（机械制造及其自动化专业论文）牵张设备远程无线监测管理系统的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 牵张设备是用于张力架线施工的工程机械，是目前2 2 0 千伏以上架线施工必不可少的设备，很 大程度上可以反映施工企业的最大施工能力。随着电力事业的发展以及施工企业之间竞争的进一步 加剧，对牵张设备的安全性、可靠性、高效性等提出了更高要求。因此，研究和应用牵张设备监测 管理方法与系统，对于保障牵张设备的安全运行、降低设备的故障率、减少设备的维护成本、提高 设备的科学管理水平具有重要的意义和广阔的市场前景。本文以牵张设备为研究对象，利用无线通 讯g p r s 、嵌入式、状态监测、信号处理、信息化、状态维修等技术和理论，研究和开发了牵张设备 远程无线监测管理系统论文的主要章节和内容如下： 第一章阐述了课题的研究背景和意义，分析了国内外工程机械监测与维修管理研究现状，论述 了牵张设备远程无线监测管理系统的相关技术和理论。最后，提出了本文的研究内容。 第二章介绍了牵张设备的结构，分析了牵张设备常见故障的原因，讨论了特征信号的选取原则， 确定了特征信号和监测点的选择方案。 第三章分析了牵张设备远程监测管理系统的需求，设计了由嵌入式监测终端、服务器，设备管 理软件组成的系统总体结构和主要功能模块，并根据它们的功能要求选取主要硬件、软件开发环境 及开发工具。 第四章分析研究了基于g p r s 的无线通讯方法、状态信号预处理和采集技术，设计了嵌入式系统 硬件总体结构，开发了包括牵张设备信号预处理等电路的监测终端嵌入式硬件系统。 第五章讨论了pc 0 s i i 操作系统的移植，分析研究了任务之间的通讯方法，设计开发了牵张设 备远程嵌入式终端软件。 第六章设计开发了服务器数据接收软件，分析了牵张设备管理软件的业务流程和数据流程，设 计了牵张设备管理软件的主要功能模块，并在常用的w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下，采用 s q l s e r v e r 2 0 0 0 、d e l p h i 7 0 开发工具开发了与状态维修相结合的客户端牵张设备管理软件。 第七章：对本论文的研究工作和主要成果进行总结，并对本系统下一步的工作进行展望。 关键词：牵张设备嵌入式系统g p r spc o s i i设备信息管理系统状态维修 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t t e n s i o ns t r i n g i n ge q u i p m e n ti sat y p eo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yf o rt e n s i o ns t r i n g c o n s t r u c t i o n , a n di t i se s p e c i a l l yi n d e s p e n s i b l et ot h ec o n s t r u c t i o no v e r2 2 0 k v i ts h o w s t oal a r g ee x t e n tt h em a x i m u mc o n s t r u c t i o nc a p a c i t yo fac o m p a n y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i c i t yi n d u s t r ya n di n c r e a s i n g l yf i e r c ec o m p e t i t i o no f t h ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，a n u r g e n td e m a n df o rh i g h e rs e c u r i t y ，r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h eo p e r a t i o no ft e n s i o n s t r i n g i n g e q u i p m e n th a sb e e np u tf o r w a r d c o n s e q u e n t l y ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no n m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e ma r ep a r t i c u l a r l ys i g n i f i c a n ti no r d e rt o e n s u r et h e s e c u r i t y ，r e d u c em a l f u n c t i o nf r e q u r e n c ya n dl o w e rt h em a i n t a i n a n c ee x p e n s e so ft e n s i o n s t r i n ge q u i p m e n t w i t ht h et e c h n i q u e so fg p r s ，e m b e d d e ds y s t e ma n dc o n d i t i o nm o n i t o r i n g ， r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th a sb e e nc a r r i e do u to nw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t s y s t e mf o rt e n s i o ns t r i n g i n ge q u i p m e n ti nt h ed i s s e r t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s ： i nc h a p t e ro n e ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h ei s s u ei nq u e s t i o nh a s b e e nr e l a t e d c u r r e n ts i t u a t i o n so fm o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c em a n a g e m e n to fc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r ya th o m ea n da b r o a da r eb r i e f l yd i s c u s s e d ，a n ds o m er e l e v a n tt e c h n i q u e sa n d t h e o r i e sc o n c e r n i n gw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mf o rt e n s i o ns t r i n g i n g e q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e db e f o r et h em a i nc o n t e n ta n dh i g h l i g h t sa r el i s t e d i nc h a p t e rt w o ，t h es t r u c t u r eo ft e n s i o ns t r i n g i n ge q u i p m e n ti sf i r s t l yo u t l i n e d ，t h e n s o m eu s u a lm a l f u n c t i o n sa r en u m e r a t e da n da n a l y s e d t h e nt h es e l e c t i o np r i n c i p l e so f f e a t u r e ds i g n a l sa r ed i s c u s s e d a tl a s t t h es c h e m e sf o rf e a t u r e ds i g n a l sa n dp o i n t sf o r m o n i t o r i n ga r ec o n f i r m e d i nc h a p t e rt h t e e ，n e e d sa n a l y s i so fw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m f o rt e n s i o ns t r i n g i n ge q u i p m e n ti sc a r r i e do u t ，t h e nt h ee n t i r es t r u c t u r ea n df u n c t i o n s o f t h eg e n e r a ls y s t e mi n c l u d i n ge m b e d d e dm o n i t o r i n gt e r m i n a l ，s e r v e ra n dm a n a g e m e n t s o f t w a r eo ft h ee q u i p m e n ta r ed e s i g n e d m e a n w h il e ，m a i nh a r d w a r e s ，s o f t w a r ee n v i r o n m e n t a n dw o r k i n gt o o l sa r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n s i nc h a p t e rf o u r 。t h em e t h o d so fw i r e l e s sr e m o t ec o m u n i c a t i o nb a s e do ng p r s ，t h e t e c h n i q u e so fs i g n a lp r e p r o c e s s i n ga n da c q u i r i n ga r es t u d i e da n da n a l y s e d a n dt h eg e n e r a l s t r u c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r ei sd e s i g n e d t h e nt h eh a r d w a r es y s t e mo fe m b e d d e d s y s t e mi n v o l v i n gs i g n a lp r e p r o c e s s i n gc i r c u i t si sd e v e l o p e d i nc h a p t e rf i v e h o wt ot r a n s p l a n tpc o s i ii sd i s c u s s e di ng r e a td e t a i l v a r i o u sw a y s o fc o m m n i c a t i n ga m o n gd i f f e r e n tt a s k sa r ec a r e f u ll ys t u d i e db e f o r ee m b e d d e dm o n i t o r i n g t e r m i n a ls o f t w a r ei sw o r k e do u t i nc h a p t e rs i x ，s e r v e rs o f t w a r ef o rd a t aa c c e p t i n gi sd e v e l o p e d f l o wd i a g r a ma n dd a t a d i a g r a mo fm a n a g e m e n ts o f t w a r ef o rt e n s i o ns t r i n g i n ge q u i p m e n ta r ea c c u r a t e l ys t u d i e d ， l e a d i n gt ot h er e a l i z a t i o no fm a i nf u a c t i o n a lm o d u l e s w i t hs q ls e r v e r 2 0 0 0a n dd e l p h i 7 0 ， 浙江大学硕士学位论文 m a n a g e m e n ts o f t w a r es y s t e mc o m b i n e dw i t hc o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c ei sd e v e l o p e d i nt h el a s tc h a p t e r , m a i nw o r ka n di m p o r t a n to u t p u t so fo u rd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d b e s i d e s ，f u r t h e rr e s e a r c ha n di n v e s t i g a t i o nt ob em a d ei nt h en e a rf u t u r ei sm e n t i o n e d k e yw o r d s ：t e n s i o ns t r i n g i n ge q u i p m e n t ：e m b e d d e ds y s t e m ；g p r s ：uc o s n ：m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mo fe q u i p m e n t ；c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 萱隹 签字日期：0 一年上月纱日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堂鎏盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：寺匙弘 一名：韧杪坳 签字日期：i 一年二月力日 签字日期：训年月矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 【内容摘要】本章首先阐明课题的研究背景和意义，再分析国内外工程机械监测和管理研究现状， 接着论述建立牵张设备远程无线监测管理系统的主要相关技术，最后，提出本文的研究目的和内容。 1 1 课题的研究背景和意义 牵张设备是用于张力架线施工的工程机械，是目前2 2 0 千伏以上架线施工必不可少的设备，很 大程度上可以反映施工企业的最大施工能力。 随着市场经济的不断完善和其它外部环境的变化，对牵张设备的运行、维护、管理等方面产生 了巨大影响：( 1 ) 目前工程的工期一般都比较紧张，而牵张设备正常运行是保证工期很重要的一环， 故对如何保障设各正常运行，减少设备的故障率提出了更高要求；( 2 ) 这几年施工事故的增多，社 会对这方面也逐步重视起来，而由于张力架线的特点是：跨距大，常有跨高压电力线、公路、河流、 房屋等，因此，一旦出现设备故障，将不仅造成很多不必要的经济损失，而且极可能造成人身伤亡 事故，故也对设备的安全运行提出了更高要求；( 3 ) 随着电力线路工程的市场化和招投标制度的不 断完善，使电力施工企业之间的竞争日益激烈，招投标的利润空间进一步缩小，而设备的运行维护 成本在招投标中占有重要一席，故对减少设备的运行维护成本也提出了更高要求；( 4 ) 随着电力需 求的增长，相应的电力工程不断增多，用于张力架线的牵张设备数量也迅速增加。就以浙江省送变 电工程公司为例，近几年工程量持续增长，相应的牵张设备数量也从2 0 0 0 年时的2 0 台，增加到目 前的近5 0 台，这就给设备管理提出了新的要求。同时由于牵张设备都是野外作业、流动性大、且作 业分散，不能像固定机械设备那样采用有线接入i n t e r n e t 方式实现远程监测管理，从而增加了牵张 设备监测管理的难度。故为能在激烈的市场竞争中取胜，如何保障牵张设备的安全运行、减少设备 的故障率、降低设备维护成本等成为急待解决的课题。 因此，建立和应用牵张设备的远程无线监测管理系统对保障牵张设备的安全运行，避免巨额的 经济损失和灾难性事故的发生、减少设备的故障率、降低设备维护成本、提高设备的管理水平、提 高企业的经济效益等都具有重大意义。而随着状态监测、信号处理、网络、状态维修等技术和理论 的不断成熟和完善。特别是无线通讯和嵌入式技术的发展，为该系统的建立和推广应用提供了广阔 的技术平台。 1 2 国内外工程机械监测和管理研究现状 1 2 1 国内外工程机械监测技术研究现状 ( 1 ) 状态监测与诊断技术 设备状态监测与故障诊断技术“1 是利用对设备压力、流量、温度、电流等状态信号的检测分析 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 结合诊断对象的历史状态来定量识别设备及其零部件的运行状态，从而判断设备的运行状态或故障 类型，以确定相应对策的- i 1 新兴的多学科性综合技术。它的最终目的是提高设备运行效率、可靠 性，分析故障形成的原因以防患于未然，它是进行状态维修及预知管理的基础。状态监测与故障诊 断不是等同的概念，状态监测的任务是判别系统是否偏离正常功能。监视其发展趋势，预防突发性 故障的发生，而故障诊断则是在状态监测的基础上进一步查明故障的形成原因和部位。 设备状态监测与故障诊断技术作为- - i _ 】独立的学科，经过多年的发展，已经应用了：统计分析 法( 如：主次图法、趋势图法、特征因素图法) 、逻辑分析法( 如：故障模式和影响分析法、故障树分 析法、事件树分析法) 、模糊分析法、综合分析法、专家系统、定性推理、基于模型的诊断方法、神 经网络方法等。其中统计分析法、逻辑分析法、模糊分析法、综合分析法属于静态性能诊断，是运 用数学方法和现代化工具手段来研究系统失效的因果之间的各种逻辑关系，并计算出系统失效与其 组成部分失效之间的定性、定量关系而专家系统，定性推理、基于模型的诊断方法、神经网络方 法则属于动态故障诊断。 在上述的诊断方法中，常用的且直观的诊断方法是逻辑分析方法( l o g i c a lh e t h o d ) 。逻辑方法 是把故障的现象和原因按照严格的逻辑关系有机地联系起来作为推理的依据来预测和诊断系统的 故障。此方法容易理解、判断迅速准确、能够反映相关因素的影响，因而得到了日益广泛的应用 ( 2 ) 监测和故障诊断系统的研究开发方面”“”： 监测和故障诊断系统在大型旋转机械上已得到广泛应用，相比之下，在工程机械上的应用则要 落后很多。 在工程机械监测和故障诊断系统的研究和开发方面，国外发展要比国内快一些。国外一些著名 的工程机械公司在故障诊断、远程监控系统及整机智能控制方而取得了较大进展，如： 日立建机既d r 故障诊断系统：故障诊断计算机是一种插入机械设备上的手持式终端，手 持式终端读取设备运行过程中的工况数据并存储后，再将手持式终端带回到办公室，将数 据输入到计算机中进行诊断分析处理，也包括输出打印报表、安排维修及备件管理等。 卡特彼勒公司的“采矿铲土运输技术系统( 娅t s ) “1 ：h e r s 包括多种多样的技术，如无线 电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理软件和机器控制装置等。该系统由三部分 组成：( 1 ) 计算机辅助铲土运输系统( c a e s ) ：包括机载计算、c m 级6 p s 微波定位和高速 无线电通信三项技术。在运行中，机载系统通过无线电接收整个无线网络中的铲土运输数 据、工程数据，这些数据都可以在驾驶室屏幕上显示，从而司机能直观地了解机器的作业 位置，并准确地判断需要挖掘、回填或装载的土方量。( 2 ) 关键信息管理系统( v i l i s ) ：v i h s 监测机器中极其关键的性能与作业参数，通过无线电将数据从该机器传送到作业办公室， 并可立即分析数据以便判断机器的当前状态( 3 ) c a e so f f i c e 软件：该软件与来自装有 c a e s 的机器的数据相结合，产生一个集成的现时作业模型，可以在接近实时条件下对现场 各种作业进行监控。 0 蹦( 公司的挖掘机卫星数据传输监控系统：应用卫星通讯技术将各台工作中的挖掘机状态信 息、故障信息，由机载发射机发射到同步卫星上，再由卫星上的转发器发往管理中心，接 着由管理中心的计算机进行分析处理并显示各台机器的运转状况。该监控系统给挖掘机作 业生产管理、备件或定购、维修带来了极大的方便。 国内直到八十年代初才引起对这方面的重视，在实际应用方面与国外有一定的差距。近年来， 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 国内部分高校和大型企业已着手开展这方面的研究，并取得了一些进展，例如： 天津工程机械研究院的i 珊s - 型电子监测器，可对装载机的温度，压力等十个主要参量进 行监测、显示和三级报警 浙江大学与长江挖掘机厂合作开发的智能式工况实时监控与故障诊断系统，具有显示、故 障判断、报警与记录等功能。 总之，目前在工程机械上使用的监测和诊断系统大致可分为： 离线状态监测系统：是利用嵌入式技术开发的具有简单数据分析功能的实时状态监测系统， 并集成到工程机械上，可以实时监测工程机械运行状态，以便及时发现故障。 便携式状态监测与故障诊断系统：是集数据采集、监测、分析于一体的便携，轻巧的状态 监测与诊断系统。相对离线状态监测系统，具有适应范围广、能够对多台设备进行诊断分 析。 在线状态监测系统是在离线状态监测系统的基础上，采用无线通讯技术，增加远程无线数 据传输功能，通过服务器对设备进行统计分析和趋势分析，而且可以方便实现对同类设备 故障数据的统计分析。 目前，在国内# i - t 程机械行业中使用较多的是离线状态监测系统和便携式状态监测与故障诊断 系统，这些系统的应用提高了工程机械的状态监测与故障诊断水平，很大程度上提高了工程机械运 行的安全性和可靠性。在避免巨额的经济损失和灾难性事故的发生方面起到了积极的作用。但它们 还存在些不足：对于离线状态监测系统，由于受数据存储的限制，不能保存设备运行的数据，从 而不能对设备的数据进行统计分析和趋势预测，同样也不能实现对同类型设备故障数据的统计分析： 而对于便携式状态监测与故障诊断系统虽实现对部分数据的存储，实现对存储的部分数据进行统计 分析和趋势预测，但存储的部分数据很有限，而且不能实现对设备运行状态的实时监测，加之对分 散作业的工程机械来说，还需要派专人进行现场巡检，使其在工程机械上的使用还存在诸多不便。 因此，需要采用远程无线状态监测，而目前采用卫星通讯技术实现的远程状态监测系统因其高额的 费用限制了其在工程机械中的使用。故正是由于无线数据传输的问题，而使工程机械状态监测远远 落后于大型旋转机械。而在牵张设备行业中，上述这些状态检测和诊断系统却还没得到应用。 1 2 2 国内外工程机械维修管理现状 在工程机械维修方面”： 在工程机械的维修模式上大致经历了：事后维修、预防维修和状态维修等几个主要阶段“ 事后维修阶段：2 0 世纪六七十年代以前，由于设备成本不高，且故障后造成的损失也不大，国 内外工程机械维修管理领域一直采用事后维修，一般都是在发生故障以后才进行的。其最大优点是 充分地利用了零部件的寿命。 预防性维修阶段：这一阶段具有代表性的是以前苏联为首的定期维修保养方式，也是我国工程 机械维修行业至今一直采用的主要的维修管理模式，它包含保养和维修两个方面。而定期维护修保 养是一种静态维修制度，其特点是当设备运行达到计划规定的台时便进行强制拆卸分解维修，实践 证明其存在很多不足，主要表现在： 不少故障不可能通过细密的定期维修得到解决，相反会因频繁的拆装出现更多的故障，从 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 而影响设备的可靠性。 对各种配件消耗规律掌握不准，将一些尚能正常工作的部件进行盲目拆装，这不仅增加了 不必要的维修费用，而且增长了维修停机时间。 一些尚能继续工作的配合件重新装配后难以保证原配合间隙，使工况变坏。 定期维修对于机械设备运行过程中的某些突发性故障不能及时进行预防性维修，以致造成恶性 事故的发生，而且定期维修保养很有可能造成维修过剩，或者会出现失修引起机械更大的损坏，造 成经济浪费。因此，在激烈的市场环境下，定期维修保养已明显不能满足生产发展的需要。 以状态维修为代表的阶段：随着计算机的应用、传感器技术等的发展，一些发达国家开始使用 状态维修。状态维修是在对测试结果进行分析处理后，当证明有必要时才安排维修的一种方法。状 态维修的重点是在状态监测环节上。它通过对设备的一些主要运行参数的频繁监测或连续监测，及 时对设备做出评价，推测出设备的现状及发展趋势，在此基础上安排设备维修的最佳时机。状态维 修具有如下优点：避免过剩维修，防止因不必要的拆卸影响设备，延长设备寿命；缩短维修时间， 降低维修费用，提高生产效率和经济效益；减少和避免重大事故发生，故不仅能获得巨大经济效益， 而且能获得良好的社会效益；在一定范围内合理安排维修时间计划，使停机所造成的经济损失达到 最低限度 当然，除了以上几种维修方式外，还有很多维修方式，如：全面计划质量维修、适应性维修、 可靠性维修及几种维修方式的结合。 在工程机械行业，国外已经逐步应用以状态监测为基础的状态维修，而在国内则主要还是以预 防性维修为主，状态维修还处于试验阶段，即使建立状态维修，也因监测手段落后，而没有实现真 正意义上的状态维修。在牵张设备行业中，仍采用预防性维修和事后维修，故急需采用以状态监测 为基础的状态维修方式来改善目前落后的维修管理现状。 在工程机械管理信息系统的建设方面”1 4 4 1 设备管理是现代企业管理的重要组成部分，企业管理的信息化必然包括设备管理的信息化。国 外发达国家从七十年代开始设备管理信息化的研究，国内于八十年代开始了这方面的研究。随着计 算机软硬件技术的发展，尤其是数据库技术、数据通讯技术及计算机网络技术的发展，极大推动了 设备管理信息化的发展，使设备管理信息系统从静态走向动态，从单用户走向网络化，而且受到越 来越多企业的关注和使用，已成为企业克服设备管理困难，适应管理要求的重要手段。目前在工程 机械上已有较多应用，如三峡施工设备综合信息管理系统”1 ，但现有的系统还是与预防性维护相结 合为主，大多没有与先进的维修模式相结合。而在国内牵张设备行业，主要还是以传统管理方式进 行，且都是以手工填写记录，随着工程量和设备量的增加，其不足之处越来越明显，主要表现在： 随着施工地点的增多和设备的频繁调动，利用手工填写记录进行管理容易出现混乱，不能 合理高效的调用设备。 零配件管理混乱，不能准确统计每年的零配件使用情况，从而不能使仓库存储达到最佳状 态。 每次维修保养时，都需要翻看维修保养历史记录，这对手工填写记录的管理方式来说极不 方便，而且费时。 夺 对各类数据的统计不仅费时，而且也不准确，不能为决策者提供准确的数据。 夺 难以统计操作者的工作量。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 夺 难以实现信息共享和职工全员参与管理。 故传统管理方式在目前的大规模的施工作业中，由于施工量增多，协同关系复杂，对机械零备 件、人员管理逐渐复杂化等问题，已不能充分发挥设备作业效能。故急需建立与状态维修相结合的 管理系统，以降低设备维护成本、提高设备的管理水平，进而提高企业的经济效益。 1 3 远程无线监测与维修管理相关技术和理论 远程监测与维修管理涉及到很多技术和理论，主要有：无线通讯、嵌入式、状态维修等技术和 理论。 1 3 1 无线通讯技术 由于牵张设备多系露天作业，受风雨、日晒、粉尘等影响和侵蚀，工作环境十分恶劣，故障频 繁，故为减少设备运行的故障率。需对其进行远程监测。而由于架线旌工生产的特性决定了牵张设 备分散性大，流动性强，从而决定了必须采用无线通讯的方式来实现牵张设备的远程监测，而不能 像固定机械设备采用有线接入i n t e r n e t 方式实现远程监测。 目前无线通讯技术主要有：红外线技术、蓝牙技术、卫星通讯技术、g p r s 技术等。其中红外线 技术、蓝牙技术“1 因只能实现短距离的数据通信，故需要在设备附近建立作业管理中心，有条 件的可以再通过作业管理中心上i n t e r n e t 。这种方式适合机群化作业，但对单机或几台设备作业则 很不经济；卫星通讯技术虽可以实现无线数据通信，但因其价格昂贵而限制了其使用；而通用分组 无线业务g p i l s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是在g s m 网络基础上发展起来的一种分组交换的 数据承载和传输方式，该技术较完美地结合了移动通讯技术和数据通讯技术，尤其是i n t e r n e t 技术， 而且g p r s 具有非常明显的优势“1 ： 通过多个g s m 时隙的复用，支持的数据传输速率更高，理论峰值达1 1 5 k b s ； 不同的网络用户共享同一组g p r s 信道， 但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会 占用信道资源。这样，通过多用户的业务复用，更有效地利用无线网络信道资源，特别 适合突发性、频繁的小流量数据传输； g p r s 计费方式更加灵活，可以支持按数据流量来进行计费； g p r s 能够随时为用户提供透明的i p 通道，可直接访问i n t e r n e t 中的所有站点和资源： 采用信道复用技术，每一个g p r s 用户都能够实现永远在线。因此，使用g p r s 实现远程数 据的传送是非常经济的。 g p r s “”“1 是在6 s m 网络中引入了两个新节点：业务支持节点s g s n ( s e r v i n g g p r ss u p p o r t n o d e ) 和网关支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) ，使得用户能够在端到端分组方式下 发送和接收数据。其无线数据传输实现的大致过程如下：g p r s 用户首先要通过g p r s 附着过程 ( a t t a c h ) 将自己的信息登记在s g s n 中，附着过程结束后，s g s n 建立了移动台的信息，并对移动 台作移动性管理，尽可能地获得移动台的位置信息。移动台如要访问外部数据网，需要发起p d p 上 下文激活过程，登录到g 6 s n 上后，动态分配到i n t e r n e t 网的i p 地址，通过此过程使移动台到 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 g g s n 建立一条逻辑通路，从而可以访问外部数据网。 g p p , s 的应用，将客户带入移动信息高速公路，满足广大客户对数据业务日益增长的需要。g p r s 的发展使制约移动数据发展的各项因素逐步得到解决，推动移动数据发展的方方面面也日趋完善， 已在很多行业得到应用，如远程无线自动抄表”、油田测试“等，从而为牵张设备远程无线监测 的数据传输提供了很好的解决方案和技术平台。 1 3 2 既入式技术” 随着监测系统功能的越来越丰富，越需要实现监测系统的开放性和模块化，这就必须提供一个 功能强大稳定的软硬件平台，然后才可以在其上搭建“积木”( 功能模块) 近年来，迅速发展的嵌 入式技术为构建监测系统底层平台创造了条件。 嵌入式系统”( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、 对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统泛指嵌入于宿主设 备以辅助宿主设备高质量完成其功能的小巧、廉价的计算机系统。它是面向用户、面向产品、面向 应用的，系统可大可小，位数可多可少，完全由宿主设备的功能要求决定 目前，嵌入式系统己逐步发展成为一门学科，推动了嵌入式系统朝着系统化、规范化的方面发 展。嵌入式系统学科和产业的发展使其能满足越来越复杂的应用需求，通过软件和硬件的模块化设 计大大地简化和加快了应用系统的开发。 嵌入式系统主要包括硬件和软件两部分： 硬件包括微处理器、存储器、i o 端口、图形控制器及其它外设器件； 软件部分包括操作系统和应用程序。 嵌入式系统硬件的核心是嵌入式微处理器，其功能、外设集成度、速度、功耗、体积、成本， 可靠性、电磁兼容性方面均受到应用要求的制约嵌入式系统的软件是实现嵌入式系统功能的关键， 其中多任务嵌入式操作系统是知识集成的平台，是嵌入式系统研究的重要方向。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过各种通用计算机，广泛应用于制造业、过程控制、通讯、 仪器、仪表、汽车、航空、航天、消费类产品等领域。目前随着微处理器速度以及芯片集成度的大 幅度提高，嵌入式系统得到了飞速的发展，展现在人们面前的嵌入式系统产品功能更强、更人性化、 更智能。各类智能仪表、控制系统、手持设备等也都逐步装备了功能强大的嵌入式系统，使得数据 采集、传送和控制更先进，操作更方便。这些成熟的应用及嵌入式计算机的小型化和低廉的价格为 嵌入式系统在牵张设备上的推广应用提供了很好的基础。 1 3 3 状态维修原理“1 ”1 1 状态维修( c b m ) 是根据状态监测等技术所获取的信息，在故障将要发生之前或运行经济性下降 到极限时，有目的地进行适当和必要的维修。 图1 1 为设备性能状态与运行时间之间的关系曲线，从图中可以看出设备在使用过程中，其性 能状态随使用时间的推移而逐步下降。研究表明，大多数故障发生前都会有一些征兆，即进入潜在 6 囤1 1 设备性能变化曲线 工篡岔嚣乎墓 爹瓣嚣嚣乎氛蝴率 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 和降低设备维护成本。 提高牵张设备的使用率和管理水平( 包括零配件管理) ，从而提高企业的经济效益。 论文主要研究内容如下： 1 阐述课题的研究背景和意义，分析国内外工程机械监测与维修管理研究现状，论述牵张设 备远程无线监测管理系统的相关技术。最后，提出了本文的研究内容 2 介绍牵张设备的结构，分析牵张设备常见故障的原因，讨论特征信号的选取原则，确定特 征信号和监测点的选择方案 3 分析牵张设备远程监测管理系统的需求，设计由嵌入式监测终端、服务器、设备管理软件 组成的系统总体结构和主要功能模块，并根据它们的功能要求选取主要硬件、软件开发环 境及开发工具。 4 分析研究基于g p r $ 的无线通讯方法、状态信号预处理和采集技术，设计嵌入式系统硬件总 体结构，开发包括牵张设备信号预处理等电路的监测终端嵌入式硬件系统 5 讨论uc 0 s i i 操作系统的移植，分析研究任务之间的通讯方法，设计开发牵张设备远程嵌 入式终端软件。 6 设计开发服务器数据接收软件，分析牵张设备管理软件的业务流程和数据流程，设计牵张 设备管理软件的主要功能模块，并在常用的w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下，采用 s q l s e r v e r 2 0 0 0 、d e l p h i 7 0 开发工具开发客户端的与状态维修相结合的牵张设备管理软件。 1 5 本章小结 本章首先阐明了建立牵张设备远程监测管理系统的背景和意义，分析了国内外工程机械监测和 管理研究现状，接着论述了建立牵张设备远程监测管理系统的主要相关技术。在上述基础上，提出 了本文的研究目的和内容。 8 浙江大学硕士学位论文第二章牵张设备常见故障分析及监测点选取 第二章牵张设备常见故障分析及监测点选取 【内容摘要】获取牵张设备的故障信息是牵张设备远程无线监测管理系统的基础，因此，本章首先 介绍牵张设备的结构，再分析其常见故障的原因，接着讨论特征信号的选取原则，最后，论述了监 测对象和监测点的选择。 2 1 牵张设备常见故障分析”1 2 1 1 牵引机常见结构” 图2 1 牵引机结构图 1 牵引卷筒或牵引轮2 进线导向滚轮3 控制箱4 捧线机构5 钢丝绳卷绕装置液压马达、减速器、制动器总 成6 钢丝绳线盘7 钢丝绳卷绕支架8 卷绕支架升降液压缸9 发动机lo 主液压马达、制动器、行星齿轮 9 浙江大学硕士学位论文第二章牵张设备常见故障分析及监测点选取 减速器总成1 1 液压系统散热器 牵引机是由柴油发动机、液压系统，行星减速装置、执行机构，钢丝绳卷绕装置、机架及辅助 装置等部分组成，具体结构如图2 1 所示。 其中：柴油发动机主要是为牵引机提供原动力；液压系统主要是把发动机的动力传递给行星减 速装置，并实现无级变速；行星减速装置则是实现减速和增扭；牵引卷筒是牵引机进行牵引作业的 执行机构，其输出扭矩进行牵引作业是通过钢丝绳在牵引卷筒上产生的摩擦力矩来实现的；钢丝绳 卷绕装置是把钢丝绳整齐的排进线盘，并为牵引卷筒尾部钢丝绳提供一定的拉力。接下来对牵引机 的核心部分一液压系统进行介绍： 牵引机液压系统主要由牵引系统，钢丝绳卷绕系统和散热系统组成，具体如图2 2 所示。 图2 2 牵引机液压系统原理图 1 主液压泵2 主液压马达3 补油泵4 、5 平衡阀6 朴油泵溢流阀7 伺服阀8 牵引卷简刹车电磁换向阀 9 冲洗阀组1 0 牵引卷筒刹车1 1 牵引力调压阀1 2 液控换向阀1 3 背压阀1 4 卷绕泵1 5 风扇泵1 6 风扇 马达1 7 风扇调压阀1 8 卷绕调压阀1 9 散热器2 0 单向阀2 1 卷绕马达2 2 卷绕刹车2 3 卷绕马达电磁 换向阀2 4 卷绕装置项升油缸电磁换向阀2 5 液压锁2 6 卷绕装置顶升油缸2 7 液压油过滤器 牵引系统：主要实现对牵引卷筒的驱动、能方便的预调牵引力和牵引速度。主系统是由变量泵 l 和定量马达2 等组成的闭式系统。补油泵3 、主液压泵1 、伺服控制机构、平衡阀等均做成一体， 其中平衡阀4 、5 调定了主液压泵输出压力油的最高压力。补油泵3 的补油压力由溢流阀6 调定，它 除正反两个方向给主液压泵补油外，通过操作电磁换向阀8 控制主液压马达2 的制动器l o 开启和制 动。溢流阀1 1 、溢流阀1 3 、换向阀1 2 组成牵引机的过载保护装置。牵引作业前通过溢流阀l l 来调 节牵引作业的最高工作压力。当外负荷超过溢流阀1 1 的设定压力时。其阀芯开启，在压力油流经节 流阀时，两端产生压差，当液控换向阀两侧压差与其阀芯面积的乘积大于弹簧力时，液控换向阀换 向，压力油流向伺服液压缸的一侧，该压力油使主液压变量泵斜盘向排量减少方向移动。这样在液 控换向阀1 2 、溢流阀1 1 和溢流阀1 3 的共同作用下使主液压变量泵斜盘维持在捧量较小的位置。从 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章牵张设备常见故障分析及监测点选取 而可以根据要求限定牵引机作业时的最高工作压力，以防止因过载而引发事故 钢丝绳卷绕系统：其作用是为牵引卷筒尾部提供一定的拉力，并把从牵引卷筒收进的钢丝绳有 规律的排进线盘。其中液压泵1 4 用于驱动钢丝绳卷绕液压马达2 l 和尾部钢丝绳卷绕装置升降液压 缸2 6 ，压力通过溢流阀1 8 调节，其中油路的开关分别由电磁换向阀2 3 、2 4 控制。 散热系统：其作用是使液压系统在合适的温度范围内工作。其中液压泵1 5 用于驱动散热器风扇 液压马达1 6 ，溢流阀1 7 调定其出口压力。单向阔2 0 起到保护散热器1 9 的作用，当散热器1 9 两侧 压差大于一定值时，单向阀2 0 开启，保护散热器因承压过高而破裂。为避免闭式回路液压系统油液 过热，在液压马达2 的壳体内部，也装有内置式冲洗阀组9 ，来自回路低压侧的液压油，经节流孔 流入马达壳体中。然后和壳体内泄漏油一起回到油箱中，从而起到降低闭式回路中油液温度的作用。 冲洗的流量由该节流孔限制，并由阀组9 中的溢流阀设定工作压力，该压力稍低于溢流阀6 设定的 压力。 牵引机在工作过程中可分为牵引工况和倒车工况。在牵引过程中，需根据卷绕装置线盘中钢丝 绳的多少来调节溢流阀1 8 ，当线盘中钢丝绳少时，压力应在5 0 b a r 左右，随着线盘中钢丝绳的增加 应相应增加，但最大不能超过1 3 0 b a r ，而在倒车的过程中。应调节溢流阀1 8 ，使卷绕压力在4 0 b a r 左右，保证可以打开卷绕装置刹车，且阻力不至于太大。在各工况下，补油压力应维持在2 0 - 3 0 b a r ， 因主液压泵是斜盘式轴向柱塞双向变量泵，主液马达是斜轴式柱塞定量马达，故为使主液压泵和主 液压马达能正常工作，需要提供一定的背压，防止因滑靴不能建立液体摩擦而加剧其磨损。在运行 过程中，应根据液压油温度相应调节风扇溢流阀1 7 ，在温度超过6 0 时，要加大风扇压力，而在冷 天启动时，则需全部释放其压力。 2 1 2 牵引机常见故障分析” 在讲述了牵引机结构的基础上，这一部分接着讲述牵引机常见故障和可能成因分析 在牵引机的实际使用中，发动机部分的故障最多，主要是发动机不能起动和柴油油路堵塞问题。 在这两个