無線分布式集成監測網絡系統及應用
關鍵詞：智能維護系統，預診斷，積極維護，無線全分布式網絡
1 引言
目前，許多制造業企業仍然在推行基于故障反應方式的服務和維護活動，許多商用維護管理軟件工具缺乏與生產控制系統的集成性。改變這種情況的困難在于我們缺少有效的、預言性的診斷模式與工具，以理解生產線和設備每天的動作。由于缺乏設備健康狀態量化指標和故障判斷依據，要定期進行大檢大修，停機時間長，經濟損失大，特別是故障停機，其損失無可估量。這就要求研究涉及生產和設備故障原因，開發智能化的監視工具和軟件，提供前瞻性的維護能力，諸如性能退化測量、故障恢復、自維護以及遠程診斷。
發達國家提出21世紀的設備維護應能是在整個產品生命周期中進行健康狀態跟蹤監測、評估、性能退化測量，進行早期故障狀態預診斷，以減少甚至消除生產線的停機時間;同時能夠分析故障原因，消除不當因素，從源頭上克服故障的發生;能夠進行自維護及故障恢復;能夠進行遠程診斷，以主動的預診斷取代對故障的被動響應。
21世紀，又是互聯網時代，設備維護將是基于開放式的互聯網技術的智能電子維護，這是使制造業生產力和產品售后服務達到全球領先水平的關鍵。基于有線集中監測模式的傳感器/變送器監測系統已出現多年，但有線模式有其局限性，也談不上智能電子維護，因為沒有進行早期健康狀態評估和早期故障預診斷。
本文給出了一種基于無線分布式的集成監測網絡，它是設備狀態監測無線集成網絡研究及工業應用開發要解決的兩個核心技術之一，它克服了有線集中監測模式的局限性，使不適于安裝有線網絡的地方通過一種特殊的無線網絡實現遠程監測、評估，使設備運行和維護智能化，實現制造業的智能電子維護互聯網服務。而且這種無線網絡又是分布式的，即每個節點均具有數據處理的能力，僅將少量的分析結果發送到遠程主節點，有利于制造業制造系統的創新和經濟效益的提高，可廣泛應用于船舶、機車、車輛、海上石油平臺、橋梁隧道和環境保護等方面的分布式遠程監測、診斷、調度和預警網絡。
2 無線分布式網絡硬件系統
網絡硬件結構如圖1所示。
圖1 網絡結構圖
2.1 從節點硬件系統
從節點硬件系統由嵌入式系統、信號采集和調理部分及無線通信部分組成。
嵌入式系統由CPU模板和A/D數據采集卡構成。
低功耗的嵌入式處理器PC/104 CPU板型號為SED-586SV，133MHz-16MB內存，內置浮點運算協處理器，在板支持只讀固態盤（64K～1M）或可讀寫大容量電子盤（8～288M）, 2K位EEPROM，512 位OEM 可 用，保存除時間和日期之外的全部設置，在板包含DMA控制器、中斷控制器及定時器，實時時鐘（板上自帶或外接后備電池3.0V-3.6V），16～32M 字節DRAM;在板的外部接口有雙向并行口、兩個16550 兼容的RS232 串行口（COM2 可選RS485 接口標準）、固態盤存貯芯片插座、軟盤驅動器接口、IDE 硬盤驅動器及鍵盤、喇叭接口。增加了許多擴展功能的工業ROM-BIOS， 這些功能包括固態盤擴展（支持EPROM，DiskOnChip）、串行控制臺支持、看門狗定時器功能（BIOS 支持）。A/D采集卡采用PM-510 PC/104 100KHz，12bit，16單/8雙，0～5V輸入 。
信號采集與調理部分由一個或多個傳感器加信號調理部分構成，使采集到的設備狀態信息轉為A/D板可接收的信號（0～5V），系統中采用壓電式加速度傳感器和電荷放大器。加速度傳感器技術參數為靈敏度約2pC/ms-2、頻率范圍為1Hz～10KHz、極限量程1x104ms-2、橫向靈敏度<%5、重量14克、工作溫度-40～1200C。電荷放大器技術參數為增益：1/3/10/30/100/300/1000mv/unit、頻率范圍為0.3Hz～100KHz、歸一化調節采用3位撥盤、噪聲<5mV、精度誤差<1%、輸出±10V/10mA。
無線通訊部分采用RF418無線收發裝置，通過RS-232接口與PC/104 CPU的RS-232相連，與傳統的無線數據網絡不同的是能耗特低，采用特殊的路由優化算法和TDMA時間域多路存取算法使沒有分配時間片的節點進入低功耗或睡眠狀態以降低功耗，發送和接收功耗不同，利用小范圍多跳（multihop）數據傳輸技術使得節點與基站的距離可加大但功率不增，因為其功率只有滿足與相鄰節點通訊便可，實現節能。同時，這個特性使用戶在任何需要的地點安裝傳感器而不受中心數據采集與網關位置的視線通訊的限制。我們采用的RF418無線收發模塊采用藍牙技術，工作頻段為433～434MHz，空中傳送數據速率小于100Kbps，可每分鐘調頻5次及跳躍4個工作信道，集打包、糾錯、檢錯等功能于一身，由關機到開機再到發送數據的切換時間僅為0.2ms，因而可以在無收發需求時處于睡眠狀態，有需求時快速切換到工作狀態。
2.2、基站硬件系統
主機為高檔PC機;無線通信模塊也是采用RF418無線收發器;有線網絡接口部分為以太網卡和/或ControlNet/DeviceNet網關模塊，這樣系統可連接到現場總線網絡或以太網互連集成，形成基于開放式網絡的平臺。
2.3、嵌入式PC/104總線工控機特點
體積小，PC/104的尺寸為96mmx96mmx15mm，采用高集成度增強型嵌入式專用處理器;重量輕，平均每個模板小于0.15Kg;低功耗（采用CMOS工藝）,典型值3.5W;所有的板卡設計為工業級，在惡劣環境下能穩定工作, -25～75C（擴展溫度-40～85C）, 5～95%相對濕度, 貯存溫度-55～ +85C;特殊的堆棧式結構且不需機架，可以嵌入到被監控的設備中;具有與低功耗快速高可靠性的無線通信設備的接口;在系統調試期間提供與鍵盤、鼠標、顯示器、網絡、硬盤、軟驅的接口，方便調試;與IBM-PC/AT 標準完全兼容，在PC機下的工具軟件及開發的應用軟件可直接運行于其上，提供高級語言編程環境;低成本等優點。
3 進行智能維護的機械傳動系統
將設備智能維護具體化為對軸承進行早期故障診斷，其機械傳動系統結構示意圖如圖2所示。
圖2 軸承機械傳動系統結構示意圖
在無線集成網絡平臺系統中的傳感器信號來自于此處的加速度傳感器，通過監測正常軸承數據建立智能維護的基準數據庫，而通過測定不同健康狀況（如點蝕、裂紋、缺滾珠）的軸承的加速度數據來建立軸承使用中整個生命周期內的數據庫;二者進行對比，分析處理。
4 軟件系統
4.1 操作系統和系統軟件
從節點PC/104嵌入式系統，采用DOS6.2R或WINDOWS CE實時操作系統，可實現系統緊湊性和響應的實時性。由于無可視化及與用戶交互的需求，僅需對底層設備信息進行快速加工，處理，采用面向對象的C++語言。基站可采用WINDOWS 2000操作系統，便于圖形化的人機交互，編程語言采用VC++語言。
4.2 應用軟件
這是設備狀態監測無線集成網絡研究及工業應用開發要解決的另一個核心技術，分為兩個大的層次：從節點內的軟件系統，數據處理加通信部分，主要完成前端大量采集信號過濾、降噪與頻譜分析，利用大量的設備狀態進行基于行為的計算取代過去基于模型的計算處理，據此進行早期診斷、預維護和故障修復，并將少量分析結果以無線的方式發給基站;基站內的軟件系統，將各個從節點發過來的數據建立歷史數據庫，基于行為的和基于模型的分析、診斷、處理，詳細內容參見本項目的另外文章。
5 展望
傳感器將來可采用多種信號混用的集成式傳感器，也可兩種類型均采用;將軸承健康狀態的診斷智能維護推廣到其他設備上，如地鐵建設中使用的大型盾構機、火車底盤軸承等;將可視化技術CMOS與無冷卻的紅外線成像技術應用到設備的智能維護中;如能采用DSP技術自行設計CPU模塊，不僅可實現現行的無線通訊模塊的電源管理，還可實現CPU模塊的電源管理，使CPU模塊也可運行于低功耗和睡眠模式。
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