摘 要： 自動、實時、準確、詳細地獲取鋼鐵連鑄設備的信息，是鋼鐵連鑄設備生產線維修、維護和大修MRO協(xié)作平臺對設備故障預測的關鍵。針對此平臺的需求構建了基于M2M技術的遠程數據采集系統(tǒng)。它不僅能夠為鋼鐵企業(yè)提供新的數據源，而且能夠在一定程度上改進企業(yè)的生產和維修流程。
關鍵詞： M2M技術；遠程數據采集系統(tǒng)；MRO協(xié)作平臺
國內制造業(yè)的設備維修管理服務需求不斷攀升。迫切需要研發(fā)面向大型裝備的維修、維護和大修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)和裝備服務企業(yè)提供全面的數字化解決方案和信息化集成技術，推動制造服務業(yè)跨越式發(fā)展[1]。目前，雖然對鋼鐵連鑄設備的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制，不能自動、實時、準確、詳細地獲取連鑄設備的生產現(xiàn)場環(huán)境、生產加工等信息，造成鋼鐵企業(yè)的連鑄生產線與企業(yè)信息化系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)緊密的信息集成。(2)由于連鑄生產線設備構造復雜，生產環(huán)境非常惡劣，設備之間的數據傳輸頻繁，從而使得難以對全部的設備進行監(jiān)控。
本文正是在這種背景下，提出M2M(Machine to Machine)技術在此協(xié)作平臺中應用。M2M即機器與機器之間的通信，通過一些通信模塊實現(xiàn)機器與機器之間數據交換[2]。其具有以下優(yōu)點：無需人工干預，實現(xiàn)數據自動上傳，提高了信息處理效率；數據集中處理與保存，實現(xiàn)信息集中管理；數據保存時間長，存儲安全；可實現(xiàn)實時監(jiān)控和控制，時效性高；無線方式傳輸數據，監(jiān)控終端運行狀態(tài)，保障業(yè)務穩(wěn)定運行。利用M2M的關鍵技術無線傳感器網絡ZigBee技術和CDMA遠程數據信息傳輸技術，實現(xiàn)從傳感器到測控中心的遠程無線傳輸方案，解決了鋼鐵連鑄設備的MRO協(xié)作平臺面臨的問題。
1 鋼鐵連鑄設備數據采集總體結構設計
鋼鐵連鑄設備數據采集總體結構如圖1所示。主要包括連鑄設備(A，…，N)采集節(jié)點模塊、傳感器及鋼鐵連鑄設備參數的局域網、CDMA無線通信網絡、鋼鐵連鑄設備遠程服務器、數據庫以及遠程用戶終端等幾個部分。
其中，連鑄設備采集節(jié)點模塊組成無線傳感器網絡，采用星型拓撲結構設計，基于TI公司的ZigBee技術方案，即CC2430芯片結合無線ZigBee協(xié)議線實現(xiàn)的ZigBee MESH網[2]，如圖1所示。ZigBee網絡中包含傳感器節(jié)點、協(xié)調器和匯聚節(jié)點3種設備。協(xié)調器通過433 MHz射頻技術組成一個星型網絡，ZigBee網絡中的傳感器節(jié)點可以將采集到的數據通過ZigBee網絡傳輸到各自的協(xié)調器，協(xié)調器將數據匯總后，再通過433 MHz射頻技術傳送到星型網匯集器，即整個系統(tǒng)的匯聚節(jié)點，然后通過CDMA技術，將采集數據通過無線CDMA網絡和Internet對接，最終把數據傳送到遠程服務器。該系統(tǒng)的關鍵電路包括ZigBee無線傳輸模塊接口和CDMA無線通信模塊接口兩部分。
2 鋼鐵連鑄設備數據采集硬件設計
鋼鐵連鑄設備數據采集系統(tǒng)的核心是連鑄設備傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點的結構包括傳感器模塊、微處理器模塊(由嵌入式系統(tǒng)構成，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)域內信息的采集和信號轉換；處理器模塊負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據；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數據；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。
2.1 傳感器模塊
連鑄生產線的設備狀態(tài)信號有振動位移、振動加速度、轉速、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，紅外測溫技術能快速、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可方便地測量物體的表面溫度，不需要機械地接觸被測物體。測溫范圍從-40 ℃~3 000 ℃，加上光路后測量距離從0~10 m均可準確測量。本文設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大的抗干擾性，并集成了內存和一個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，還包含模擬數字轉換器(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 × 7 mm 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，它集數據采集、信息存儲和安全防護于一身，功能強大，僅1 根雙向數據線與控制器通信。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，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：連鑄生產線的設備安裝有照明等220 V交流電源，通過AC/DC 模塊可將其轉換為 +3.3 V，此方案適用于附近有交流電源可借用的節(jié)點。 (2)更換鋰電池： 鋰電池設計成推拉式機械安裝，易于更換。實際應用時，無線傳感器節(jié)點和焊接式電阻應變計之間常通過一定長度(0.5～2 m)的屏蔽導線連接，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)點可安裝在技術人員便于到達的位置，易于更換電池。對于戶外機械，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構間的安裝方式均需根據具體情況設計。
3 CDMA無線通信模塊接口設計
鋼鐵連鑄設備數據采集系統(tǒng)采用CDMA無線通信方式，向遠程服務器發(fā)送數據。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品中體積最小、速度最快的CDMA數據模塊，數據傳輸速率最高可達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的標準串口與處理器的串口連接即可，接口電路如圖5所示。本設計使用CC2430的USART0端口(TXD、RXD引腳)與DTU800的USART1端口(DP_TXD、DP_RXD引腳)傳輸數據。DTU800內嵌TCP/IP協(xié)議棧，大大降低了數據通信設計的難度，也增強了微處理器處理其他數據的能力。DTU800支持標準的AT指令，DTU與MCU主機單元的通信可通過調用相應的AT指令實現(xiàn)。
4 軟件系統(tǒng)設計
軟件系統(tǒng)主要完成監(jiān)控節(jié)點采集數據的接收和處理、監(jiān)測數據的上傳等任務。軟件采用模塊化設計方式，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。
(1)ZigBee通信處理程序設計
ZigBee網絡中的傳感器節(jié)點主要負責采集環(huán)境數據，將這些數據傳給協(xié)調器節(jié)點，同時，接收來自匯聚節(jié)點的查詢命令，當沒有數據的發(fā)送和接收時，轉入休眠模式，使節(jié)點功耗降到最低。而匯聚節(jié)點一方面負責組建無線網絡；另一方面將兩個使用不同協(xié)議的網絡連接在一起，實現(xiàn)兩種協(xié)議之間的轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的通信任務，并把接收的數據轉發(fā)到外部網絡。傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點程序流程圖如圖6所示。
(2)CDMA無線通信程序設計
匯聚節(jié)點以固定的時間間隔向遠程服務器發(fā)送數據，同時接收遠程服務器的控制指令并執(zhí)行相應的操作。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網絡， 并獲得CDMA移動通信數據網管系統(tǒng)動態(tài)分配的IP地址。連接建立后，當基站的數據需要發(fā)送時，即可直接將數據幀發(fā)送給DTU打包傳送。
數據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進行設置，以設定其工作方式。CDMA通信程序要完成DTU的設置、數據發(fā)往遠程服務器、接收應答和控制信令等操作。匯聚節(jié)點定時進行CDMA數據發(fā)送的中斷程序流程，如圖7所示。
本文根據鋼鐵連鑄設備MRO協(xié)作平臺的需要，利用基于M2M的關鍵技術ZigBee的無線傳感器網絡和CDMA通信，構建了遠程采集鋼鐵連鑄設備數據系統(tǒng)，為鋼鐵連鑄設備MRO協(xié)作平臺提供了有效的數據源。以便鋼鐵連鑄MRO協(xié)作平臺自動、實時、準確、詳細地獲取設備的運作情況實現(xiàn)對設備故障的預測。
雖然該系統(tǒng)在生產現(xiàn)場得到了應用和驗證，但是對M2M技術在鋼鐵連鑄設備MRO協(xié)作平臺的應用尚處于起步階段，尤其是在使用環(huán)境比較惡劣，且連鑄設備內部構造復雜的情況下，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，才能進一步完善系統(tǒng)的軟硬件設計，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定成熟，達到其要求。
參考文獻
[1] FLOTTAU J. Overhauling MRO[J]. McGraw-Hill Companies， 2005.
[2] 王玨明，馮改玲，王漫，等．基于M2M平臺的無線傳感網的研究[J]．計算機應用與軟件，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．