基于RCM的SDH傳輸設備高溫預警系統(tǒng)設計

邵志偉

(北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司，北京 100192)

SDH傳輸設備即同步數(shù)字傳輸體制設備，是一種重要的數(shù)據(jù)傳輸設備類型，與傳統(tǒng)傳輸設備相比，這種傳輸體制規(guī)范了待傳輸?shù)臄?shù)字信號的幀結(jié)構(gòu)、復用方式以及傳輸速率等級等特性，因此，具有傳輸穩(wěn)定和速度快的應用優(yōu)勢?，F(xiàn)如今SDH技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為傳輸網(wǎng)絡最為成熟的技術(shù)，被廣泛地應用到諸多行業(yè)中。SDH傳輸設備的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)較為復雜，具體包括終端復用器、分插復用器、再生中繼器等多個元件，設備內(nèi)部的任意一個元件發(fā)生故障，都會影響SDH傳輸設備的性能和使用壽命，為保證數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行，需要對其中的SDH傳輸設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測[1]。SDH傳輸設備溫度是反映設備是否發(fā)生故障的主要特征之一，SDH傳輸設備內(nèi)部出現(xiàn)故障，會導致故障元件的電阻迅速升高，同時消耗的功率也會隨之增加，導致SDH傳輸設備表面的溫度驟增。為實現(xiàn)對SDH傳輸設備溫度的有效控制，設計相應的高溫預警系統(tǒng)。

國內(nèi)傳輸設備高溫預警系統(tǒng)的研究設計經(jīng)歷三個階段，分別為：人工逐點測量、分布式光纖監(jiān)測和無線自動監(jiān)測。人工逐點測量消耗的人力資源較多且危險性較大，分布式光纖監(jiān)測需要利用有線通信資源，對監(jiān)測環(huán)境的要求較高。鑒于上述兩個原因，目前市面上使用范圍較廣的高溫預警系統(tǒng)大多采用無線自動監(jiān)測的形式。綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，目前發(fā)展得較為成熟的高溫預警系統(tǒng)包括：基于ZigBee的高溫報警系統(tǒng)、基于DS18B20的預警系統(tǒng)以及基于ARM的預警系統(tǒng)。然而在實際的應用過程中發(fā)現(xiàn)，上述傳統(tǒng)的高溫預警系統(tǒng)設置的預警門限較高，因此經(jīng)常出現(xiàn)漏報和錯報的情況，為此引入RCM的概念。

RCM是柔性化制造單元自動化控制調(diào)度系統(tǒng)，可以為生產(chǎn)支持設備中的所有單元進行自動化排產(chǎn)調(diào)度，在SDH傳輸設備高溫預警系統(tǒng)的優(yōu)化設計工作中，主要以SDH傳輸設備內(nèi)部的工作模式進行調(diào)度分析，根據(jù)不同設備的運行參數(shù)設置合理的預警門限，間接地提升系統(tǒng)的預警精度。

1 SDH傳輸設備高溫預警硬件系統(tǒng)設計

1.1 單片機處理器

系統(tǒng)選用AT89C52單片機為核心處理器，該單片機采用40針PDIP封裝和44針PLCC封裝，內(nèi)置8位CPU，5個兩級中斷結(jié)構(gòu)和1個時鐘振蕩器電路[2]。單片機用于“空閑模式”下的RAM、串行、計時器等功能維護，在“關(guān)機模式”下，保存RAM數(shù)據(jù)，停止時鐘振蕩的同時停止其他功能。

1.2 溫度傳感器

采用溫度傳感器實時采集被測節(jié)點的溫度信息，通過無線通信的方式與溫度監(jiān)控模塊進行數(shù)據(jù)交換，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看出，溫度傳感器包括溫度測量模塊、主控制器模塊、射頻收發(fā)模塊三大模塊。測溫芯片LM75BD通過I2C總線與控制器進行通信。CC2530控制器中的晶振電路包括：32mhz晶振電路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常接收和發(fā)送；32.768kHz晶體振蕩電路，采用休眠模式，以降低芯片功耗。微分信號的輸出端采用CC2530芯片的RF_N和RF_P引腳，模塊中使用的天線是非平衡單極子天線，需要匹配電路實現(xiàn)差分到單端轉(zhuǎn)換功能，濾波電路采用π型濾波，消除高頻信號的干擾。該天線使用外部單端天線。選取LM75BD型號的溫度傳感器，該傳感器包括具有I2C總線接口的數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換器和具有I2C總線接口的a/D 轉(zhuǎn)換器[3]。另外，LM75BD還可以設置為兩種工作模式：正常模式和關(guān)機模式。該方法可對環(huán)境溫度進行常規(guī)檢測，在關(guān)機模式下最大限度地降低功耗，有利于整個系統(tǒng)的低功耗設計。在單線總線上可掛載多個傳感器芯片，實現(xiàn)多點溫度測量。

1.3 預警裝置

系統(tǒng)使用的預警裝置主要指蜂鳴器，改裝蜂鳴器裝置采用COMS數(shù)字集成邏輯控制芯片，內(nèi)部設計二次穩(wěn)壓電路對集成電路芯片供電，同時設計濾波抗干擾電路和防極性反接保護電路，音頻振蕩電路。輸入電源信號后，經(jīng)控制電路的電壓提升，功率放大，由蜂鳴片振動輸出蜂鳴，聲壓振動信號經(jīng)回音腔室，通過聲波的多次折射，對音響振蕩信號進行多次折射，通過上罩殼的發(fā)聲孔輸出更強的聲壓。

1.4 系統(tǒng)電路設計

1.4.1 供電電路

溫度傳感器由VDD管腳接入外部電源實現(xiàn)供電，無須牽引力加強輸入線和輸出線，同時，總線控制器不需要維持高溫度轉(zhuǎn)換階段，因此它可以在單線總線上傳輸其他數(shù)據(jù)。由于溫度傳感器安裝在被測點表面，使用后不方便頻繁拆裝，系統(tǒng)電源需要考慮工作壽命問題，選用容量為4200mAh的3.7V鋰電池供電[4]。3.7V鋰電池的放電截止電壓一般是3V，充滿電電壓為4.2V，而溫度傳感器是用3.0V電源供電，所以必須通過穩(wěn)壓電路將電池電壓穩(wěn)定到3.0V，選用一種低功耗的芯片，輸出電壓為

(1)

由此可以通過改變電阻R1和R2的值實現(xiàn)輸出電壓大小的調(diào)節(jié)與控制。

1.4.2 蜂鳴器電路

蜂鳴器電路(見圖2)根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果設置觸發(fā)門限，通過編寫程序控制接通蜂鳴器管腳的升降量，實現(xiàn)蜂鳴器聲音的啟動與停止控制。

圖2 蜂鳴器電路

2 SDH傳輸設備高溫預警系統(tǒng)軟件功能設計

2.1 利用RCM判斷SDH傳輸設備運行狀態(tài)

SDH傳輸設備的工作內(nèi)容，可以分為數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)調(diào)整和傳輸映射兩個部分。SDH傳輸設備支持傳輸?shù)男盘柦Y(jié)構(gòu)為9行×270×N列，傳輸信號由多個單一信號通過字節(jié)間插復用而成。因此當待傳輸數(shù)據(jù)導入到SDH傳輸設備后，設備將其調(diào)整到標準傳輸幀結(jié)構(gòu)，分配傳輸信道并預估傳輸時間[5]。數(shù)據(jù)傳輸映射的目的是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，將SDH傳輸信號經(jīng)過一定的映射關(guān)系對應地放置在定制的容器中。一般情況下使用同步映射方式，這種方式不需要速率適配，當傳輸數(shù)據(jù)較大或傳輸信道出現(xiàn)擁塞情況時，使用異步映射，采用碼速調(diào)整進行速率適配，直到數(shù)據(jù)傳輸完成為止。

在設備高溫預警系統(tǒng)的運行過程中，需要結(jié)合SDH傳輸設備工作特性，判斷設備的運行狀態(tài)。將SDH傳輸設備分為工作、停止和故障三種狀態(tài)，其中工作狀態(tài)由正常工作和異常工作兩種類型組成，停止狀態(tài)為傳輸設備可以使用但未啟動，故障狀態(tài)的傳輸設備無監(jiān)測價值。RCM強調(diào)以設備可靠度和故障后果為依據(jù)進行維修決策，是從經(jīng)濟性、可靠性等方面綜合考慮的一種維修理論[6]。因此在傳輸設備狀態(tài)判斷的過程中，設置可靠度和瞬時故障率作為決策指標，其中瞬時故障率指標的量化過程可以表示為

(2)

f(t)和R(t)分別表示發(fā)生故障的概率和密度。同理可以得出可靠度指標的量化結(jié)果，綜合量化指標的統(tǒng)計結(jié)果判斷當前SDH傳輸設備的運行狀態(tài)，并過濾處于故障狀態(tài)的設備。

2.2 實時采集SDH傳輸設備溫度數(shù)據(jù)

利用硬件模塊中的溫度傳感器裝置，完成對SDH傳輸設備各個關(guān)鍵位置溫度的采集，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。為保證溫度采集數(shù)據(jù)的時效性，設置溫度傳感器的持續(xù)工作時間為6h，數(shù)據(jù)采集間隔為1.5s。

2.3 實現(xiàn)SDH傳輸設備高溫預警功能

結(jié)合SDH傳輸設備的工作特征，設置設備的高溫預警門限值μ。將溫度傳感器實時輸出的溫度監(jiān)測結(jié)果與門限值μ進行比對，若溫度低于門限值，則進入下一個判斷循環(huán)，不啟動任何預警程序；若溫度與門限值相等，不啟動預警程序，將溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集間隔調(diào)整為0.5s；若溫度高于門限值，立即啟動預警程序，即啟動蜂鳴器裝置并在顯示器上輸出預警信息，直到溫度低于門限值為止。

3 系統(tǒng)測試

為測試設計的基于RCM的SDH傳輸設備高溫預警系統(tǒng)的預警功能，設計系統(tǒng)測試實驗。實驗選擇SDH傳輸設備的運行環(huán)境作為測試環(huán)境，為保證實驗結(jié)果的可信度，選擇多個SDH傳輸設備作為實驗樣本，并按照空間順序進行編號。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設計結(jié)果，準備并連接相應的硬件設備，保證系統(tǒng)軟件程序在實驗環(huán)境中的正常運行。

由于設計的高溫預警系統(tǒng)應用RCM系統(tǒng)，因此在實驗環(huán)境中對該系統(tǒng)的運行環(huán)境進行搭建，顯示的運行結(jié)果見圖3。

圖3 RCM程序運行界面

為形成實驗對比，分別設置文獻[1]提出的基于ZigBee的高溫報警系統(tǒng)和文獻[4]中提出的基于DS18B20的溫度報警系統(tǒng)作為實驗的兩個對比系統(tǒng)，系統(tǒng)的運行環(huán)境與研究樣本均相同。同時啟動SDH傳輸設備和系統(tǒng)程序，得出SDH傳輸設備的溫度監(jiān)測曲線(見圖4)。

圖4 SDH傳輸設備高溫預警系統(tǒng)運行界面

實驗分別設置誤報率和漏報率作為實驗的兩個量化測試指標，兩個指標數(shù)據(jù)測試結(jié)果可以表示為

(3)

nl、nc和nA分別為SDH傳輸設備的漏報、錯報次數(shù)以及高溫樣本總數(shù)量。通過人為破壞與控制的方式，設置實驗中的高溫樣本數(shù)量為62個，并進行5次重復實驗，以保證實驗結(jié)果的精準度。通過記錄高溫預警程序的啟動次數(shù)計算實際的預警數(shù)量。經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與對比，得出系統(tǒng)預警功能的測試結(jié)果(見表1)。

表1 系統(tǒng)預警功能測試結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(3)中，可以得出三個預警系統(tǒng)的平均漏報率和錯報率分別為11.3%和12.3%、7.4%和6.1%、1.3%和1.3%。由此可見，設計系統(tǒng)的漏報率和錯報率更低，即設計系統(tǒng)的預警精度更優(yōu)。

4 結(jié) 語

高溫預警系統(tǒng)的設計與開發(fā)，可精準判斷SDH傳輸設備的狀態(tài)，減少異常狀態(tài)下的工作時長，有利于延長SDH傳輸設備的使用壽命。在系統(tǒng)測試實驗中主要針對系統(tǒng)的預警功能進行測試，但未對系統(tǒng)性能進行測試，因此，還無法大規(guī)模地投入使用，在未來的研究工作中還需要進一步補充。