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利用Zigbee技术优势而研发的起重机远程监控系统

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2017-07-28 16:08:00

起重机貭于特殊设备,器械的老化和磨损对运行 的安全性影响较大。由于起重机各主要部件的老化和 磨损程度一般可通过特定参数如SWP、BrSWP等数据 来反映,监测以上参数,即可间接获悉当前起重机运行 状况、剩余使用时间(操作次数)等信息,依据这些信 息,操作人员可及时地进行部件检修和维护,从而有效 地防止事故发生。



现阶段有线式、单一设备的起重机安全监控器即 可在现场实时监控起重机运行情况。操作简单,维护 方便,处理速度快,可靠性高,可以满足小型起重机使 用场合的安全监控和故障诊断需求[1]。但随着生产规 模的逐渐增大,当起重机数量多、操作现场面积较大时,操作者需要从一个整体的视角去观察和比较所有 起重机的运行状态,这种方法迫使操作者对每台起重 机监控器都要分别做出操作,效率就显得低下了。


物联网(The Internet of Things)是通过射频识别 (RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信 息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连 接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟 踪、监控和管理的一种网络。物联网可以提高经济,大 大降低成本,其将广泛用于智能交通、地防入侵、环境 保护、政府工作、公共安全、智能电网、智能家居、智能 消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。



起重机安全监控系统领域引人物联网的概念,将起 重机安全监控技术和物联网技术相结合,建立安全监 控网络,可以实现起重机安全的远程监控。通过上位机软件完成对网络中所有起重机运行数据的处理,庄监控的起重机较多时,方便操作者对所有起重机进行 统一管理,提高了起重机维护的效率。同时,物联网技 术的引人可以为质量监管部门和起重机用户提供良好的交流平台,以方便政府有关部门进^步完善起重机 行业规范和标准,进一步降低起重机事故发生几率。



随着物联网技术和标准的不断完善,起重机监控 与物联网技术的结合将使起重机监控上升到一个新的 层面,现在已有文献提出使用GPRS等技术实现起重 机运行信息从现场级到远程监控级的传输[M]。但由 于需要记录的起重机运行信息繁多,传输的数据量较 大,这种依靠按流量计费的网络传输数据的方法会给 用户增加一笔额外的费用。文中给出了一种新的基于 Zigbee无线通信技术的起重机远程监控系统。该系统 采用Zigbee无线通信技术实现现场起重机监控器的 无线通信,网络维护费用低,并使用超帧调度算法,避 免了信标帧冲突问题,保证了起重机监控节点的通信 顺畅,对起重机的安全监控有一定的积极作用。



一、起重机远程监控系统整体结构


在现代生产过程中,操作者不仅需要在现场对起 重机进行操作,还需要在远程了解起重机的运行状况, 对起重机信息进行集中管理。因此文中采用一种三级 式的分布策略[51,如图1所示。其主要由现场级监控 层、用户级监控层、公司级监控层三部分构成,以满足 不同用户的差异性需求。

利用Zigbee技术优势而研发的起重机远程监控系统

现场监控级的主要功能是采集起重机运行数据并 将其传输到上位机。数据采集端通过GPS模块实时 采集起重机的物理位置信息,并实时获取起重机的上 升次数、SWP%、载重等工作状态信息,利用Zigbee无 线通信模块将所有数据汇集到中心节点,即Zigbee网 络协调器。起重机现场安全管理人员可以通过无线手持设备访问Zigbee网络协调器来得到现场各设备的运行信息。



局域监控级,其主要功能是实现起重机管理人员 的远程监控,管理人员在电脑前即可实现对起重机信 息的了解和行为的干涉。局域监控站信息处理中心将 收到的起重机运行信息进行处理和储存。局域监控站 和壁挂式LCD显示设备可通过路由访问信息处理中 心得到现场起重机报警信息、工作状态、工作时长等工 作状态信息,实现对起重机现场的实时掌控。


远程监控级,监控人员可以通过总公司监控站观 测各地起重机作业信息和和故障信息,根据所得信息 给各地起重机使用商提出指导性的意见,帮助起重机 使用商及时发现问题,避免起重机长时间怠工,提高工业生产综合效益。同时,政府机关相关管理部门也可 以通过远程监控管理当地起重机使用情况,规范起重 机的使用。



其中远程监控级和局域监控级之间通过Internet 相连接,局域监控级和现场监控级之间的连接方式根 据不同的工业现场情况可采用USB、RS232、RS485等不同的连接方式。局域监控级用户也可以通过手机接收现场监控级 GSM模块发送的短信实时掌握起重机运行信息。




二、 Zigbee无线通信技术

Zigbee无线通信技术已经在智能家居、医疗监控 等多个远程监控系统中得到应用[61。在相同的技术环 境中,Zigbee的抗干扰能力要远强于蓝牙和WLAN,可 用于起重机现场这种电磁干扰比较强的场所。并且它 采用2. 401^通信频率,该频段为全球统一无需申请 的ISM频段,维护费用低廉,可以在起重机现场大量 布置节点[7#]。



由于树路由协议不需要路由表支持[11],数据包的 发送完全依赖于父子节点之间的连接,这种路由策略 很适合资源有限的Zigbee节点。所以采用树形拓扑, 网络拓扑结构如图2所示:



Zigbee使用分布式寻址方案来分配网络地址。网络协调器决定了每个节点最大孩子节点的个数 (Cm)、每个节点最大的网络深度(Z)m)以及每个节点 最大路由器的个数根据Cm,Z)m和Km可计算 出每个节点的子节点剩余的地址空间Cskip。


(2)网络协调器还定义了网络的超帧结构,即信标的 顺序(BO)和超帧的顺序(S0),根据和SO可计算 出两个重要的参数,信标帧的间隔(B7)和超帧持续时 间(邪)在Zigbee树族型网络中,每一簇必须通过信标帧 来同步,当两个路由节点是邻居节点或拥有共同的邻 居节点时,信标_会分别发生直接信标帧冲突和间接 信标帧冲突[12]。采用超帧调度算法后,每个协调器的 超帧持续时间彼此没有重叠,就不会发生 信标峨之间以及信标帧和数据帧之间的 冲突,避免了发生直接信标帧冲突和间接 信标帧冲突的问题。



三、数据采集端硬件构成

图1所示系统反映起重机运行信息的数据都是由数据采集端给出的,因此数 据采集端对起重机运行信息数据的准确 采集和实时处理显得非常重要。其硬件结 构如图4所示。这其中处理芯片采用MC9S12DG128。它包括四 路传感器信号,分别来自重力传感器、电流互感器、温 度传感器和湿度传感器。从传感器端出来的模拟信号 经过信号放大电路和滤波电路传送到CPU的AD 口, CPU对收到的信息进行处理,在采集端显示屏上显示。 起重机的上升下降等信息作为开关量通过单片机的10 口进人单片机。同时,数据采集单元通过CAN总 线与起重机的变频器通信,获取起重机的电机转速、电 机频率等多种电机参数信息。信号采集端CPU对采 集到的信号进行处理并通过RS232将数据发送给Zig-bee无线通信模块,由Sgbee无线通信模块将数据汇 集到网络协调器节点并传输给局域控制站。并且, CPU还会根据采集到的信号判断起重机安全信息,当起重机出现故障时,CPU会通过RS232将故障代码发 送到GSM通信模块。



四、结束语

文中将物联网技术应用在起重机安全监控系统 中,使用Zigbee无线通信技术实现起重机现场级的无 线通信,采用三级式的网络架构满足了不同用户的差 异性需求,并在现场级和局域级之间给出三种不同的 通信方式来适应不同的起重机作业现场,同时采用超 帧调度算法避免了节点之间的信标帧冲突问题,确保 了合法用户对起重机状态的实时访问,基本实现了起 重机安全管理的全面覆盖。使用该系统可以有效地减少现场起重机故障给用户带来的怠工时间,提高工业生产效率,对起重机的安全管理具有深远意义,具有广 阔的应用前景。