油泵智能监控终端系统

1、代号名称油泵智能监控终端总体方案单位编写校对审核标审批准编号阶段方案页数19会签文档控制变更记录版本号日期作者段落、图或表增加/修改/删除简单描述更改申请单号目 录1概述12主要技术指标12.1技术指标12.2接口要求23功能与组成23.1系统功能23.2设备组成24工作原理55外壳设计56核心CPU设计57电源板设计及功耗统计58HART调制解调设计59接口设计510系统工作流程511关键技术及风险分析611.1关键技术611.2风险分析612设备组成配套关系6I1 概述随着现代生产过程中人力成本的增加和对泵类产品质量要求和监控标准的提高，原有的监控方法已经不能满足要求，有实力的泵生产厂家已

2、经开始采用智能化程度更高的监控系统来提升自己的技术水平和产品竞争力。相比传统的监控系统，本智能监控终端可以集成更多的传感器，降低现场布线难度，自动分析传感器数据并对异常做出报警，而且可以远程操作终端，同时借助专业软件，可以对泵设备参数形成曲线图，有利于用户掌握设备运行状况。同时为了适应各种复杂环境，智能监控终端具备良好的实时性和抗干扰能力，能够适应油泵恶劣的工作环境，有效的检测油泵的工作状态，为企业的产品升级和产品维修提供了有效的数据参考。项目甲方：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx项目乙方：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx项目周期：2 主要技术指标油泵智能监控终端主要性能

3、指标如下：2.1 技术指标(1) 采集速率5min/次，可设置(2) 最小数据采集点数>=60(3) 传输协议支持HART传输协议(4) 支持传感器类型输出电流：4mA20mA(5) 终端数据外部传输方式根据传输距离要求，可以同时兼容蓝牙，zigbee，gprs模块无线传输(6) 数据存储采用16G容量SD卡(7) 电源电源优选电池供电设备低功耗，同时兼容外部220V（5060Hz）输入，峰值功率待核定；(8) 工作环境工作温度：特殊型（-40+60） 通用型（-20+50）；需要考虑防雨、防雷、防湿，防爆、防潮、防尘，要求能够满足露天、户外使用要求。2.2 接口要求油泵智能监控终端的外

4、部接口包括无线收发接口、数据采集接口和电源接口三部分，具体如下：(1) 供电接口：优选电池供电，电池电压及容量需根据采集的频率和数据量而定,同时电源输入接口兼容外部交流220V输入，系统峰值功耗待定；(2) 无线收发接口：无线收发采用单独的模块实现，模块与主控模块之间硬件接口采用UART实现，波特率19200bps、38400bps、57600bps三种波特率可调；(3) 数据采集接口：传感器接入端，支持传感器输出电流4mA20mA。(4) 支持HART协议变送器接口和串口，实现与监控室服务器通信；3 功能与组成3.1 系统功能油泵智能监控终端主要完成油泵关键数据参数的采集与监控，保证油泵生产

5、厂家可以方便的获取油泵参数，实现对油泵工作状态全面了解和故障预测，设备主要功能如下：（1） 完成油泵关键数据点的数据采集；（2） 完成所有采集点的数据存储；（3） 能够根据无线指令完成对终端自身的参数配置和数据读取；（4） 兼容多种无线数据传输形式，保证不同距离的数据传输；（5） 支持HART协议变送器接口和串口，实现与监控室服务器通信；（6） 能够通过OLED或LED显示终端状态，并且有按键设置终端参数；（7） 提供GPS位置信息（二期扩展）；（8） 兼容电池供电和外部交流供电； 3.2 设备组成油泵智能监控终端主要有核心处理单元，HART协议调制解调模块，外部存储模块，无线收发模块，电源管

6、理模块组成，其连接关系及其设备的接口关系如图3-1所示。16图3-1智能油泵采集监控终端系统组成及接口4 工作原理智能监控终端通过传感器采集需求数据（压力、差压、流量、温度、温差、振动、噪声、频谱、液位、转数、电流、电压等）并进行存储，对于超出阈值情况，发出报警。操作人员可以通过终端按键设置阈值和查询传感器数值，或者可以使用远端电脑通过无线通信方式设置阈值和查询传感器数值，或者利用HART协议与监控室通信。如图4-1智能监控终端与远端电脑通信系统框图。图4-2智能监控终端与监控室通信系统框图。图4-1 智能监控终端与远端电脑通信系统框图图4-2 智能监控终端与监控室通信系统框图5 外壳设计外壳

7、接口包括：(1) 外部供电就接口(2) 外置天线接口(3) 传感器接口(4) 同时考虑防雨防潮防尘的设计6 核心控制单元设计核心控制单元是智能监控终端的控制核心，其主要完成了终端的综合管理。在处理器芯片选型上，选择工业级型号。7 无线收发单元设计无线收发单元实现工作人员利用无线方式操作智能监控终端，根据传输距离和传输速率，目前智能监控终端兼容蓝牙、Zigbee和GPRS三种无线技术，其中蓝牙和Zibee适用于近距离通信，GPRS技术适用于将智能监控终端连接到公司服务中心，二期需要实现无线收发单元设计为单独模块，可拔插，方便更换。7.1 蓝牙无线收发单元蓝牙使用2.4G频段，采用快跳频技术进行通

8、信，因而具有较高的抗干扰能力和安全性能。蓝牙技术可以支持数据和语音传输，最高速率为1Mbps,其作用范围视微波发射功率而定：0dbm的功率作用范围为10米，20dbm的功率作用距离为100米。 蓝牙具有低成本高速率的特点，并且蓝牙的使用和维护成本要低于其他任何一种无线技术。目前蓝牙技术开发重点是多点连接，即一台设备同时与多台（最多7台）其他设备互联。7.2 Zigbee无线收发单元Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种短距离、低功耗的双向无线通信技术。Zigbee技术主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇

9、性数据和低反应时间数据传输的应用，适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。Zigbee技术特点(1) 低功耗，发射功率仅为1mW，在低耗电待机模式下，2节5号干电池可以支持工作624个月，设置更长。(2) 时延短，响应速度快，但传输速率低，Zigbee工作在20250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率。(3) 近距离，传输范围一般介于101600m之间。(4) 网络容量大，采用星状、片状和网状网络结构最多一个主节点可管理254个子节点。(5) 成本低，安全可靠。7

10、.3 GPRS无线收发单元 工业控制中GPRS通信是基于移动通信的GPRS网络的互联网通信，运营商（如中国移动、联通）的GPRS网络是互联网的一部分。工控系统中的控制节点关系往往是一个多点对多点（即多中心站点对多分站点）、点对多点（中心站点对多分站）、点对点的关系。如果从互联网接入的角度看中心站点和分站都是互联网的终端。本工程中根据需求应采用一点对多点的拓扑结构。图7-1是一个点对多点使用GPRS通信的网络示意图。在这个图中，主站即为公司服务控制中心，分站即为各个水泵的智能监控终端。为了方便在以后的描述中我们用DCS和DTU与网络的关系代替中心站点和分站与网络的关系。图7-1 GPRS通信的网

11、络示意图联网原理：该网组网要求电信、网通、铁通等公司提供一个INTERNET网上的固定IP供中心服务器使用，每个分站的DUT GPRS模块使用的SIM卡不需要固定的IP，需要开通数据业务，不需要开通语音业务。通过配置DUT模块的上网方式和远程连接的参数，可以方便的通过GPRS网络将采集的数据按照预定义的协议发送到服务器端，通过服务器端的管理即可达到预期的目的。8 传感器采集单元设计智能监控终端采集的传感器输出是4mA20mA电流信号，而且传感器数量从10个到160个不等，为了满足传感器数量多的要求，需要采用数字模拟开关，依次选通所有传感器。9 按键和显示单元智能监控终端具备人机交互界面，可以设

12、置和查询终端信息。根据操作需要设置数个按键，如“功能”“向上”“向下”等。显示单元优先考虑OLED液晶屏，显示内容多，方便信息查看，工业级温度范围是-3070，可以满足大部分使用环境；如果出现-40情况，可以替换成LED数码管。图9-1 OLED显示屏实物图。图9-1 OLED显示屏实物图10 GPS单元GPS可以提供智能监控终端的位置信息，本功能会在二期使用，为了对二期的兼容。11 存储单元存储单元用于存储365天传感器数值，对于监控终端，考虑到体积、功耗和成本因素，优选SD卡作为存储元件。下面计算需要的最低存储容量。条件：365天，160个传感器，每个传感器占用10个字节，5分钟采集并存储

13、一次。公式：10*8*160*（24*60/5）*3651.4G可以选择一个16G(50元/个)，这样采集并存储频率可以降到30s一次。12 电源板设计及功耗统计电源模块的主要功能是完成外部输入电压转换为板级电压的功能，设计中需要兼容外部直流输入和交流输入的情况，电源模块的主要功能框图如下：图7-1 电源模块功能框图上图中主要由交流转直流模块，相应的直流电压变换模块、及模拟开关组成，各模块功能及工作原理如下：交流转直流模块：主要完成外部交流电到板级芯片可用的直流电压的转换过程，通过开关电源实现此模块；直流电压变换模块：由于系统中需要供电的模块较多，且电压值不同，因此需要对输入的直流电进行直流电

14、平变换，变换为各个模块可用的电压，该模块实现根据后续负载的特性选择相应的线性稳压源或开关电源模块实现；开关模块：由于系统优选为电池供电，为了降低电池的更换频率，因此系统的功耗必须工作在一个较低的范围内，开关模块主要是实现各个模块电压供电的可控，通过核心处理单元的GPIO控制开关开断，完成对后级电路供电的控制，在后级模块不需要供电的情况下关闭电源供电，尽可能的降低系统的功耗。该模块设计注意事项：由于终端对防爆等级具有较高的要求，电源模块作为最为易爆的单元，在设计中应该考虑较大的余量设计，保证电源发热范围在一个较低的范围内，建议设计余量至少2倍以上。13 HART调制解调设计13.1 HART协议

15、概述采用 Bell202 标准的 FSK 频移键控信号，在低频的 420mA 模拟信号基础上叠加低幅值的数字信号，如图8-1所示。 逻辑 “1” 由一个周期的 1200 Hz 频率的正弦波代表，逻辑 “0” 由两个周期的 2200 Hz 频率的正弦波代表，传输速率为 1200bit/s。HART 信号的幅度是 0.5mA，且相位连续，所以最终的平均值仍为 0mA，故不会影响原有的 420mA 模拟信号。420mA 模拟信号虽然只能进行单项传输，且只有一个变量的信息，但 FSK 信号方式允许双向数字通讯，故而可以对变送器终端进行读或写的操作，也支持更多的变量信息。用屏蔽双绞线作为传输介质时，点对

16、点模式的通讯距离可达 3000m，多点组网模式下的通讯距离可达 1500 m。 图8-1 信号波形13.2 HART调试解调硬件实现DS8500是一款用于过程控制的HART调制解调器，提供连续相位的FSK调制和解调。这款具有丰富功能的低功耗调制解调器完全满足HART通信基金会设定的物理层规范。DS8500具有诸多功能，使用户能够方便、高效地设计具备HART调制解调功能的过程控制系统。· 可靠的信号侦测· 极少的外部元件· 正弦输出信号· 低功耗· 标准的3.6864MHz晶体内置数字信号处理技术支持可靠的FSK_IN信号侦测；极少的外部元件用于

17、将HART信号从噪声中提取出来。FSK_OUT为正弦信号，在系统中产生最低的谐波失真。如图8-2所示为DS8500在智能变送器应用中的顶层原理框图。设计突出展示了HART调制解调器及其外围IC之间的接口。图8-2 基于DS8500智能变送器原理框图14 远端电脑查询软件为了与智能监控终端无线通信，远端电脑需配备无线通信模块；同时为了查询智能监控终端数据，远端电脑需要安装应用软件，实现按传感器类型，时间段，以及异常值等几种条件下的搜索查询功能。14.1 主要功能(1) 与智能监控终端无线连接；(2) 查询功能：按传感器类型，时间段，以及异常值等几种条件下的搜索查询；(3) 设置功能：设置传感器阈

18、值；(4) 分析功能：可以描绘出某传感器在一段时间曲线图，有利于分析设备运行状态。14.2 实现方案远端电脑查询软件框图如下所示：图9-1查询软件框图(1) UI层：这个主要是对接收的实时传感数据进行实时显示，采用ActiveX插件进行数据实时显示和预警，同时界面有数据查询控件和历史数据查询控件，可以根据用户的用例操作显示数据库查询得到的数据表格结果。同时有传感器阈值设置控件和无线连接等控件。同时还有根据查询的传感器连续数据进行时间-数据幅度值大小的波形显示控件，这些作为软件的UI显示。采用c#的WPF的界面设计器，进行控件设计和xaml文件的交互，实现UI和逻辑实现的独立。(2) 业务逻辑层

19、：根据业务需求开启业务处理解析线程，需要和接收线程和存储线程同步，该线程主要进行数据的显示更新以及交互解析，主要是根据采集的数据进行人工数据预先设定的数据预警解析，同时根据一定时间的数据采集进行数据挖掘和故障自动解析，将故障数据实时显示到用户界面，同时进行报警。(3) 数据存储和管理层：通过无线连接模块将数据采集到计算机，在传输层通过UDP协议或者TCP协议，在应用层通过无线通信模块的协议。在软件开启一个接收线程进行数据包的接收，然后对数据包进行协议拆包、数据解析，将对应位置的传感器的数据存储到对应结构体变量中，然后将对应变量数据存储到数据库的对应表格的记录中，存储到SQLServer2008

20、数据库中，采用ADO和ODBC数据库接口，同时当用户需要查询和修改时可以对对应表格的记录进行查询和修改，采用SQL语句与数据库进行交互。15 系统工作流程智能监控终端接收来自按键、串口、无线模块和HART调制解调器的指令，解析指令后，去执行相应操作。同时智能监控终端会采集传感器数字，存储和阈值判断，超过阈值会发出报警。智能监控终端工作流程图,图15-1所示。 图15-1智能监控终端工作流程图16 关键技术及风险分析16.1 关键技术智能油泵采集监控终端的关键技术如下：(1) HART总线设计虽然HART总线作为较为成熟的仪表总线方案，但在本项目中由于测试点较多，总线挂在的仪表数量较多，因此总线

21、的挂在能力设计作为本项目的关键技术之一；该技术的实现上可以结合现有的技术，通过通过专业的芯片供应商的技术支持完成HART总线的设计。(2) 存储设计本项目中要求存储一年的数据采集结果，数据量较大，而且能够分日期进行存储，因此存储设计上也是本项目的一项关键技术；该技术实现的目前方案是根据日期和存储地址建立映射表，根据要读取的日期指令映射到存储空间的一块地址进行读写，因此可以实现较为快捷的数据存储管理。(3) 无线通信技术本项目需要完成数据的无线读取，且根据需要实现不同距离的数据传输，同时考虑成本和设计上的需求，无线传输技术作为本项目的一项关键技术；针对该项技术目前的应对方案为：无线传输单元模块化，与核心单元之间预留统一的硬件和软件接口，根据不同的距离和客户的需要，只需更换无线通信模块即可完成不同功能需求。(4) 数据管理软件设计本项目功能需求中需要能够完成工作人员的远程数据读取，且能够根据不同的仪表ID和数据类型进行数据显示，因此需要设计一款专业的上位机