摘 要：文中給出一種基于多跳擴(kuò)頻和時(shí)分復(fù)用技術(shù)的無線分布式集成網(wǎng)絡(luò)平臺，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)內(nèi)傳感器信號采集、調(diào)理、數(shù)據(jù)分析處理和短程無線數(shù)據(jù)傳輸集成。在此設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)平臺及軟件系統(tǒng)支持下可以進(jìn)行設(shè)備的智能維護(hù)。 關(guān)鍵詞：智能維護(hù)系統(tǒng)，預(yù)診斷，積極維護(hù)，無線全分布式網(wǎng)絡(luò) 1 引言 　　目前，許多制造業(yè)企業(yè)仍然在推行基于故障反應(yīng)方式的服務(wù)和維護(hù)活動，許多商用維護(hù)管理軟件工具缺乏與生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成性。改變這種情況的困難在于我們?nèi)鄙儆行У?、預(yù)言性的診斷模式與工具，以理解生產(chǎn)線和設(shè)備每天的動作。由于缺乏設(shè)備健康狀態(tài)量化指標(biāo)和故障判斷依據(jù)，要定期進(jìn)行大檢大修，停機(jī)時(shí)間長，經(jīng)濟(jì)損失大，特別是故障停機(jī)，其損失無可估量。這就要求研究涉及生產(chǎn)和設(shè)備故障原因，開發(fā)智能化的監(jiān)視工具和軟件，提供前瞻性的維護(hù)能力，諸如性能退化測量、故障恢復(fù)、自維護(hù)以及遠(yuǎn)程診斷。 　　發(fā)達(dá)國家提出21世紀(jì)的設(shè)備維護(hù)應(yīng)能是在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中進(jìn)行健康狀態(tài)跟蹤監(jiān)測、評估、性能退化測量，進(jìn)行早期故障狀態(tài)預(yù)診斷，以減少甚至消除生產(chǎn)線的停機(jī)時(shí)間;同時(shí)能夠分析故障原因，消除不當(dāng)因素，從源頭上克服故障的發(fā)生;能夠進(jìn)行自維護(hù)及故障恢復(fù);能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，以主動的預(yù)診斷取代對故障的被動響應(yīng)。 　　21世紀(jì)，又是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，設(shè)備維護(hù)將是基于開放式的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電子維護(hù)，這是使制造業(yè)生產(chǎn)力和產(chǎn)品售后服務(wù)達(dá)到全球領(lǐng)先水平的關(guān)鍵?；谟芯€集中監(jiān)測模式的傳感器/變送器監(jiān)測系統(tǒng)已出現(xiàn)多年，但有線模式有其局限性，也談不上智能電子維護(hù)，因?yàn)闆]有進(jìn)行早期健康狀態(tài)評估和早期故障預(yù)診斷。 　　本文給出了一種基于無線分布式的集成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，它是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測無線集成網(wǎng)絡(luò)研究及工業(yè)應(yīng)用開發(fā)要解決的兩個(gè)核心技術(shù)之一，它克服了有線集中監(jiān)測模式的局限性，使不適于安裝有線網(wǎng)絡(luò)的地方通過一種特殊的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、評估，使設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)智能化，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的智能電子維護(hù)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。而且這種無線網(wǎng)絡(luò)又是分布式的，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有數(shù)據(jù)處理的能力，僅將少量的分析結(jié)果發(fā)送到遠(yuǎn)程主節(jié)點(diǎn)，有利于制造業(yè)制造系統(tǒng)的創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)效益的提高，可廣泛應(yīng)用于船舶、機(jī)車、車輛、海上石油平臺、橋梁隧道和環(huán)境保護(hù)等方面的分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測、診斷、調(diào)度和預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。 2 無線分布式網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng) 　　網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.1 從節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng) 　　從節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)、信號采集和調(diào)理部分及無線通信部分組成。 　　嵌入式系統(tǒng)由CPU模板和A/D數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。 　　低功耗的嵌入式處理器PC/104 CPU板型號為SED-586SV，133MHz-16MB內(nèi)存，內(nèi)置浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，在板支持只讀固態(tài)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(shí)間和日期之外的全部設(shè)置，在板包含DMA控制器、中斷控制器及定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘（板上自帶或外接后備電池3.0V-3.6V），16～32M 字節(jié)DRAM;在板的外部接口有雙向并行口、兩個(gè)16550 兼容的RS232 串行口（COM2 可選RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)）、固態(tài)盤存貯芯片插座、軟盤驅(qū)動器接口、IDE 硬盤驅(qū)動器及鍵盤、喇叭接口。增加了許多擴(kuò)展功能的工業(yè)ROM-BIOS， 這些功能包括固態(tài)盤擴(kuò)展（支持EPROM，DiskOnChip）、串行控制臺支持、看門狗定時(shí)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(diào)理部分由一個(gè)或多個(gè)傳感器加信號調(diào)理部分構(gòu)成，使采集到的設(shè)備狀態(tài)信息轉(zhuǎn)為A/D板可接收的信號（0～5V），系統(tǒng)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(shù)參數(shù)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(shù)參數(shù)為增益：1/3/10/30/100/300/1000mv/unit、頻率范圍為0.3Hz～100KHz、歸一化調(diào)節(jié)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(fā)裝置，通過RS-232接口與PC/104 CPU的RS-232相連，與傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不同的是能耗特低，采用特殊的路由優(yōu)化算法和TDMA時(shí)間域多路存取算法使沒有分配時(shí)間片的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗或睡眠狀態(tài)以降低功耗，發(fā)送和接收功耗不同，利用小范圍多跳（multihop）數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)使得節(jié)點(diǎn)與基站的距離可加大但功率不增，因?yàn)槠涔β手挥袧M足與相鄰節(jié)點(diǎn)通訊便可，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。同時(shí)，這個(gè)特性使用戶在任何需要的地點(diǎn)安裝傳感器而不受中心數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)關(guān)位置的視線通訊的限制。我們采用的RF418無線收發(fā)模塊采用藍(lán)牙技術(shù)，工作頻段為433～434MHz，空中傳送數(shù)據(jù)速率小于100Kbps，可每分鐘調(diào)頻5次及跳躍4個(gè)工作信道，集打包、糾錯(cuò)、檢錯(cuò)等功能于一身，由關(guān)機(jī)到開機(jī)再到發(fā)送數(shù)據(jù)的切換時(shí)間僅為0.2ms，因而可以在無收發(fā)需求時(shí)處于睡眠狀態(tài)，有需求時(shí)快速切換到工作狀態(tài)。 　　2.2、基站硬件系統(tǒng) 　　主機(jī)為高檔PC機(jī);無線通信模塊也是采用RF418無線收發(fā)器;有線網(wǎng)絡(luò)接口部分為以太網(wǎng)卡和/或ControlNet/DeviceNet網(wǎng)關(guān)模塊，這樣系統(tǒng)可連接到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)互連集成，形成基于開放式網(wǎng)絡(luò)的平臺。 　　2.3、嵌入式PC/104總線工控機(jī)特點(diǎn) 　　體積小，PC/104的尺寸為96mmx96mmx15mm，采用高集成度增強(qiáng)型嵌入式專用處理器;重量輕，平均每個(gè)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(shè)計(jì)為工業(yè)級，在惡劣環(huán)境下能穩(wěn)定工作, -25～75C（擴(kuò)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(jié)構(gòu)且不需機(jī)架，可以嵌入到被監(jiān)控的設(shè)備中;具有與低功耗快速高可靠性的無線通信設(shè)備的接口;在系統(tǒng)調(diào)試期間提供與鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)、硬盤、軟驅(qū)的接口，方便調(diào)試;與IBM-PC/AT 標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，在PC機(jī)下的工具軟件及開發(fā)的應(yīng)用軟件可直接運(yùn)行于其上，提供高級語言編程環(huán)境;低成本等優(yōu)點(diǎn)。 3 進(jìn)行智能維護(hù)的機(jī)械傳動系統(tǒng) 　　將設(shè)備智能維護(hù)具體化為對軸承進(jìn)行早期故障診斷，其機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 軸承機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 　　在無線集成網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)中的傳感器信號來自于此處的加速度傳感器，通過監(jiān)測正常軸承數(shù)據(jù)建立智能維護(hù)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，而通過測定不同健康狀況（如點(diǎn)蝕、裂紋、缺滾珠）的軸承的加速度數(shù)據(jù)來建立軸承使用中整個(gè)生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)庫;二者進(jìn)行對比，分析處理。 4 軟件系統(tǒng) 　　4.1 操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件 　　從節(jié)點(diǎn)PC/104嵌入式系統(tǒng)，采用DOS6.2R或WINDOWS CE實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)緊湊性和響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。由于無可視化及與用戶交互的需求，僅需對底層設(shè)備信息進(jìn)行快速加工，處理，采用面向?qū)ο蟮腃++語言?；究刹捎肳INDOWS 2000操作系統(tǒng)，便于圖形化的人機(jī)交互，編程語言采用VC++語言。 　　4.2 應(yīng)用軟件 　　這是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測無線集成網(wǎng)絡(luò)研究及工業(yè)應(yīng)用開發(fā)要解決的另一個(gè)核心技術(shù)，分為兩個(gè)大的層次：從節(jié)點(diǎn)內(nèi)的軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)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(shè)備狀態(tài)進(jìn)行基于行為的計(jì)算取代過去基于模型的計(jì)算處理，據(jù)此進(jìn)行早期診斷、預(yù)維護(hù)和故障修復(fù)，并將少量分析結(jié)果以無線的方式發(fā)給基站;基站內(nèi)的軟件系統(tǒng)，將各個(gè)從節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)建立歷史數(shù)據(jù)庫，基于行為的和基于模型的分析、診斷、處理，詳細(xì)內(nèi)容參見本項(xiàng)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(tài)的診斷智能維護(hù)推廣到其他設(shè)備上，如地鐵建設(shè)中使用的大型盾構(gòu)機(jī)、火車底盤軸承等;將可視化技術(shù)CMOS與無冷卻的紅外線成像技術(shù)應(yīng)用到設(shè)備的智能維護(hù)中;如能采用DSP技術(shù)自行設(shè)計(jì)CPU模塊，不僅可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行的無線通訊模塊的電源管理，還可實(shí)現(xiàn)CPU模塊的電源管理，使CPU模塊也可運(yùn)行于低功耗和睡眠模式。 參考文獻(xiàn)： 　　1. Lee J. “Machine Performance Assessment Methodology and Advanced Service Technologies”, National Academic Press, P75～83,Washington, DC, 1999. 　　2. Goto,K. Etal, “Failure diagnosis of rotating machine by frequency modulation ”, Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Technology 2000. 2000,2:376-381 　　3. Toyota. Etal, “ Condition monitoring and diagnosis of rotating machinery by Gram-charliar expansion of vibration signal”, Fourth International Conference on Knowledge-Based Intelligent Engineering System and Allied Technologies/Proceedings, Kes’2000. 2000,2: 541-544 　　4. Allen Twarowski,” WINS wireless integrated network system”, WINS publications , www.rsc.rockwell.com, 1997-1999. 　　5. 李三平等，“鐵路貨車軸承故障診斷方法”。軸承。2000，（9）：29-31