一種新型泵車監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)

吳運新，石文澤

(中南大學機電工程學院，湖南長沙410083)

0 引言

混凝土泵車是一種移動式的工程機械，結構復雜，工作環(huán)境惡劣，維護難度大，是一個典型的承受交變動載荷的懸臂梁結構［1］.由于泵送系統(tǒng)的換向沖擊和臂架回轉的慣性沖擊引起泵車的抖動和共振，鋼結構易產生疲勞裂紋［2］;且液壓泵始終在高壓大流量狀態(tài)下工作，雙缸換向頻繁，液壓系統(tǒng)常出現(xiàn)系統(tǒng)故障(油溫過高、內部泄露)和元件故障(油泵軸扭斷、電磁鐵燒壞).因此采取恰當?shù)慕】当O(jiān)測手段，準確把握泵車的運行狀態(tài)信息，對泵車的安全使用、預判性地安排維護計劃具有重要的意義［3］.

易小剛等采用虛擬儀器PXI-1052采集平臺及SCXI-1520信號調理卡，在LabVIEW中實現(xiàn)了信號的采集和處理［1］，雖然具有很高的采樣頻率和信號精度，但是成本很高、線路繁多、測點布置困難.郭文川等采用ZigBee技術設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)［4］，雖然解決了布線復雜、節(jié)點功耗大等問題，但是卻忽視ZigBee傳輸速率相對較慢、傳輸穩(wěn)定性較差等缺點.為此，筆者研究開發(fā)了一套混凝土泵車監(jiān)測系統(tǒng)，在易布置測點和走線靈活的部件采用CAN總線傳輸，否則采用ZigBee無線發(fā)送，既解決了測點布置不靈活和線路復雜等問題，又最大限度地滿足了采樣頻率的要求，提高監(jiān)測效率，降低成本.

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 數(shù)據(jù)傳輸方案

CAN總線采用短幀結構，借助接受濾波的多址接受濾波傳送，受干擾概率低，最大傳輸速率達1 Mbit/s，最大傳輸距離達10 km，而且可以減少連接線的數(shù)量，避免連接線信號相互干擾，大大減少出錯機率和維護難度［5-6］，故本系統(tǒng)在方便布線的測點優(yōu)先采用CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，例如布置在泵車的轉塔和轉塔處的加強筋板等易開裂處的測點.對于布置在泵車4節(jié)臂架的連接銷子、主焊縫、U型板和頂板母材等易開裂處的測點，不方便布線，采用具有近距離、低功耗、低成本、時延短、方便路由、網(wǎng)絡容量大及高可靠性等特點的無線ZigBee傳輸方式［7-8］.

1.2 系統(tǒng)的構成

如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集傳輸和狀態(tài)監(jiān)測兩部分組成.數(shù)據(jù)采集傳輸部分負責對臂架傾角及加速度、開裂故障頻發(fā)及對泵車安全影響大的部位的應變和各個油缸壓力及溫度進行采集、調理并轉換，通過無線ZigBee和CAN總線上傳至工控機，實現(xiàn)對泵車狀態(tài)信息的統(tǒng)一采集和管理.主要由:泵車結構、姿態(tài)、振動以及泵送油路等信息傳感器;數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊;ZigBee接收與轉CAN模塊;CAN總線采集模塊4部分組成.狀態(tài)監(jiān)測和危險預警部分主要由運行于工控機和數(shù)據(jù)庫管理軟件組成，狀態(tài)監(jiān)測軟件負責總線適配器的配置和泵車狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀取;實時數(shù)據(jù)的分析計算，以動態(tài)曲線及特征量的形式對各狀態(tài)量進行顯示;對超出系統(tǒng)設定警戒值的狀態(tài)量進行預警判斷;將各狀態(tài)量通過GPRS上傳至本地或者統(tǒng)一的維護監(jiān)控中心進行管理;通過RS485總線將狀態(tài)量送到現(xiàn)場顯示屏，供施工人員參考;實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢、回放、時域分析、頻域分析和相關性分析.

圖1 系統(tǒng)構成框圖Fig.1 The system composing block diagram

1.3 應變的獲取

應變信號主要通過應變片來捕捉，動靜態(tài)應變儀精度雖很高，但體積大、價格昂貴、操作復雜，因此本系統(tǒng)采用四片具有高精度低功耗特點的350 ΩBHF系列箔式電阻應變片組建惠斯通電橋.相鄰的兩片分別作為測量片和溫度補償片，另外兩片作為比較臂.通過電路電橋將應變及電阻的變化轉換為電壓的變化，再經(jīng)過MAX4196(Ay=10)將其放大10倍，最后通過MAX1452對其進行信號的調理和補償，最終輸出0～5 V的標準電壓輸出.MAX1452的信號調理與補償原理如圖2所示.

MAXl452是一款高度集成、可優(yōu)化阻型元件的模擬傳感器信號處理芯片，具有放大、校準和溫度補償功能.由圖2可知

式中:UOUT是 MAX1452模擬輸出電壓;UINP和UINM分別是電橋的正輸入端和負輸入端電壓;UIRO為傳感器輸入端粗調偏移電壓;PGA為增益放大倍數(shù);UOFFSETDAC和 UOFFSETTCDAC分別是偏移量校準DAC和偏移量溫度系數(shù)DAC電壓.

采用YE1940A型動態(tài)電阻應變儀和等強度梁對該應變調理傳感裝置進行校準和標定，根據(jù)泵車鋼材的屈服應力和易開裂部位的應力水平，結合精度要求確定(-7 000)～(+7 000)με的可測范圍，該量程下的最大誤差低于總量程的8‰.

圖2 MAX1452補償原理圖Fig.2 The principle diagram of MAX1452 compensating

2 系統(tǒng)硬件

2.1 數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊

該模塊包括信號調理提取電路、模數(shù)轉換器、單片機、無線收發(fā)器和電源穩(wěn)壓電路，主要完成物理信號的調理、采樣和轉換并接收ZigBee接收與轉CAN模塊的命令幀，回復相應的數(shù)據(jù)幀或狀態(tài)幀.

信號獲取調理電路包括電橋和信號調理芯片，主要用于應變信號的調理.模數(shù)轉換器采用低功耗、8通道、4 MHz輸出帶寬、200 ksps轉換速率、16位精度的芯片MAX1168.單片機采用最高8 MIPS處理能力、低功耗、集成SPI串行外圍接口和SCI串行通訊接口的8位芯片ATmegal128L-8AU.無線收發(fā)器采用專注于20～250 kbps低傳輸速率并具有ZigBee技術的2.4 GHz射頻收發(fā)器CC2420.電平轉換利用8位雙向電平轉換芯片NH245來實現(xiàn)3.3 V數(shù)據(jù)總線和5.0 V數(shù)據(jù)總線之間的相互通信.電源穩(wěn)壓電路采用1塊大容量鋰電池和2片帶線性穩(wěn)壓器的升壓型DC-DC變換器 MAX1706，為 MAX1452的供電電壓、MAX1168和ATmegal128-16AU的模擬參考電壓提供線性穩(wěn)壓 5.0 V，并分別為 CC2420、MAX1168和ATmegal128-16AU數(shù)字供電電壓提供DC-DC直流升壓3.3、5.0 V.當鋰電池電壓低于設定的報警閾值時，將產生中斷信號到ATmegal128的中斷引腳，停用所有耗電設備，防止鋰電池的過度損耗.

該模塊工作過程主要包括以下內容.

(1)調理器初始化，當 MAX1452需要調整時，將其UNLOCK引腳置為高電平，進入配置模式，ATmegal128通過串行通訊接口USART向其EEPROM中寫入相關的配置參數(shù);若不需要，將其UNLOCK引腳置為低電平，上電后自動加載配置參數(shù)，進入工作模式，ATmegal128則通過串行外圍接口SPI向CC2420寫入初始化參數(shù)，使其處于接收狀態(tài).

(2)接收指令啟動采集，當收到ZigBee接收與轉CAN模塊的請求該節(jié)點發(fā)送指令后，ATmegal128由SPI接口向MAX1168的DIN引腳寫入帶轉換通道的指令，隨后通過其DOUT引腳返回轉換后的數(shù)字量，并由EOC引腳產生中斷到AT-megal128，保證轉換快速高效進行.

(3)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，將源節(jié)點、目的節(jié)點和轉換后的數(shù)字量等打包成IEEEIEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀后，ATmegal28經(jīng)由SPI接口將該幀通過CC2420的SI引腳寫入TXFIFO發(fā)送寄存器中，通過SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳返回其數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，在成功建立通信連接且發(fā)送通道空閑時，再將TXFIFO中數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去.

2.2 ZigBee接收與轉CAN模塊

該模塊包括電源穩(wěn)壓電路、無線收發(fā)器、單片機、CAN控制器和CAN控制器接口.

電源穩(wěn)壓電路:泵車主要使用+12V/+24V的直流電源，通過直流降壓電壓調節(jié)芯片(LM2575-5.0T)降壓得到+5 V的穩(wěn)定電壓，再通過線性降壓器(REG1117-3.3)可以輸出+3.3 V的穩(wěn)定電壓.

CAN控制器:采用MCP2515，它是一款獨立控制器局域網(wǎng)絡協(xié)議控制器，完全支持 CAN V2.0B技術規(guī)范，最高通訊速率達1 Mbps.

CAN控制器接口:采用PCA82C250，它是一種提供CAN控制器和CAN物理總線之間互聯(lián)接口，能夠兼容不同類型的總線數(shù)據(jù)包發(fā)送和CAN控制器數(shù)據(jù)幀接收.

多個數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊與ZigBee接收與轉CAN模塊之間的通信采用分時技術將點對多點的通信方式轉為點對點的通信.當Zig-Bee接收與轉CAN模塊收到來自CAN總線的請求該節(jié)點發(fā)送指令后，將建立與所有數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊無線通信地址列表，并為每個數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊分配唯一地址，然后依次輪詢每個數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送節(jié)點模塊，發(fā)出相應帶地址信息的請求發(fā)送指令，啟動該數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送子程序，而終止與其他數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊的通信.

2.3 CAN總線采集模塊

該模塊直接將采集的物理量轉換成數(shù)字量并打包成CAN幀，完成信號的有線采集和總線傳輸.包括信號調理提取電路、模數(shù)轉換器、單片機、CAN控制器和CAN控制器接口.

單片機ATmegal128首先完成MAX1452和MCP2515初始化設置，并使其處于工作模式.當從CAN總線收到請求該節(jié)點發(fā)送指令后，將啟動MAX1168的采集轉換子程序，將模數(shù)轉換后的數(shù)字量打包成CAN數(shù)據(jù)幀，送入CAN總線.

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由控制系統(tǒng)硬件完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的C語言程序與負責數(shù)據(jù)接收與處理的泵車監(jiān)測軟件兩部分組成.

3.1 系統(tǒng)硬件C程序

在AVR STUDIO開發(fā)環(huán)境中，按照用戶程序開發(fā)思想編寫相應的C語言，通過JTAG調試口下載到單片機中，主要完成芯片初始化設置、物理信號的采樣和模數(shù)轉換、幀的封裝和解包、幀的接收和發(fā)送，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件模塊的數(shù)據(jù)采集傳輸功能.

3.2 監(jiān)測界面

應用LabVIEW為平臺，以USBCAN按口卡為紐帶，構建了泵車實時監(jiān)測界面.

3.2.1 總線適配器與設備驅動

采用GY8508的USB CAN200總線適配器，通過LabVIEW中的調用庫函數(shù)節(jié)點CLFN(Call Library Function Node)訪問生產廠商提供的動態(tài)鏈接庫(VCI_CAN.DLL)的方法來驅動該總線適配器.

3.2.2 上位機軟件設計

監(jiān)測界面主要采用基于生產者消費者和基于事件結構的兩種設計模式.基于事件結構的設計模式具有高效，避免循環(huán)壓力過大的優(yōu)點;而基于生產者消費者的設計模式能保證數(shù)據(jù)無失真保存，解決幾個循環(huán)程序間數(shù)據(jù)共享，避免采用局部變量的數(shù)據(jù)傳輸模式而導致數(shù)據(jù)丟失.

如圖3所示，左流程框圖為生產者循環(huán).在生產者循環(huán)中采用事件結構，用于總線適配器的參數(shù)設置、打開和關閉、緩沖區(qū)清空、監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點列表的建立、CAN幀的發(fā)送和接收.首先，向CAN總線發(fā)出CAN節(jié)點查詢指令，連接到CAN總線的每個CAN總線采集模塊節(jié)點在收到該指令后回復其CAN節(jié)點編號，而連接到 CAN總線的ZigBee接收與轉CAN模塊在收到該指令后會向處于同PAN ZigBee網(wǎng)絡的每個數(shù)據(jù)采集與Zig-Bee發(fā)送模塊發(fā)出ZigBee節(jié)點查詢指令，數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊節(jié)點在收到該指令后將回復其ZigBee節(jié)點編號.接著，統(tǒng)計所有回復的節(jié)點編號，建立監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點列表.然后，判斷是否有節(jié)點的增減.若有，則重新發(fā)送節(jié)點查詢指令，修改監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點列表;否則根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點列表記載的節(jié)點，依次向每個節(jié)點發(fā)出請求該節(jié)點發(fā)送的指令.若收到數(shù)據(jù)幀，則直接將其送入隊列，否則重新發(fā)出請求該節(jié)點發(fā)送的指令.當重新發(fā)送次數(shù)超過N時，表明該節(jié)點已經(jīng)不存在或者出故障，需要重新發(fā)送CAN節(jié)點查詢指令，以更新監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點列表.生產者循環(huán)將接收到的數(shù)據(jù)幀放入隊列中，等待消費者循環(huán)處理.

圖3右流程框圖為消費者循環(huán).在消費者循環(huán)中也采用事件結構，用于從隊列中取出CAN幀并解包、數(shù)字量的標定、信號的實時曲線顯示及結構危險點預警、數(shù)據(jù)的存儲、信號特征值的提取分析和數(shù)據(jù)報表的生成.本系統(tǒng)采用比較高效、專門用于信號數(shù)據(jù)存儲文件格式TDMS來記錄歷史數(shù)據(jù)，可以在采集數(shù)據(jù)的同時就將其保存到硬盤，在需要時還可以迅速讀回所需數(shù)據(jù)［9］.

圖3 主程序流程框圖Fig.3 Main procedure flow diagram

4 試驗驗證

以臂架在典型工況下有限元計算的應力分布結果為參考，在計算應力水平大、應力梯度變化緩慢的部位和應力梯度變化較大的部位進行應力應變測試.如圖4所示為泵車特定工況下1號臂架某危險部位應變(單位:με)的歷史曲線和傅立葉變換后的幅頻曲線.

5 結論

圖4 實驗測試時域及FFT變換頻域結果Fig.4 The experimental measurements in time and frequency domains

開發(fā)了一種體積小、安裝方便且滿足要求的低成本、低功耗測量應變裝置實現(xiàn)了泵車應力信號采集與分析;設計了基于CAN總線的信號傳輸方案與基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡，極大地降低了系統(tǒng)出錯機率和維護難度，并實現(xiàn)了單區(qū)域內同時監(jiān)測數(shù)十個無線傳感器節(jié)點;在LabVIEW的開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)了對泵車的CAN網(wǎng)絡的監(jiān)測，能快捷方便地進行信號的處理分析.

實際應用表明該系統(tǒng)可靠地實現(xiàn)了泵車關鍵部位(特別是臂架系統(tǒng))的應力、傾角和加速度以及泵送液壓系統(tǒng)的溫度和壓力等信號的采集，通過提取信號中所隱含結構、姿態(tài)、振動和泵送信息可以對泵車的健康狀態(tài)進行評價、危險部位的準確預測和設備故障的預知，以便及時安排維修，提高了泵車的使用性能，同時為疲勞壽命分析和健康監(jiān)測提供了可靠的依據(jù).

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