物聯(lián)網(wǎng)故障設(shè)備檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧榮

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的設(shè)備相對復(fù)雜，人工檢測成本過高，故障檢測誤差較大，因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的故障設(shè)備檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采集模塊獲取故障設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)，利用控制器為SIM900B的GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)各模塊間信息的傳輸，采用核心芯片為S7?200型PLC的檢測診斷模塊，對故障設(shè)備信息進(jìn)行分析和處理，判斷故障產(chǎn)生的原因和位置，實(shí)現(xiàn)對故障設(shè)備的實(shí)時(shí)管理和診斷。軟件設(shè)計(jì)過程中，對基于物聯(lián)網(wǎng)故障設(shè)備檢測系統(tǒng)的流程進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出無線傳感節(jié)點(diǎn)接收和處理故障設(shè)備數(shù)據(jù)的程序代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的可行性及實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 故障設(shè)備； 檢測系統(tǒng)； 無線傳感節(jié)點(diǎn)

中圖分類號： TN958?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0108?03

0 引 言

隨著當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，使得不同的智能化物聯(lián)網(wǎng)機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用率不斷增加。尋求有效的方法，確保設(shè)備的正常運(yùn)行成為相關(guān)人員分析的熱點(diǎn)[1?3]。因此，設(shè)計(jì)合理的智能化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備故障檢測系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用意義。當(dāng)前針對物聯(lián)網(wǎng)下的設(shè)備總體運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和故障的診斷研究方法較多，但是還是以人工為主，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)環(huán)境下的設(shè)備故障特征缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[4?7]，因此，對故障不能實(shí)現(xiàn)快速定位、維修。設(shè)計(jì)針對物聯(lián)網(wǎng)故障設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的檢測系統(tǒng)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的故障設(shè)備檢測系統(tǒng)，對信息進(jìn)行智能處理和分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障信息的有效診斷的一種網(wǎng)絡(luò)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)故障設(shè)備檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)

為了保證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備故障檢測的智能化，本文構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的故障設(shè)備檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)總體上包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信網(wǎng)絡(luò)模塊以及故障診斷模塊，分別對應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的故障設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)，對故障設(shè)備系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)采集模塊的電路圖用圖2描述。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括傳感器、電源適配器、無線通信模塊、設(shè)備故障數(shù)據(jù)存儲模塊、A/D轉(zhuǎn)換器和通信接口構(gòu)成。傳感器用于采集故障設(shè)備數(shù)據(jù)，電源適配器為總體數(shù)據(jù)采集模塊提供能量，無線通信模塊通過IEEE 802.15.4協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳遞。數(shù)據(jù)采集模塊對從故障設(shè)備現(xiàn)場通過傳感器發(fā)送的信號進(jìn)行濾波、放大、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換等操作，并將故障設(shè)備數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備故障數(shù)據(jù)存儲模塊中，采集模塊通過通信接口同其他模塊間傳遞設(shè)備信息。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)模塊中GPRS終端通信硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中故障設(shè)備數(shù)據(jù)的高效傳輸，通信網(wǎng)絡(luò)模塊是總體系統(tǒng)的橋梁，是數(shù)據(jù)采集模塊和檢測診斷模塊間數(shù)據(jù)傳遞的紐帶，具有重要的作用。GPRS終端通信模塊的核心控制器來自于SIMCom公司的無線四頻SIM900B控制器，該控制器可以最低功耗發(fā)送數(shù)據(jù)信息。本文系統(tǒng)選用的GPRS終端通信模塊電路圖用圖4所示。該通信模塊主要由SIM900B控制器、射頻模塊、電源模塊、存儲器以及應(yīng)用接口等構(gòu)成。GPRS終端通信模塊的優(yōu)勢為：

（1） 提供語音、數(shù)據(jù)、短消息傳真等服務(wù)；

（2） 內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧；

（3） 過低的功耗，休眠情況下僅需2.0 mA電流等。

GPRS通信終端可以連帶主控制管腳，通過單片機(jī)控制其功能，也需要連接診斷模塊，以便在故障發(fā)生時(shí)，快速實(shí)現(xiàn)定位。

2.3 檢測診斷模塊硬件設(shè)計(jì)

檢測診斷模塊是故障檢測系統(tǒng)的核心部分，主要用于實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的分析和診斷。本文將SIEMENS公司的S7?200型PLC當(dāng)成作為系統(tǒng)檢測診斷模塊的基礎(chǔ)芯片，PLC模塊的電路圖用圖3描述。PLC系統(tǒng)主要由中央處理單元（CPU）、信號模塊、通信處理器，診斷分析模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊以及接口模塊等構(gòu)成。該系統(tǒng)將CPU224當(dāng)成CPU。擴(kuò)展模擬量輸入模塊EM231以及開關(guān)量輸出模塊EM222。集成的PROFIBUS?DP接口用于采集實(shí)時(shí)故障設(shè)備數(shù)據(jù)，并將獲取的實(shí)時(shí)故障設(shè)備數(shù)據(jù)反饋給診斷分析模塊，診斷分析模塊則針對故障設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷故障產(chǎn)生的原因和位置，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警和分析。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體流程

設(shè)計(jì)主體部分由硬件實(shí)現(xiàn)，軟件部分的工作主要為硬件初始化和故障數(shù)據(jù)顯示，以及啟動(dòng)設(shè)備故障檢測程序。先采用傳感器節(jié)點(diǎn)獲取設(shè)備各部件的數(shù)據(jù)信息，采集模塊可將這些信息傳輸?shù)綑z測診斷模塊中的計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集模塊中的計(jì)算機(jī)將獲取的數(shù)據(jù)反饋給遠(yuǎn)程服務(wù)器。檢測診斷模塊中的計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)后，依據(jù)事先設(shè)置的協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理，再比較數(shù)據(jù)同服務(wù)器本地?cái)?shù)據(jù)。如果本地?cái)?shù)據(jù)列表中有該設(shè)備，則同該設(shè)備信息進(jìn)行匹配，分析數(shù)據(jù)包是否完整，當(dāng)數(shù)據(jù)包存在缺失，則將其過濾。若數(shù)據(jù)列表中不存在該設(shè)備，則將設(shè)備數(shù)據(jù)存儲在新的數(shù)據(jù)列表中。診斷設(shè)備故障情況時(shí)，應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^設(shè)備故障診斷算法對讀取的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，若設(shè)備不存在故障，則返回設(shè)備的狀態(tài)信息，并顯示設(shè)備故障信號；否則，將做出設(shè)備故障診斷信息，并給出具體的維修策略。

3.2 系統(tǒng)軟件流程關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)

創(chuàng)建線程InfoGather和FaultDete，兩個(gè)線程可實(shí)現(xiàn)信息匯聚以及故障診斷算法的處理，并且設(shè)備數(shù)據(jù)處理程序也主要在該兩個(gè)線程中完成。

qmonl_shape（ qmonlt *thread_idl， /* 線程 ED*/

const qmonlattrt *attr， /*控制線程與其他部分的交互*/

（void *）InfoGather （void *），void *arg /*故障檢測線程函數(shù)*/

）；

qmonl_shape（ qmonl t *thread—id2， /*故障確認(rèn)線程ED*/

const qmonlattrt *attr， /*對線程同其他部分交互進(jìn)行調(diào)控*/

（void *）FaultDete （void ？），void *arg

/*錯(cuò)誤數(shù)據(jù)采集線程函數(shù)*/

）；

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

齒輪箱是物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)械過程中經(jīng)常使用的設(shè)備，選擇大型自動(dòng)化智能物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)中的HRP?310型齒輪箱的振動(dòng)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)測試樣本。該齒輪箱由電機(jī)帶動(dòng)，齒輪箱中包含輸入軸、中間軸和輸出軸組成。齒輪箱的實(shí)驗(yàn)平臺如圖4所示。

4.2 故障類型

為了診斷齒輪的不同故障特征，在以上實(shí)驗(yàn)平臺上設(shè)置了斷齒、內(nèi)圈點(diǎn)蝕、外圈點(diǎn)蝕、以及保持架斷裂4種故障。用銼刀齒輪的中間軸上銼去一齒，使得其變成斷齒，在軸承的內(nèi)圈、外圈以及保持架分別設(shè)置蝕故障和斷裂故障。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行故障檢測，將得到的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)。表1描述的是采用本文系統(tǒng)和文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)檢測實(shí)驗(yàn)齒輪故障發(fā)生率的結(jié)果與真實(shí)齒輪故障發(fā)生率的對比結(jié)果。分析表1可以看出，采用本文系統(tǒng)對齒輪故障進(jìn)行檢測的結(jié)果明顯高于文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。通過經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測后統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)對于4種類型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的故障診斷情況，計(jì)算本文系統(tǒng)的誤報(bào)率、漏報(bào)率和診斷準(zhǔn)確率，結(jié)果如表2所示。通過表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較低的誤報(bào)率和漏報(bào)率，同時(shí)具備較高的故障辨識能力和魯棒性，極大增強(qiáng)了設(shè)備故障診斷的有效性和準(zhǔn)確性。

表1 兩個(gè)系統(tǒng)的檢測結(jié)果比較 %

表2 本文系統(tǒng)故障診斷結(jié)果 %

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到故障設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，通過故障診斷方法全面、及時(shí)診斷設(shè)備安全狀況，進(jìn)而提高設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測精度，增強(qiáng)設(shè)備檢測系統(tǒng)性能。并且該系統(tǒng)還可快速感知故障的運(yùn)行狀態(tài)，大幅提升了故障設(shè)備檢測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的工作可靠性和抗干擾能力。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的故障設(shè)備檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采集模塊獲取故障設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)，利用控制器為SIM900B的GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)各模塊間信息的傳輸，采用核心芯片為S7?200型PLC的檢測診斷模塊，對故障設(shè)備信息進(jìn)行分析和處理，判斷故障產(chǎn)生的原因和位置，實(shí)現(xiàn)對故障設(shè)備的實(shí)時(shí)管理和診斷。軟件設(shè)計(jì)過程中，對基于物聯(lián)網(wǎng)故障設(shè)備檢測系統(tǒng)的流程進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出無線傳感節(jié)點(diǎn)接收和處理故障設(shè)備數(shù)據(jù)的程序代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的可行性及實(shí)用性。

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