史斌杰，唐 堂，陳亞杰，馬士飛

應(yīng)用研究

露天礦用重型卡車發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史斌杰，唐 堂，陳亞杰，馬士飛

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201108）

將大型礦用自卸車柴油發(fā)電機(jī)組作為研究對象，開展礦用重型卡車柴油發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測架構(gòu)技術(shù)研究、信息感知及遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究。建立多維度數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理方法，研制遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種客戶端的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測。

礦用重型卡車 發(fā)電機(jī)組 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

礦用重型卡車柴油機(jī)側(cè)配置遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊、振動(dòng)傳感器、油液傳感器，同時(shí)在礦卡車頭處布置網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)通訊天線，柴油機(jī)監(jiān)測中心配置網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)、服務(wù)器、人機(jī)交互電腦。礦用重型卡車柴油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊和服務(wù)器間通過無線通訊信號(hào)連接。

遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊[1]與柴油機(jī)ECU模塊、減振模塊進(jìn)總線通訊，獲取熱工等參數(shù)；采集9路振動(dòng)傳感器信號(hào)，2路油液傳感器信號(hào)；并通過無線模塊與柴油機(jī)監(jiān)測中心通訊。如下圖所示。

監(jiān)測系統(tǒng)[2]通過對柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)和潤滑油油品進(jìn)行采集和分析來判斷柴油機(jī)的健康狀態(tài)，并通過與服務(wù)器遠(yuǎn)程通信，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器的健康狀況，以對其進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)工作，減少故障停機(jī)時(shí)間和維修費(fèi)用，降低整個(gè)周期內(nèi)的使用成本。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

1 遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊硬件設(shè)計(jì)

電路板采用Xilinx 公司的ZYNQ系列的ZYNQ XC7Z035-FFG676-2I(Kintex-7 架構(gòu))作為CPU芯片。配置固態(tài)硬盤。

采用雙核ARM A9，主頻800M。采用全可編程片上系統(tǒng)（APSoC）。PL端內(nèi)存 DDR3 1GB。PS端內(nèi)存 DDR3 1GB。8GB EMMC。256 Mb QSPI Flas。2路10/100/1000M 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口。2 路CAN2.0 通信。3路RS485通信。16路高速模擬量采集。

16路模擬量通道的輸入信號(hào)經(jīng)緩沖、調(diào)理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對其采樣。每個(gè)AI 通道均帶有獨(dú)立的信號(hào)通路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可對所有通道同步采樣。通過軟件選擇AC/DC 耦合。通過軟件選擇IEPE 激勵(lì)電流。FPGA芯片控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的2片ADC芯片，完成ADC芯片同步采集、數(shù)據(jù)接收，并完成通道校正、信號(hào)預(yù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的工作；ARM處理器負(fù)責(zé)計(jì)算和通訊，完成CAN協(xié)議、RS485協(xié)議的解析。原理圖如下

圖2 基本原理圖

1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用鋁合金壓鑄一體成型，結(jié)合面做電磁兼容處理，滿足EMC要求。內(nèi)部PCB板安裝采用局部灌膠工藝、可同時(shí)滿足減震和散熱需求。滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC60068-2-6減震要求。對外接口統(tǒng)一采用IP67航插接口，模塊整體滿足IP67防護(hù)要求。模塊正面需要20cm維護(hù)散熱空間。

1.2 傳感器選擇

振動(dòng)傳感器采用慧石科技的IEPE單軸壓電加速度傳感器，其主要性能參數(shù)如下：

傳感器類型：慧石IEPE單軸壓電加速度傳感器。

技術(shù)指標(biāo)：靈敏度:±10%

動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍：±500g

頻率響應(yīng)：±5%

頻率響應(yīng)：±2dB

沖擊極限3000 g

滿量程輸出：±5 V

供電電壓：18～30 V

工作溫度：-55～125 ℃

備注：關(guān)于加速度傳感器量程的選擇說明：單軸

油液傳感器選用顆粒傳感器、及油品傳感器。

油品傳感器選用PARKER公司的Fluid Condition SensorFCS-3113型，測量溫度、含水量、壓力、介電常數(shù)。

技術(shù)指標(biāo)：最大壓力：10 bar

允許流體溫度：-20～100 ℃

工作溫度：-20～80 ℃

振動(dòng)：5～100 Hz

供電電壓：10～32 V

最大報(bào)警電流：0.2 A

顆粒傳感器選用PARKER公司的Metallic Wear Debris Sensor FG-K19567－kW。技術(shù)指標(biāo)：最大壓力：20 bar

技術(shù)指標(biāo)：最大壓力：20 bar

允許流體溫度：-20～85 ℃

工作溫度：-20～70 ℃

供電電壓：18-30 V

保險(xiǎn)絲額定電流：0.2 A

顆粒最小速度：0.28 m/s

顆粒最大速度：1.9 m/s

1.3 無線通訊設(shè)計(jì)

礦坑底部幾乎沒有4G信號(hào)，采用網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)通訊模式，在遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊內(nèi)具有通訊板，在礦坑坡頂建立一個(gè)覆蓋礦坑的中繼點(diǎn)，在監(jiān)測中心建立網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)接收端。通訊距離在3KM左右。選型網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)，電臺(tái)與天線裝到卡車車頭。電臺(tái)與遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊采用以太網(wǎng)通訊。

1.4 服務(wù)器及電腦選型

兩臺(tái)戴爾PowerEdge T640塔式服務(wù)器，兩臺(tái)研華ARK3500工控機(jī)。

2 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層軟件安裝于Linux操作系統(tǒng)[3]上，操作系統(tǒng)自身集成了串口與CAN收發(fā)驅(qū)動(dòng)和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)。高頻數(shù)據(jù)采集及特征值計(jì)算軟件運(yùn)行在處理器SOC的FPGA內(nèi)核中由硬件語言完成編程。采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)模式，具有邊緣感知層、平臺(tái)Iaas層[4]、存儲(chǔ)與應(yīng)用層。

邊緣感知層作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，具有設(shè)備層、數(shù)據(jù)收集層、數(shù)據(jù)傳輸層，具備適配不同工業(yè)通訊協(xié)議下數(shù)據(jù)采集能力（采用CAN、485通訊、模擬量采樣等），處理后進(jìn)行本地緩存，通過數(shù)據(jù)傳輸層上傳至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的感知、收集及傳輸。

平臺(tái)Iaas層[5]，考慮礦用重型卡車遠(yuǎn)程監(jiān)測應(yīng)用的場景特點(diǎn)和實(shí)際需求，在監(jiān)測中心搭建數(shù)據(jù)服務(wù)器、備份服務(wù)器以及多個(gè)磁盤陣列的硬件資源。

存儲(chǔ)與應(yīng)用層分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)維服務(wù)和通訊交互，采用分布式存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層的負(fù)載均衡，還運(yùn)用雙機(jī)熱備的架構(gòu)，保障信息的安全性。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析、異常檢測、歷史趨勢分析和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，并通過通訊交互以Web形式推送至用戶、遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。

圖3 軟件構(gòu)架圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集來源包含5部分：熱工系統(tǒng)、油液系統(tǒng)、減振降噪、高頻數(shù)據(jù)特征值、原始高頻數(shù)據(jù)。整體框架如下圖所示：

圖4 數(shù)據(jù)采集框架

熱工系統(tǒng)通[6]過CAN總線[7]與外部系統(tǒng)相連，故在ARM采集板卡上，部署串口CAN采集服務(wù)，完成數(shù)據(jù)的采集。CAN采集服務(wù)啟動(dòng)時(shí)，讀取本地測點(diǎn)信息，并完成初始化工作。隨后，服務(wù)通過CAN總線與熱工系統(tǒng)建立連接。被動(dòng)收取熱工數(shù)據(jù)。程序按照CAN協(xié)議解析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)中。數(shù)據(jù)采集通訊流程如下圖所示：

油液系統(tǒng)（2路485）、減震降噪（1路485）通過串口縱向與外部系統(tǒng)相連，故在ARM采集板卡上，部署串口ModbusRTU采集服務(wù)，完成數(shù)據(jù)的采集。串口ModbusRTU采集服務(wù)啟動(dòng)時(shí)，讀取本地測點(diǎn)信息，并完成初始化工作。隨后，服務(wù)通過串口總線與油液系統(tǒng)、減震降噪建立連接。并發(fā)送要數(shù)指令，在收到回復(fù)后，解析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)中。數(shù)據(jù)采集通訊流程如下圖所示：

圖5 熱工數(shù)據(jù)采集通訊流程

圖6 油液數(shù)據(jù)采集流程

服務(wù)與高頻數(shù)據(jù)軟件通過共享內(nèi)存獲取服務(wù)。服務(wù)程序首先讀取配置文件INI和測點(diǎn)表文件CSV。實(shí)例化數(shù)據(jù)區(qū)后，服務(wù)通過測點(diǎn)地址ADDRESS獲取數(shù)據(jù)，并通過測點(diǎn)ID將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。流程如下圖所示：

圖7 高頻特征值采集流程

服務(wù)與高頻數(shù)據(jù)軟件通過共享內(nèi)存獲取服務(wù)。服務(wù)程序總體流程與高頻特征值采集服務(wù)一樣。服務(wù)數(shù)據(jù)采集按照每小時(shí)存儲(chǔ)1秒數(shù)據(jù)的頻率采集高頻數(shù)據(jù)。

2.2 本地?cái)?shù)據(jù)庫

本地?cái)?shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)實(shí)現(xiàn)，包含數(shù)據(jù)配置接口、數(shù)據(jù)插入接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)本體，架構(gòu)如下圖所示：

圖8 本地?cái)?shù)據(jù)庫架構(gòu)

數(shù)據(jù)配置接口：與上層管理平臺(tái)通訊，確認(rèn)數(shù)據(jù)庫的配置信息。

數(shù)據(jù)插入接口：對外提供基于HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)插入服務(wù)。數(shù)據(jù)采集服務(wù)打包時(shí)間戳和測點(diǎn)ID及對應(yīng)的數(shù)據(jù)值，通過數(shù)據(jù)插入接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)插入操作。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)本體：本地緩存按照站點(diǎn)分類存儲(chǔ)，支持熱工系統(tǒng)數(shù)據(jù)、高頻數(shù)據(jù)特征值數(shù)據(jù)、原始高頻數(shù)據(jù)分不同站點(diǎn)存儲(chǔ)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種專門應(yīng)用于露天礦用重型卡車發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多維度，實(shí)時(shí)收集礦用重型卡車數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，便于對礦用重型卡車的運(yùn)行和工作情況進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。

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Design of remote monitoring system for generator set of heavy truck

Shi Binjie, Tang Tang, Chen Yajie, Ma Shifei

(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108, China)

TM314

A

1003-4862（2023）02-0052-03

2022-07-14

史斌杰(1987-)，男，碩士。研究方向：智能船舶、故障診斷、綜合自動(dòng)化。E-mail: 13564548106@126.com