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基于GPRS的远程状态监测技术研究

作　者: 万剑
导　师: 王太勇
学　校: 天津大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 监测终端双核平台 GPR 随机共振包络分析故障预报 Ibutton
分类号: TP274
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

根据现阶段国内大部分企业所存在的设备种类多但总量少的现状，以状态监测GPRS信息管理系统构架为基础，利用集成化设计理念，以双MCU平台作为控制核心和运算核心，并基于此构建监测终端。现有的网络化故障诊断和远程状态监测技术主要以Internet或Intranet为远程通信手段。这样，监测终端要进行远程通信就必须通过网络线缆连接网络接口。这使得监测终端在环境复杂、不宜连线的工业现场的使用受到了很大的限制和约束。本文基于先进的GPRS无线数据传输技术，提出了一种GPRS远程状态监测系统，并在其中嵌入级联双稳随机共振、包络分析、故障预报算法，以实现监控中心在脱离网络线缆和网络接口的情况下对多台机电设备的远程实时监控。远程监测终端是该监测系统的重要组成部分，担负着现场信号采集、预处理、存储、远程数据通信等工作。基于“ARM+DSP”双核平台，设计了一种能够对采样信号进行连续、实时采集的监测终端。以DSP作为信号采集模块的控制核心，通过FPGA对A/D转换和信号预处理进行协调，通过高速FIFO进行数据的暂存，以实现对采样信号的实时、连续、不丢点采集。将GPRS无线模块引入机电设备远程状态监测，以解决监测终端远程无线通信的问题。通过研究GPRS无线分组业务以及GPRS模块功能、技术参数，选取适合于本文的GPRS模块。并为模块设计外围接口电路、控制软件以及GPRS模块与服务器之间的通信协议，以实现GPRS模块接入Internet。研究和分析空间磁场、电噪声、背景噪声等影响采样信号的主要噪声源。基于Multisim设计并验证根据信号频率调整截止频率的程控高通和低通滤波器。以滤除采样信号中的直流和低频缓变噪声以及各种高频干扰和噪声，提高采样信号的信噪比，为故障信号的分析提供高品质的原始信号。研究级联双稳随机共振特性，完成算法在系统中的实现，并应用于电动机状态监测与诊断微弱信号特征提取。研究包络分析特性，完成算法在系统中的实现，并应用于轴承故障数据特征频率提取。以某发电厂磨煤机的摩擦故障为例，研究了基于离散动力系统的非线性混沌控制理论，对远程在线监测获得的运行状态振动信号进行了故障识别理论及实验研究。采用了关联积分的C-C算法，进行监测信号的嵌入维数与时间延迟选择，采用相空间重构算法，提取了在线监测故障判定阈值。进行了故障预报验证实验，实现了故障设备的快速准确预报。在机电设备管理信息系统中，采样测点的准确性尤为重要，本文基于Ibutton技术设计路径管理系统，以最大限度地避免误采、漏采现象的发生。并且制定出监测终端与监控中心两者之间所应用的协议，权限信息以及路径信息的传递和通信均利用GPRS网络来完成，从而使数据的有效性及其安全性得到有效保障，与此同时，本文还以此为基础，开发了基于DS1990A和权限管理的精简的路径文件管理系统。

全文目录

中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-17
  1.1 选题意义  10-12
  1.2 国内国外研究综述  12-16
    1.2.1 状态监测与故障诊断的相关设备  12-14
    1.2.2 GPRS 数据通信技术  14-15
    1.2.3 非线性振动故障预报技术  15-16
  1.3 本文拟研究的主要内容  16-17
第二章基于双 MCU 和 GPRS 射频模块的集成化数据采集装置  17-41
  2.1 基于 GPRS 的远程状态监测系统构架  17-20
  2.2 数据通信系统构成方案  20-21
  2.3 基于双 MCU 和 GTM900 的 GPRS 监测终端  21-27
    2.3.1 先进精简指令集计算机  24-26
    2.3.2 数字信号处理器  26
    2.3.3 GTM900 射频模块  26-27
  2.4 双核平台相关技术研究  27-40
    2.4.1 运算核心及控制核心设计  27-30
    2.4.2 双 MCU 接口设计  30-32
    2.4.3 信号采集模块的功能要求和技术指标  32-33
    2.4.4 采集模块的同步采样控制  33-35
    2.4.5 采集模块的实时采样控制  35-38
    2.4.6 连续无丢点信号采集模块  38-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章无线数据传输实现研究  41-61
  3.1 GPRS 无线数传技术  41-45
    3.1.1 分组交换技术  41-43
    3.1.2 GPRS 技术特点  43
    3.1.3 GPRS 系统结构  43-45
  3.2 GPRS 模块  45-55
    3.2.1 GPRS 模块功能参数研究  45
    3.2.2 GPRS 模块外围电路及软件设计  45-55
  3.3 GPRS 远程无线通信分系统研究  55-60
    3.3.1 GPRS 终端接入 Internet  56-57
    3.3.2 服务器端与 GPRS 终端通信协议设计  57
    3.3.3 服务器端研究  57-60
  3.4 本章小结  60-61
第四章振动信号的智能化调理与信号处理  61-99
  4.1 振动信号采集中的干扰因素  61-64
    4.1.1 磁干扰  61-62
    4.1.2 电噪声  62-64
  4.2 非电噪声抑制技术  64-65
  4.3 振动信号的智能化调理  65-90
    4.3.1 自适应程控高通滤波  66-75
    4.3.2 自适应程控抗混叠滤波  75-90
  4.4 级联双稳随机共振  90-94
    4.4.1 级联双稳随机共振时域特性  90-92
    4.4.2 基于随机共振的电机运行状态监测与诊断实验  92-94
  4.5 包络分析  94-97
    4.5.1 包络提取及 Hilbert 变换  94-95
    4.5.2 基于包络分析的轴承故障数据特征频率提取实验  95-97
  4.6 本章小结  97-99
第五章振动信号的在线监测与故障预报  99-114
  5.1 振动信号的相空间重构  99-101
  5.2 振动信号嵌入维和延迟时间的选择  101-105
  5.3 基于归一化熵率的磨煤机故障预报理论建模  105-107
  5.4 振动信号故障监测实验验证  107-113
    5.4.1 实验设备  107-109
    5.4.2 测点布置  109-111
    5.4.3 故障在线监测预报理论实验验证  111-112
    5.4.4 设备在线监测预报准确性评估  112-113
  5.5 本章小结  113-114
第六章基于 Ibutton 技术的路径文件管理系统  114-130
  6.1 GPRS 设备管理信息系统的路径管理技术  114-116
    6.1.1 GPRS 设备管理信息系统中路径管理的基本原理  115
    6.1.2 基于权限管理的路径管理系统的构建平台  115-116
  6.2 基于 1-wire 总线的 Ibutton 技术  116-123
    6.2.1 1-wire 总线工作原理  116-117
    6.2.2 信号方式  117-119
    6.2.3 1-wire 总线器件  119-120
    6.2.4 监测终端 Ibutton 软、硬件设计  120-123
  6.3 基于权限管理和 DS1990A 的路径管理系统  123-128
    6.3.1 监控中心使用权限  123-125
    6.3.2 基于 DS1990A 的路径管理  125-128
  6.4 本章小结  128-130
第七章结论与展望  130-131
  7.1 主要研究结论  130
  7.2 展望  130-131
参考文献  131-139
攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况  139-141
致谢  141

基于GPRS的远程状态监测技术研究

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