M2M技術(shù)在鋼鐵連鑄設(shè)備MRO協(xié)作平臺中的應(yīng)用

張曉芳，劉 敏，嚴(yán)雋薇

(同濟(jì)大學(xué) CIMS研究中心，上海 201804)

國內(nèi)制造業(yè)的設(shè)備維修管理服務(wù)需求不斷攀升。迫切需要研發(fā)面向大型裝備的維修、維護(hù)和大修MRO(Maintenance，Repair and Overhaul)協(xié)作平臺，為裝備制造企業(yè)、裝備用戶企業(yè)和裝備服務(wù)企業(yè)提供全面的數(shù)字化解決方案和信息化集成技術(shù)，推動制造服務(wù)業(yè)跨越式發(fā)展[1]。目前，雖然對鋼鐵連鑄設(shè)備的MRO協(xié)作平臺的研究已有一定的成果，但還有一些不足：(1)由于缺少有效的信息通信機(jī)制，不能自動、實時、準(zhǔn)確、詳細(xì)地獲取連鑄設(shè)備的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境、生產(chǎn)加工等信息，造成鋼鐵企業(yè)的連鑄生產(chǎn)線與企業(yè)信息化系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)緊密的信息集成。(2)由于連鑄生產(chǎn)線設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境非常惡劣，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸頻繁，從而使得難以對全部的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

本文正是在這種背景下，提出M2M(Machine to Machine)技術(shù)在此協(xié)作平臺中應(yīng)用。M2M即機(jī)器與機(jī)器之間的通信，通過一些通信模塊實現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間數(shù)據(jù)交換[2]。其具有以下優(yōu)點：無需人工干預(yù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動上傳，提高了信息處理效率；數(shù)據(jù)集中處理與保存，實現(xiàn)信息集中管理；數(shù)據(jù)保存時間長，存儲安全；可實現(xiàn)實時監(jiān)控和控制，時效性高；無線方式傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端運行狀態(tài)，保障業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行。利用M2M的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)和CDMA遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù)，實現(xiàn)從傳感器到測控中心的遠(yuǎn)程無線傳輸方案，解決了鋼鐵連鑄設(shè)備的MRO協(xié)作平臺面臨的問題。

1鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括連鑄設(shè)備(A，…，N)采集節(jié)點模塊、傳感器及鋼鐵連鑄設(shè)備參數(shù)的局域網(wǎng)、CDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)、鋼鐵連鑄設(shè)備遠(yuǎn)程服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫以及遠(yuǎn)程用戶終端等幾個部分。

其中，連鑄設(shè)備采集節(jié)點模塊組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，基于TI公司的ZigBee技術(shù)方案，即CC2430芯片結(jié)合無線ZigBee協(xié)議線實現(xiàn)的ZigBee MESH網(wǎng)[2]，如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包含傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器和匯聚節(jié)點3種設(shè)備。協(xié)調(diào)器通過433 MHz射頻技術(shù)組成一個星型網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點可以將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁髯缘膮f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)匯總后，再通過433 MHz射頻技術(shù)傳送到星型網(wǎng)匯集器，即整個系統(tǒng)的匯聚節(jié)點，然后通過CDMA技術(shù)，將采集數(shù)據(jù)通過無線CDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet對接，最終把數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。該系統(tǒng)的關(guān)鍵電路包括ZigBee無線傳輸模塊接口和CDMA無線通信模塊接口兩部分。

圖1 鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計

鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是連鑄設(shè)備傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊、微處理器模塊 (由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括 CPU、存儲器等)、無線通信模塊和電源模塊四個單元，如圖2所示。其中，傳感器模塊完成監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和信號轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)載控制整個傳感器節(jié)點的操作、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源管理模塊為其他功能模塊單元提供正常工作所必需的能源。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.1傳感器模塊

連鑄生產(chǎn)線的設(shè)備狀態(tài)信號有振動位移、振動加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、電流等信號。本文選用德國HLP公司TS118-3紅外溫度傳感器，該傳感器采用熱電堆紅外非接觸測溫技術(shù)，紅外測溫技術(shù)能快速、可靠地測量熱的、危險的或難以接觸的物體，且不會污染或損壞被測物。非接觸紅外測溫技術(shù)可方便地測量物體的表面溫度，不需要機(jī)械地接觸被測物體。測溫范圍從-40℃～3 000℃，加上光路后測量距離從0～10 m均可準(zhǔn)確測量。本文設(shè)計的溫度傳感器模塊電路圖如圖3所示。

2.2微處理器模塊

微處理器模塊選用了TI公司的CC2430芯片。CC2430芯片上集成了ZigBee射頻CC2420芯片，其具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性，并集成了內(nèi)存和一個 8 bit的8051微控制器，具有128 KB的RAM和高性能、低功耗的微控制器，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器 (Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用 7 mm×7mm QPL封裝，共有48個引腳，分為電源線引腳、控制線引腳和 I/O端口引腳；采用 0.18 μm CMOS工藝，工作時的電流損耗為 27 mA，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430具有休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性[3]。

2.3電源模塊

電源模塊采用鋰電池為傳感器節(jié)點運行提供必需的能量。電池監(jiān)測采用MAXIM公司的DS2762，它集數(shù)據(jù)采集、信息存儲和安全防護(hù)于一身，功能強(qiáng)大，僅1根雙向數(shù)據(jù)線與控制器通信。DS2762芯片具有兩種電源模式：工作模式下，可實時監(jiān)測電壓、電流和剩余電量等參數(shù)，最大工作電流為 90 μA；睡眠模式下，最大電流≤2 μA[4]，符合低功耗的要求。電源模塊電路原理如圖4所示。因電池容量有限，傳感器節(jié)點的硬件和軟件設(shè)計均首要考慮降低功耗。為實現(xiàn)長期測試，系統(tǒng)提供兩種方式供給能源。

(1)外接交流電源供電：連鑄生產(chǎn)線的設(shè)備安裝有照明等220 V交流電源，通過AC/DC模塊可將其轉(zhuǎn)換為+3.3 V，此方案適用于附近有交流電源可借用的節(jié)點。

圖4 微處理器模塊和電源模塊電路圖

(2)更換鋰電池：鋰電池設(shè)計成推拉式機(jī)械安裝，易于更換。實際應(yīng)用時，無線傳感器節(jié)點和焊接式電阻應(yīng)變計之間常通過一定長度(0.5～2 m)的屏蔽導(dǎo)線連接，其優(yōu)點是使通信模塊天線盡可能位于空曠位置，減少金屬障礙物阻擋；無線傳感器節(jié)點可安裝在技術(shù)人員便于到達(dá)的位置，易于更換電池。對于戶外機(jī)械，若個別位置非常不易于前往更換電池，也可外接太陽能電池供電，只是電池板尺寸、蓄電池容量大小、安裝角度以及與金屬結(jié)構(gòu)間的安裝方式均需根據(jù)具體情況設(shè)計。

3 CDMA無線通信模塊接口設(shè)計

鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CDMA無線通信方式，向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。相對于GPRS方式而言，CDMA無線傳輸方式在穩(wěn)定性、速度、帶寬等方面更具優(yōu)勢。CDMA無線通信模塊選用AnyDATA公司的DTU800，為目前世界上同類型產(chǎn)品中體積最小、速度最快的CDMA數(shù)據(jù)模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)153.6 kb/s，平均速率為80 kb/s～100 kb/s[5]。CDMA無線通信模塊與處理器的連接較為簡單，將DTU 800的標(biāo)準(zhǔn)串口與處理器的串口連接即可，接口電路如圖5所示。本設(shè)計使用 CC2430的 USART0端口(TXD、RXD引腳)與 DTU800的USART1端口 (DP_TXD、DP_RXD引腳)傳輸數(shù)據(jù)。DTU800內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，大大降低了數(shù)據(jù)通信設(shè)計的難度，也增強(qiáng)了微處理器處理其他數(shù)據(jù)的能力。DTU800支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令，DTU與MCU主機(jī)單元的通信可通過調(diào)用相應(yīng)的AT指令實現(xiàn)。

4軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要完成監(jiān)控節(jié)點采集數(shù)據(jù)的接收和處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳等任務(wù)。軟件采用模塊化設(shè)計方式，主要功能模塊包括ZigBee通信處理模塊、CDMA通信處理模塊等部分。

圖5 CDMA無線通信模塊接口電路

(1)ZigBee通信處理程序設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時，接收來自匯聚節(jié)點的查詢命令，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收時，轉(zhuǎn)入休眠模式，使節(jié)點功耗降到最低。而匯聚節(jié)點一方面負(fù)責(zé)組建無線網(wǎng)絡(luò)；另一方面將兩個使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接在一起，實現(xiàn)兩種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的通信任務(wù)，并把接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點程序流程圖如圖6所示。

(2)CDMA無線通信程序設(shè)計

匯聚節(jié)點以固定的時間間隔向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，同時接收遠(yuǎn)程服務(wù)器的控制指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。匯聚節(jié)點系統(tǒng)上電時，先執(zhí)行初始化，然后使用AT指令建立 PPP、TCP/UDP通道連接，接入CDMA網(wǎng)絡(luò)，并獲得CDMA移動通信數(shù)據(jù)網(wǎng)管系統(tǒng)動態(tài)分配的IP地址。連接建立后，當(dāng)基站的數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，即可直接將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給DTU打包傳送。

數(shù)據(jù)傳輸采用面向連接的、可靠的TCP協(xié)議。在使用CDMA通信模塊前，需要對DTU進(jìn)行設(shè)置，以設(shè)定其工作方式。CDMA通信程序要完成DTU的設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)往遠(yuǎn)程服務(wù)器、接收應(yīng)答和控制信令等操作。匯聚節(jié)點定時進(jìn)行CDMA數(shù)據(jù)發(fā)送的中斷程序流程，如圖7所示。

圖6 傳感器節(jié)點及匯聚節(jié)點程序流程圖

本文根據(jù)鋼鐵連鑄設(shè)備MRO協(xié)作平臺的需要，利用基于M2M的關(guān)鍵技術(shù)ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和CDMA通信，構(gòu)建了遠(yuǎn)程采集鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為鋼鐵連鑄設(shè)備MRO協(xié)作平臺提供了有效的數(shù)據(jù)源。以便鋼鐵連鑄MRO協(xié)作平臺自動、實時、準(zhǔn)確、詳細(xì)地獲取設(shè)備的運作情況實現(xiàn)對設(shè)備故障的預(yù)測。

雖然該系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場得到了應(yīng)用和驗證，但是對M2M技術(shù)在鋼鐵連鑄設(shè)備MRO協(xié)作平臺的應(yīng)用尚處于起步階段，尤其是在使用環(huán)境比較惡劣，且連鑄設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的情況下，其工作的穩(wěn)定性和可靠性還有待驗證。只有通過大量的現(xiàn)場試驗，才能進(jìn)一步完善系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定成熟，達(dá)到其要求。

圖7 CDMA無線通信程序流程圖

[1]FLOTTAU J.Overhauling MRO[J].McGraw-Hill Companies，2005.

[2]王玨明，馮改玲，王漫，等．基于M2M平臺的無線傳感網(wǎng)的研究[J]．計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2006，23(7)：81-82，87．

[3]TI公司.SmartRF CC2430 peliminary(rev 1.01).2005.

[4]MAXIM公司.DS2762 Data Sheet.

[5]Any DATA．NET Inc．CDMA TeinaI DTu-800x reference manual[M]．2004．