业标准化以及巡视实时管理。
3.1 人机工程原理指导下的巡视作业标准化
巡视时, 系统下发巡视任务给运行人员, 运行人员携带手持式智能巡视仪 (掌上PDA) 开展现场巡视。运行人员对待巡视设备逐个扫描二维码确认设备, 系统根据设备类型、季节变换自动生成巡视项目要点, 同步提示设备遗留缺陷, 加强了对设备缺陷的过程管理与监督, 及时发现设备缺陷的新进展, 保障设备缺陷发展状况在控。巡视要点由运行人员逐项巡视后确认, 同时记录巡视数据及缺陷。
通过智能巡视仪内置的《巡视标准化作业指导书》指导巡视作业, 巡视真正实现了标准化, 防止了人员对巡视要素的掌握不全面对巡视质量的影响, 实现了对设备缺陷的过程监控, 杜绝巡视管理安全漏洞。
系统内置电网缺陷、事故处理专家库, 该系统内置各类缺陷定性、故障原因、材料、关键步骤及安措等内容, 实现巡视、缺陷、事故处理“一站式服务”。
3.2 实现巡视作业在线监控
新的巡视管理模式改变了过去巡视管理的粗放方式, 实现巡视实时管理, 巡视过程同步记录GPS位置、巡视时间、巡视设备数据, 实现全时在控, 巡视到位率100%, 杜绝漏巡设备给安全生产带来的隐患。巡视的同时, 管理人员就可检查和分析人员巡视质量与效率, 改变了巡视过程无人管理、无法检查的现状, 确保了巡视过程可控。系统生成人员巡视时间成本曲线可用于辅助决策, 为科学管理提供了技术支撑。系统生成设备参数曲线供技术人员分析判断。
构建了智能巡视终端与后台系统的多媒体实时平台, 管理人员、专家可实时掌握巡视进度与有关设备巡视数据, 保障了电网巡视及应急处理工作第一时间正确、规范地实施, 极大地提升了电网管理水平。
4 结论
车辆实时监控系统研制 篇7
反应堆周期是核反应堆工程中的一个非常重要的概念, 是核反应堆控制和保护系统中的一个十分重要的参数。周期太短表示反应堆内中子通量或功率水平增长太快。如果周期超过整定值, 就需要触发保护系统紧急停堆动作, 关闭反应堆。在核反应堆工程中, 通常使用倍周期反映核反应堆功率水平的变化情况。在核反应堆启动和功率提升过程中, 通过限制反应堆的倍周期来控制反应性。
1 系统测量原理
1.1 中子增殖-反应性算法
中子增殖定义为核增殖系统对中子源的放大倍数。这里采用的数学表达式为:
式中:
N0-无外源情况时, 核装置在某一固有装量下探测器测得的本底计数 (率) 。
N1-核装置在某一中间固有装量下探测器的计数 (率) ;
M1-核装置在某一中间固有装量下的中子增殖;
N-测量点处探测器测得的计数 (率) ;
M-为测量点中的中子增殖;
测得中子增殖M后, 可由下式得出以元 ($) 为单位的负反应性,
式中C是与系统特征参数相关的常数
1.2 渐进周期拟合算法
在“点堆”模型下, 系统超缓发临界的反应性为一定值时, 设初始时刻无外源情况下系统内中子密度 (功率) 为n (7) 0 (8) , 则t时刻系统内中子密度n (7) t (8) 可由动态方程导出为:
XX试验装置需要对反应性引入后的暂态过程进行研究, 中子密度 (3) 式中的暂态分量不能忽略, 根据物理计算结果, 仅考虑其中2个主要暂态分量。假设探测器对中子通量的响应是线性的, 则由 (3) 式可得:
式中, I (t) 为探测器的输出电流, C为常数, 0T即为渐进周期。
2 系统设计
在线式增殖周期及反应性实时测量系统包括一套物理员测量设备、一套副物理员测量设备和一套值班长监控计算机。两套测量设备和值班长监控计算机通过网关进行访问。
物理员测量设备和副物理员测量设备硬件配置相同:包括PXI机箱、PXI控制器、脉冲计数模块、可编程电流表、GPIB通讯模块以及显示器。脉冲计数模块与甄别放大器相连, 实现中子探测器脉冲计数的测量;可编程电流表采集10B电离室的微电流信号, 并将测量结果通过GPIB通讯模块传输到PXI控制器。PIX控制器自带RS485接口, 实现与温度测量模块和棒位测量模块进行通讯, 获取各位置温度值和控制棒棒位。
在线式增殖周期及反应性实时测量系统的组成框图如图1所示。
可编程电流表用于采集10B电离室的微电流信号, 用于反应堆功率及渐进周期的测量计算。可编程电流表选用吉士利公司的Keithley6485, Keithley6485可编程电流表的主要参数:
(1) 各档位精度指标。 (表1)
(2) 通讯方式:IEEE488 (GPIB) ;
(3) 读数速度:900次读数/秒;
(4) 存储容量:2500个读数。
3 软件算法
3.1 增殖-反应性软件实现
在进行中子增殖-反应性测量时, 首先测量反应堆某一固有装量下探测器测得的无源本底计数和有源本底计数。然后按照1/3原则逐步加入反应性,
每次改变反应堆状态后, 操作员根据计数率水平选择采集周期T然后手动启动测量, 程序自动重复完成10组计数测量。为避免反应堆状态调整或者信号干扰引起计数波动, 在软件中采用戈罗贝斯舍弃标准检验所测得10个计数值的有效性 (戈罗贝斯舍弃标准的显著水平α取0.05, 当被舍弃数据达到2个或2个以上时, 整组数据无效) 。
图2通过对有效测量数据的处理可以得到当前状态的中子计数率。从而进一步得到中子增殖M和负反应性。
3.2 周期-反应性软件实现
渐进周期拟合结果的精确性影响因素包括:电流采样值的实时性, 电流采样值的精度和拟合算法。在软硬件综合设计阶段, 从如下几个方面进行优化。
首先, 采样数组的实时性主要须保证微电流采样值采样时刻的精确性。通过设置采样频率和采样数据个数, Keithley6485可编程电流表可以测量到一组电流值及其测量时刻, 其中测量时刻是以可编程电流表的测量启动时刻为基准的, 在就需要硬件定时器板卡对测量时刻数组进行同步处理, 从而保证电流采样数据的实时性。软件流程如图3所示。
其次, 可编程电流表在同一档位下的测量值精度和线性都比较好, 但是不同档位之间存在一定波动, 为避免换档数值波动引起拟合结果误差增大, 周期-反应性软件中根据换档数据阶跃情况对换档后的数据进行平滑处理, 或者对换档前后的数据分段拟合。
最后, 渐进周期的拟合算法需要有良好的收敛性, 由于XX试验装置微电流随时间变化的理论函数为多项指数函数, 在拟合算法选择上就须采用非线性拟合算法。考虑到中子通量测量结果的统计涨落, 在进行数据拟合之前需要对微电流数组进行预处理, 包括采用数字滤波来降低统计涨落的影响、对微电流数组进行比例放大, 减小数据拟合中舍入误差对拟合精度的影响。该软件的拟合程序后台调用Matlab计算程序, 使用其非线性指数拟合算法XX算法实现拟合。该拟合算法具有良好的收敛性, 根据微电流函数模型, 电流值表达式中的只有一个正指数项, 在程序中对拟合结果进行相应的限制, 这样就可以得到收敛准确的拟合结果。
4 系统界面及运行试验
4.1 增殖-反应性程序
增殖-反应性程序界面的最上部为功能菜单, 左侧上部为温度显示, 左侧中部为当前计数测量结果, 左侧下部为测量步骤控制;界面中间的上部为高压状态显示和外推临界结果显示, 界面中间为外推临界记录表格和外推临界曲线;界面右侧为副物理员测量通道当前测量结果。软件界面如图4所示。
4.2 反应堆周期-反应性计算程序
反应堆周期-反应性计算程序对反应堆功率测量数据进行处理, 得到反应堆的渐进周期和反应性, 程序界面如图5所示。
点击渐进周期拟合界面左上角原始数据路径按钮, 选择需要进行拟合的测量数据。测量数据文件以时间~电流曲线的形式显示在原始数据窗口, 曲线颜色为红色, 电流换档位置用绿色方点标出。
选择界面左上部测量档位的某一档位, 程序自动确定拟合数据的左右边界。用户可以键盘输入或鼠标点选修改左右边界。选定周期拟合数据左右边界后, 点击确定。
设置周期初值, 周期初值的第一项为渐进周期预估值。模拟信号试验表明, 预估值的准确性要求不高:当渐进周期为50s时, 选择10s或100s的周期初值, 最后计算结果的偏差小于0.5%。拟合完成后, 拟合结果显示在右侧并且自动记录在数据拟合记录表中。
重复选择测量数据段, 拟合计算不同测量段的测量数据。对不同测量段的数据汇总处理可以得到试验装置的反应性。
5 结语
在线式增殖周期及反应性实时测量系统已在XX试验装置的若干试验中得到了应用。实验结果表明, 该系统具有测量精度高、响应快、分辨率高、使用方便、工作稳定可靠等优点。在反应堆外推临界试验及提升功率试验中起到了重要的作用。在试验过程中, 软件直观全面地显示了测量参数及设备状态, 试验人员通过该系统非常方便地实现了反应堆参数的测量和计算, 有助于XX试验装置反应性相关测量实验研究的开展。
摘要：XX试验装置在线式增殖周期及反应性实时测量系统建立在PXI硬件平台上, 采用Labview8.0进行应用软件开发。实时完成增殖-反应性、反应堆功率及周期-反应性的测量和数据处理。实时测量系统计数率通道的脉冲采集模块接收来自核测量系统的放大甄别整形后的方波脉冲信号, 通过数据处理程序计算出增殖-反应性。实时测量系统功率通道的可编程电流表直接采集10B电离室的微电流信号, 并进行滤波和数据拟合, 完成功率、周期-反应性测量。基于PXI硬件平台的在线式增殖周期及反应性实时测量系统采用硬件定时采集, 信号采集单元与计算单元独立运行, 保证了反应堆周期计算的准确性和及时性。
车辆实时监控系统研制 篇8
大型变压器是变电站的核心设备,其安全、稳定运行关乎供电企业的安全,对其进行在线监测具有重要的意义。油中溶解气体分析DGA(Dissolved Gas Analysis)法是目前较受国内电力部门欢迎、现场应用产品数量最多的变压器在线监测方法之一[1,2,3],且已列为油浸变压器32项预试项目的第1位[4]。近年来,随着计算机、通信、传感器、高分子材料、色谱及光谱等技术的进步和发展,变压器油中溶解气体在线监测技术也不断更新和发展,现场运用产品亦渐趋成熟和完善,并日益得到关注和运用[5,6,7],同时对系统的实时性与小型化提出了更高的要求。
文献[8]将传感器阵列引入油中溶解气体的检测,但是因为存在交叉感染和寿命的问题使得实用性不佳;文献[9]采用了红外傅里叶光谱技术,但不能检测H2;文献[10]采用光声光谱技术,但对现场的环境有比较高的要求,故其应用仍然需要解决大量的工程问题,检测的高复杂性和低性价比造成了技术推广的难度。近年来发展起来的特富龙脱气膜技术由于在高分子膜油气分离上具有较高的实时性[11,12],以及固体氧化物燃料电池(SOFC)具有检测灵敏度高的特性[13,14],有望解决油中溶解气体检测的实时性、小型化和在复杂电磁环境下的高精度检测问题。
本文将SOFC技术和特富龙脱气膜技术引入到变压器油中溶解气体分析系统,通过与色谱双柱连用,设计了一种新型油中溶解气体在线监测装置。
1 系统结构
系统结构如图1所示。系统由3个部分组成:油气分离单元1、气体分离与检测单元2、数据采集与控制系统3。油气分离单元与变压器本体直接相连,在油泵的推动下使变压器油流经脱气膜。气体分子透过脱气膜到达测量气室而油分子不能透过,经过一定的时间后可达到平衡,实现油气分离。气体检测部分实现对分离出来的H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、O2等多组分气体的检测,要求满足GB/T 7252-2001的标准。数据采集和控制系统实施对整体工作环境的控制和数据采集,并对采集后的数据进行处理和发布。
2 关键技术设计
2.1 实时高分子膜油气分离
常使用的油气分离技术有真空脱气、顶空脱气和高分子膜脱气等,其中高分子膜以洁净、安全和简单等优势获得越来越多的应用。由于特富龙脱气膜在油气分离上具有较高的实时性[11],可满足变压器油的实时脱气,系统中采用特富龙脱气膜来进行脱气。气体分子从油中向气室的一侧扩散,在一定温度下和一定时间后,膜两侧的气体压力趋于平衡,达到动态平衡,即自动地实现了油-气分离。而为了应对现场的压力,设计了基于钛铝合金的支撑结构,可以使脱气膜耐受压力超过1 MPa。
考虑到脱气膜的气室结构只影响平衡时间[11],系统在设计时采用抽取定量管真空的方法,同时加大气室体积以实现气体的递归分离,在有限的时间内可以充斥整个气室空间。一旦遇到变压器发生故障,检测设备将进入故障跟踪流程,实时记录跟踪变压器的故障演变,按照10∶1的比例设计气室和定量管体积,可以大幅缩减膜分离带来的时间延迟,实现了不大于1 h/次的故障跟踪速度。
为了进一步增强膜的脱气效率和安全性,综合考虑了气路和油路的优化与保护,如气压限制、气室容量以及油流带电等,设计了图1的油气分离单元1。图中,油回路采用微型磁力泵强制循环,使油流速度控制在200 m L/min内,提供了稳定的膜压力,且避免了油流带电的发生。
2.2 多组分气体的分离和检测
多组分气体的检测一直是变压器油中溶解气体检测中的难点。作者经过多年的研究和实践发现将SOFC应用于多组分气体的检测可以达到氢火焰检测器FID(Flame Ionization Detector)检测的精度和热导检测器TCD(Thermal Conductivity Detector)检测的稳定性,非常适合作为本系统的检测单元[15]。
要将SOFC应用于多组分气体检测还必须解决色谱柱分离的问题。传统色谱仪常采用多通道多传感器进行气体检测,如GC900色谱分析系统,最多可同时选配3种不同类型的传感器。为了简化通道数,本系统采用了双柱连用的方式,色谱柱1填充活性炭,实现对H2、O2和CO的分离,色谱柱2填充HGD-201,实现对CH4、C2H6、C2H4、C2H2的分离,采用十二通阀配置柱的连接方式,最后用一只SOFC传感器进行多组分气体的检测。
图2为设计的多组分气体分离和检测系统。系统中E1为气体检测器,E2和E3为色谱柱,E4为十二通阀,E5为定量管,E6为载气,V1为开关阀,V2为稳流稳压阀,V3为压力表,系统在E4的控制下实现2个状态之间切换。首先被配置为回流状态(b),这时E4的9、10接口连接到油气分离系统,使分离气体导入定量管E5,同时,载气通入色谱柱和传感器进行系统初始化。当定量管气体到达平衡后切换E4为进样状态(a),这时定量管气体依次被推入色谱柱E3和E2,分子量小的气体先到达SOFC传感器,出现了H2、O2和CO的谱图,当时间到达6 min时,CO峰已经出完而烃类气体峰未出现时,立刻切换E4为状态(b),这时色谱柱E2倒向,未出来的气体又依次从E2和E3再次分离,这样就实现了双柱连用的多组分气体分离。测量结果如图3所示,图中横坐标为时间,纵坐标为测量电压,测量表型中的标识为气体体积分数μL/L(百万分之一)和气体名称,如2.284[H2]表示H2含量为2.284μL/L。由图谱可知,各组分气体分离度超过了1.2,且有效地解决了传统色谱系统中的存在的O2与CO气体难分离的问题,并且SOFC传感器对可燃气体的检测效果也很好。
2.3 基于ARM和DSP的嵌入式控制系统
图4为设计的控制系统。硬件采用了ARM+DSP双核设计,如图4(a)所示。ARM选择了ARM7处理器,该处理器集成了丰富的片内外设和外部接口,使得整个系统软件可以放置于芯片内部,大幅提高了系统的抗干扰性能。DSP选择了集成内部乘法器的MSP430F149处理器,通过采用PID控制算法实现双路高精度温度控制。由于SOFC的输出电压为0~1 V,且现场C2H2等气体的质量浓度很低,为了保证数据采集的精度,在外部扩展了24位高精度AD转换芯片AD7710,使系统达到了2.5 V×1/224≈0.15μV的分辨精度,满足了在线监测的要求。ARM软件系统结构如图4(b)所示。通过3个设计单元保证了系统的灵活性。第一,控制台的设计可以使用户通过笔记本电脑串口实现对嵌入式系统的全面控制,利于开发和当地调试;第二,手工控制程序可以实现实时的系统定标,用于系统长时间运行后的标定;第三,自动控制程序是主要的执行程序,完成每天的数据采集和变压器故障的自动跟踪。通信软件和控制软件部分都设计了层层保护,避免了仪器的损坏。而硬件单元采用CPLD器件实现了实时的故障保护,大幅提高了整体的可靠性。
系统独立运行,周期性地通过电力MIS网进行对时。采用3G通信单元实现数据的远程自动上传。另外,系统可实现故障的跟踪。一般系统的采集周期为24 h/次,而一旦实时诊断系统发现了故障征兆,系统自动将采集周期减半,并根据故障的发展情况持续加快采集速度。
3 实验与现场运行分析
为了测试系统的检测精度和稳定性,分别将一定数量的纯净H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2稀释在N2中,制备了各组分气体体积分数较低时的混合气体,对该混合气体进行定量分析,结果如表1所示。
从表1可以看出,系统在分析较低体积分数的混合气体时,各组分气体的各次测量结果差别不大,具有很好的测量稳定性,而且检测结果与气体各组分的实际体积分数值相比差别也不显著,均不超过8.3%,可见系统具有较好的准确性。
该系统已经在全国几个220 k V和500 k V变电站成功投运,运行状态好。通过和离线检测数据对比,数据稳定,线性度好。如在河南省某500 k V无人值守的变电站,系统运行半年,从运行的结果来看,系统的可靠性高;与离线测量的数据相比,具有可比性。表2所反映的数据是实际运行的结果与离线检测的结果的比对。
4 结论
a.通过采用高性能特富龙脱气膜,结合优化的油路和气路设计,实现了在线监测的实时性。
b.实验和现场运行表明,SOFC检测器的灵敏度很高,对于C2H2等碳2气体的检测灵敏度可以达到0.1μL/L,已经接近实验室FID检测器的检测灵敏度,且具有良好的稳定性。
c.采用双柱连用的方法实现了单通道同时检测6组分气体,简化了系统的结构,避免了传统需要TCD和FID同时开启所带来的不便。
d.采用高性能的ARM+DSP双核嵌入式系统设计,使在线监测终端同时实现了与电力MIS网和远程监控中心的同时接入,保证了系统运行的安全性和实时性,实现了故障的实时跟踪功能。
结合最新的高分子脱气膜和固体氧化物燃料电池技术设计的新型变压器油中溶解气体在线监测系统为变压器状态监测和维修提供了新的思路。
摘要：设计了一种新型的变压器油中溶解气体实时在线监测系统。系统由三部分组成:油气分离、多组分气体检测和控制系统。在油气分离部分,通过采用特富龙膜和优化的油气回路设计,实现了1 h/次的脱气周期;将固体氧化物高温燃料电池(SOFC)引进到微量气体检测,取得的气体体积分数为0.1μL/L,通过与色谱双柱连用实现了多组分气体的单通道检测;控制系统采用ARM和DSP,实现了与电力信息管理系统(MIS)和远程监控中心的同步安全接入,并可实时进行故障跟踪。实验与现场运行证明,该系统具有实时检测、高精度和高性价比的特点。