2022年无线数据采集系统 .pdf

天津理工大学2012 届本科毕业设计说明书1 第一章、无线数据采集系统的研究背景数据是指用来描述客观事物的数字、字母和符号等等。数据传输在人类活动中的重要性是不言而喻的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。数据采集，或称数据获取，既利用一种装置，从系统外部采集数据输入到系统内部。1.1 数据采集系统的历史和发展1.1.1 数据采集系统数据采集系统起始于20世纪 50 年代，1956 年，美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于这种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在60 年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20 世纪 70 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机融为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从70 年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。20 世纪 80 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。80 年代后期，又发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。20 世纪 90 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可以扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，具有充分的稳定性和可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。但是，并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 8 页 -天津理工大学2012 届本科毕业设计说明书2 1.1.2 数据采集器数据采集器是一种具有现场记录、分析功能的设备或现场记录、离线分析机器设备等状态数据功能的便携式分析仪器。它把安装在机器设备上的震动传感器和过程传感器等所测得的信号作为输入，配以各种测量分析技术以及多样化的显示格式所组成的一个检测系统，主要应用于对机器设备进行定期巡回状态监测和故障诊断等多种领域。它能和计算机一起组成独立的监测诊断系统，是机器设备的计算机辅助诊断手段之一。随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。从近来国外公司展示的新产品可以看出，数据采集器的特点主要可以概括为以下几点：它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，储存量大，可利用传感器输入多种物理量，如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等，形成多参数监测系统，等等。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距。由于数据采集器本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱，只能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断，刚刚达到国外数据采集器的初期水平。数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成本是几个重要因素，数据采集也正朝着这几个方向发展。高速、实时数据采集在运动控制、医疗设备、快速生产过程和变电站自动化等领域都有非常重要的应用。这些行业中，对高速数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度。用户的需求促进了技术的发展和新产品的出现，随着工业发达国家和新兴崛起国家为提高其产品在全球市场的竞争力，他们更进一步希望降低包括能源消耗、原材料消耗和劳务成本。对于发达国家来讲，其劳务成本远远高于新兴崛起国家，因此特别重视促进创新和技术进步，采用新的技术手段。正是在这样竞争日益激烈的大背景下，无线数据采集技术在工业中的推广应用则受到了特殊的重视。1.2 无线数据采集系统的发展趋势数据传输以传输模式分类，可分为有线和无线。有线方式可靠、稳定，但在一些地理条件复杂、线路架设难度大、成本高的场合，有线通讯安装不易、使用不灵活，设备和运行费用急剧上升等缺点显露无疑，无线方式就显出了优势。另外人们不仅需要在移动中进行通信，而且还要求在移动中进行计算机数据通信。在这些情况下，人们强烈需求无线数据的传输。1.2.1 工业无线网络发展现状随着计算机、通信和网络技术的飞速发展，无线传感器网络应运而生。传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展。工业无线网络是从新兴的无名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 8 页 -天津理工大学2012 届本科毕业设计说明书3 线传感器网络发展而来的，具有低成本、低能耗、高度灵活性、扩展性强等特点，已经成为继现场总线技术后的又一个研究热点。无线数据采集既要在复杂，恶劣的现场环境下将物理量完整的进行采集，更要将采集到的数据传给远端的主控室。其主要应用领域包括：工业遥控、遥测；石油钻井张力无线监测；短距离无线数据传输；安防设备无线监控；无线RS485、无线 PLC；城市管网压力、温度监测；电力线无线报警等。目前，工业无线网络的研究热点主要集中于网络技术和通信协议方面。以下对3 种工业无线通讯标准的特点进行简单介绍。1.ZigBee标准ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术，同时其具有大网络容量、高可靠性和安全性，因此该技术广泛应用于各种短距低速的场合，如医疗护理、汽车自动化、农业自动化和遥测遥控等。2.无线 HART 标准无线 HART是基于已经被人们熟悉并证实了的有线HART协议，通过与现有设备、工具和系统的兼容，使人们快捷简便地感受无线技术的特点。该技术可实现在干扰情况下的高可靠性、安全性以及可供用户选择的电池、太阳能和回路供电等不同的供电特性。3.SP100 标准2004 年 12 月，美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准SP100委员会，启动了工业无线技术的标准化进程，并于2007 年 12 月推出了 SP100.11a标准的草案。该标准各层次之间具有相互独立性，可以使所有的设备具有相容性和互通性，还具有世界范围的适应性。无线通信网络技术在工业现场中的应用并不是简单的化有线为无线，它延伸了原有的工业网络的控制范围，并提供了极高的灵活性，成为有线网络、现场总线的一个有效补充。工业无线通信网络技术将成为工业过程测控中的一个非常普通的选择，在优化资源利用率，提高生产率方面发挥重要作用。1.2.2 工业无线网络的技术挑战和发展方向1.面临的技术挑战通过对主流无线技术特征的简单分析，我们逐渐发现了其在工业自动化中所具有的优势，但无线技术也面临着各种技术挑战。通信方面：在无线信号的传播环境中存在着由生产设备产生的强噪音、其他无线设备产生的窄带或宽带干扰以及由移动的人或设备反射造成自身信号传播过程中的多途径干扰。这种干扰会对载波信号产生严重影响，降低通信的可靠性，这是工业无线通信技术必须解决的难点问题。组网方面：无线技术进入自动化领域是一个渐进过程，基于现有的无线技术可以建立一些小规模的网络系统，作为有线网络的有效补充。未来随着技术的发展，无线网络的规模将不断扩大，甚至最终替代有线网络。满足实际需求（可靠、实时、节能）的无线接入和与现场总线系统的互操作问题也是无线网络技术所面临的主要挑战。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 8 页 -天津理工大学2012 届本科毕业设计说明书4 网络安全：现有机制虽然可以提供一定程度的安全保障，但针对工业自动化领域的安全需求，在加密强度、密匙管理、防欺骗、窜改等方面还面临严峻的挑战。除了上述的挑战性问题外，每个无线设备的降低成本和节能问题更是构建大规模网络时必须考虑的问题。2.未来方向未来工业使用的无线网络规模将越来越大，虽然有适用于工业应用的结构网络，但在工厂封闭的空间内，为保证点到点的通信，每个设备必须保持较高的功率发射，而其发射的无线信号对于除了接受端以外的其他设备都是干扰信号，会造成通信的可能性快速下降。除此之外，在数据管理、软件开发环境和工具等方面的研究工作还不多，研究成果很少。工业无线网络技术尚缺乏统一的国际标准，这严重阻碍了无线通讯技术的应用和普及。针对工业网络技术所面临的各项技术挑战，需要进一步研究的问题包括：以降低干扰、提高通信可靠性为目标的无线网络布设技术；针对工业通信的特点研究一种低开销的通信协调机制；保证在工厂复杂环境下具有稳定的网络性能，保证数据传输的实时性和可靠性等。在无线传感器网络出现后，节能问题逐渐被人们所关注，在实际应用中人们更希望能够找到无线设备硬件结构的节能、低成本设计方法，做到在满足应用需求的前提下尽量降低硬件设备的成本和能耗。找到简洁、低开销的软件平台设计方法，做到在保证程序并行力度和运行可靠性的前提下，尽量降低调度和存储的开销。针对本文应用在炼钢工业现场的数据采集系统而言，一般的炼钢厂的运送装置与控制台具有一定的距离，而中控室一般设在离工业现场有一段距离的地点，因而要求传送装置远程子站能够采集其信号并及时传回中控室，同时将中控室的指令快速传给远程子站以实现传送装置的自动控制。这就要求无线通信系统具有传输速率高、轮询时间短、响应时间快等特点。所以，实现运送装置的自动控制必须建立可靠的无线数据传输系统。通过分析其低成本低功效的要求，以及其面临的复杂的工业环境，本文将采取数传电台这种无线通信方式来实现无线数据采集与传输的功能。1.3 研究对象：天车桥式起重机经过近几年的快速发展，工程起重机行业的规模日益壮大，国产起重机技术迅速进步，国内行业领跑者徐重和中联浦沅在特大型履带起重机技术、大型汽车起重机技术、全路面起重机技术方面均取得了令人瞩目的成就，新产品不断涌现。龙门式及桥式起重机市场份额越来越大，使用非常广泛，这是产品本身、龙门式及桥式起重机厂家以及国家政策等多种因素共同作用下的结果，随着经济的不断发展，桥式起重机、门式起重机以及悬臂起重机等起重机市场的需求、发展前景大好。1.3.1 起重机分类名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 8 页 -天津理工大学2012 届本科毕业设计说明书5 起重机按其功能和结构特点，大致可以分为下列4 大类：1.轻小型起重设备轻小型起重设备的特点是轻便、结构紧凑，动作简单，作业范围投影以点、线为主。轻、小型起重设备，一般只有一个升降机构，它只能使重物作单一的升降运动。属于这一类的有：千斤顶、滑车、手（气、电）动葫芦、绞车等。2.桥式起重机桥式起重机的特点是可以使挂在吊钩或其他取物装置上的重物在空间实现垂直升降或水平运移。桥式起重机包括：起升机构，大、小车运行机构。依靠这些机构的配合动作，可使重物在一定的立方形空间内起升和搬运。桥式起重机、龙门起重机、装卸桥、冶金桥式起重机、缆索起重机等都属此类。3.臂架式起重机臂架式起重机的特点与桥式起重机基本相同。臂架式起重机包括：起升机构、变幅机构、旋转机构。依靠这些机构的配合动作，可使重物在一定的圆柱形空间内起重和搬运。臂架式起重机多装设在车辆上或其他形式的运输（移动）工具上，这样就构成了运行臂架式旋转起重机。如汽车式起重机、轮胎式起重机、塔式起重机、门座式起重机、浮式起重机、铁路起重机等。4.升降机升降机的特点是重物或取物装置只能沿导轨升降。升降机虽只有一个升降机构，但在升降机中，还有许多其他附属装置，所以单独构成一类，它包括：电梯、货梯、升船机等。除此以外，起重机还有多种分类方法。例如，按取物装置和用途分类，有吊钩起重机、抓斗起重机、电磁起重机、冶金起重机、堆垛起重机、集装箱起重机和援救起重机等；按运移方式分类，有固定式起重机、运行式起重机、自行式起重机、拖引式起重机、爬升式起重机、便携式起重机、随车起重机等；按驱动方式分类，有支承起重机、悬挂起重机等；按使用场合分类，有车间起重机、机器房起重机、仓库起重机、贮料场起重机、建筑起重机、工程起重机、港口起重机、船厂起重机、坝顶起重机、船上起重机等。1.3.2 天车结构天车即桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍，如图1.2 所示。桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易粱桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。1.普通桥式起重机普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 8 页 -天津理工大学2012 届本科毕业设计说明书6 起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。图 1.1 桥式起重机Fig.1.1 Bridge Crane 桥架的金属结构由主粱和端粱组成，分为单主粱桥架和双粱桥架两类。单主粱桥架由单根主粱和位于跨度两边的端粱组成，双粱桥架由两根主粱和端粱组成。主粱与端粱刚性连接，端粱两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主粱上焊有轨道，供起重小车运行。桥架主粱的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。箱形结构又可分为正轨箱形双粱、偏轨箱形双粱、偏轨箱形单主粱等几种。其中正轨箱名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 8 页 -天津理工大学2012 届本科毕业设计说明书7 形双粱是广泛采用的一种基本形式，主粱由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成，小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板，自重轻，刚度大，但与其他结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。空腹桁架结构类似偏轨箱形主粱，由四片钢板组成一封闭结构，除主腹板为实腹工字形粱外，其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部，自重较轻，整体刚度大，这在中国是较为广泛采用的一种型式。普通桥式起重机主要采用电力驱动，一般是在司机室内操纵，另外就是远距离控制。起重量可达五百吨，跨度可达60 米。2.简易梁桥式起重机简易梁桥式起重机又称粱式起重机，其结构组成与普通桥式起重机类似，起重量、跨度和工作速度均较小。桥架主粱是由工字钢或其他型钢和板钢组成的简单截面粱，用手拉葫芦或电动葫芦配上简易小车作为起重小车，小车一般在工字粱的下翼缘上运行。桥架可以沿高架上的轨道运行，也可沿悬吊在高架下面的轨道运行，这种起重机称为悬挂粱式起重机。3.冶金专用桥式起重机冶金专用桥式起重机在钢铁生产过程中可参与特定的工艺操作，其基本结构与普通桥式起重机相似，但在起重小车上还装有特殊的工作机构或装置。这种起重机的工作特点是使用频繁、条件恶劣，工作级别较高。主要有五种类型：图 1.2 冶金铸造起重机Fig.1.2 Metallurgy And Casting Crane 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 8 页 -天津理工大学2012 届本科毕业设计说明书8 铸造起重机：供吊运铁水注入混铁炉、炼钢炉和吊运钢水注入连续铸锭设备或钢锭模等用。主小车吊运盛桶，副小车进行翻转盛桶等辅助工作，如图1.3 所示。夹钳起重机：利用夹钳将高温钢锭垂直地吊运到深坑均热炉中，或把它取出放到运锭车上。脱锭起重机：用以把钢锭从钢锭模中强制脱出。小车上有专门的脱锭装置，脱锭方式根据锭模的形状而定：有的脱锭起重机用项杆压住钢锭，用大钳提起锭模；有的用大钳压住锭模，用小钳提起钢锭。加料起重机：用以将炉料加到平炉中。主小车的立柱下端装有挑杆，用以挑动料箱并将它送入炉内。主柱可绕垂直轴回转，挑杆可上下摆动和回转。副小车用于修炉等辅助作业。锻造起重机：用以与水压机配合锻造大型工件。主小车吊钩上悬挂特殊翻料器，用以支持和翻转工件；副小车用来抬起工件。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 8 页 -