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液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 基于 Z i g B e e和 GP R S的液压设备 远程故障诊断系统 王 盈 ， 陶 猛 1 ． 太原科技大学 电子信息工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 沈 阳工业 大学 电机与 电器学 院 ， 辽 宁 沈 阳 1 1 0 8 7 0 摘 要 为解决工程车辆液压系统结构复杂 ， 不易拆卸 ， 故障原因不易辨识等问题 ， 提出 了一种基于 Z i g B e e无线传感器网络和 G P R S网 络的远程故障诊断系统。系统基于软件仿 真和硬件搭建的方案 ， 由Z i g B e e 无线传感器网络采集液压系统工作数据 ， 经 G P R S网络传输 到远程故 障诊断中心。该系统具有结构简单 、 功耗低 、 易于实现等优点 ， 并具有较强的可扩展性。 关键词 Z i g B e e ； G P R S ； 故 障诊断 中图分类号 T P 1 8 1 ； T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 - 0 0 4 8 0 4 Re mo t e Fa u l t Di a g no s i s S y s t e m f o r Hy d r a u l i c Eq u i p me nt Ba s e d O n Zi g Be e a n d GP RS WANG Yi n g’ ， T AO 1 ． I n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n E n g i n e e ri n g ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ta i y ua n 03 00 2 4， Ch i n a； 2 ． El e c t r i c a l mo t o r s a n d e l e c t r i c a l i n s t i t u t e， S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ， S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f e n g i n e e r i n g v e h i c l e s h y d r a u l i c s y s t e m s t r u c t u r e i s c o mp l e x ， i t i s n o t e a s y t o r e mo v e ， t h e c a u s e i s n o t e a s y t o i d e n t i f y a n d S O o n ， p r o p o s i n g a k i n d o f r e mo t e f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m w h i c h b a s e d o n Z i g B e e wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k a n d GP R S n e t wo r k s ． T h e s y s t e r m b a s e d o n t h e s o f t w a r e a n d h a r d wa r e t o s e t t i n g u p t h e p l a n ． C o l l e c t i n g d a t a o f h y d r a u l i c s y s t e m w o r k b y Z i g Be e w i r e l e s s s e n s o r n e t wo r k a n d t r a n s mi t i n g i n f o r ma t i o n t o t h e r e mo t e f a u l t d i a g n o s i s c e n t e r b y t h e GP RS n e t wo r k ．T h e s y s t e m i s s i mp l e i n s t r u c t u r e ， l o w p o we r c o n s u mp t i o n ， e a s y t o r e a l i z e a n d w h i c h h a s s t r o n g s c a l a b i l i t y ． Ke y wo r d s z i g b e e ； GP RS ； f a u l t d i a g n o s i s 0 引言 工程机械液压系统状态监测和故 障诊 断对检测仪 的要求 ，主要是在不拆卸或尽量少拆卸液压系统的情 况 下 ， 采 用有 效 的测 试 方法 ， 迅 速简 便地 获 取液 压 系统 的流量 ， 压力 ， 温度等参数。 目前液压系统远程故障诊 断方法主要有基于 C A N总线无线网络 ，基于 I n t e r n e t 的网络【 l 1 。但是由于以上方法成本较高 ， 且 C A N总线布 线复杂 ， 并且考虑到系统稳定性要求 ， 本文提出了一种 基于 Z i g B e e无线传感器网络的液压设备远程故障诊断 系统 。 Z i g B e e技术是一个具有统一技术标准的短距离无 线通信技术 ， Z i g B e e技术组 成的无线传感器网络结构 简单 ， 体积小 ， 成本低。基于以上技术设计的系统是集 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 1 3 作者简介 王盈 1 9 8 6 一 ， 女 ， 河北唐 山人 ， 硕士研究生 ， 研 究方 向为远 程 故障诊断。 4 8 信息采集 、 传输 、 处理于一体的综合智能信息系统 ， 具 有低成本 ， 低功耗 ， 自组织网络等特 [2 1 。将无线数据网 络与人工智能技术结合 。可以大大提高液压系统故 障 诊断的准确性与可靠性 。G P R S网络是覆盖范围广 ， 性 能较为完善的无线 网络 ， G P R S通信 网本身具有较强的 数据纠错能力 ， 数据传输速 率较 高 ， 可达到 1 4 4 k b i t ／ s ， 能够保证数据传输的可靠性和实时性[ 3 1 。 1 系统架构与原理 1 。 1 系统整体架构 一 个液压系统工作是否正常 ， 关键取决于两个主要 工作参数即压力和流量是否处于正常的工作状态， 以及 系统温度等重要辅助参数是否正常。 因此进行液压系统 状态监测和故障诊断 ， 最关键的就是流量 、 压力 、 温度的 可靠获取。根据工程机械液压系统的测试要求 ， 流量传 感器选用测量范围为 1 2 ～ 3 5 0 L ／ mi n的涡轮流量传感器 ， 压力传感器采用压力范围为 O ～ 4 0 M P a的硅压阻式压力 传感器， 温度传感器采用温度范围为 0 ～ 1 5 0 C 的铂热 电 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 9 ． 2 01 2 阻传感器 ， 分别安装于液压系统内部相应位置 。系统整 体框 图如 图 1 所示 。 图1 系统 整 体 架 构 图 1 ． 2 系统原 理 1 Z i g B e e 无线传感器网络 Z i g B e e 技术是基于 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4无线通信标准研 制开发的一种近距离 、 低复杂度 、 低功耗 、 高数据速率 、 低成本 的无线组 网技术 。数据传输距离依赖于输出功 率和信道环境 ， 一般 在百米左右 ； 工作于 2 ． 4 G Hz 频段 上 ， 划分为 1 6个信道 ， 传输速率高达 2 5 0 k b ／ s ； 搜索设备 一 时延 3 0 m s ， 休 眠激活时延 1 5 m s ， 信道 接入时延 1 5 ms ， 因此适合用于工业控制领域 。Z i g b e e协议五层体系结 构 中 ， 位 于 底 层 的 物 理 层 和 介 质 访 问 层 由 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4定义 。 Z i g B e e联盟定义 了网络层 和应用 层 。 安全层 ， 各种应用产 品的资料 。Z i g B e e 可 以提供星 型 ． 网状型 ， 簇状型 3 种 网络拓扑结构[4 1 。 Z S T AC K协议栈采用操作系统的思想构建 。 操作系 统抽象层 O S A L实现了一个易用的操作系统平台。 O S A L 采用链表结构管理协议栈各层任务 ，通过 o s a l T a s k Ad d 0 函数将不同的任务添加到任务链表中，同一时间出现多 个任务需要处理时，按照链表中任务的优先级触发事件 实现任务的调度。Z S T A C K协议栈将 Z i g B e e协议栈中 的不 同层定义成任务 中不同的事件 ， O S A L任务轮训分 成 MA C层事 件 ， N WK层事件 ， H A L事件 ， A P S事 件 ， Z D O事件和应用层的处理事件。初始化完成后， 节点进 入低功耗模式 ， 定时唤醒轮询是否有事件发生 ， 如果有 ， 处理相应事件， 否则 ， 继续进入休眠状态。 2 G P R S网络 G P R S通用无线分组业务 ，是由现行的 G S M系统 上 发展 起来 的一 种承 载业 务 。采 用 与 G S M 同样 的无线 调制标 准 ， 频带 ， 调频规则 ， 突发结 构 ， T D MA帧结构 。 G P R S采用分组交换技术 ． 允许用户在端到端分组转移 模式下发送接收数据 ， 区别于电路交换的 G S M， 特别适 用于频繁的 ， 少量的数据传输 ， 适合工业控制领域实时 性 高的要求 。采用 I P数据 网络协议 ，传输速率 可达 1 7 0 k b ／ s ， 当设备得到无线通道 ， G P R S即可建立连接。 2 系统硬件设计 z i g b e e无线传感器网络主要 由若干个传感器节点 和一个 网络协调器节点组成 。其中传感器节点分别由 传感器 ， 微控制器 ， 和无线射频收发模块等组成 。整个 节点由电池供 电， 在整个工作周期内无其他能源补给。 协调器节点包括无线射频 ， 微控制器和 G P R S模块 电源 为电池供电。具体结构图如图 2所示 。 温度传感器 } 电桥变换电 路 } Z i g b e e 模块 压力传感器 } I ／ V变换电路 } Z i g b e e 模块 流量传感器 Z ig b e e 模块 协调器节点 图2节点硬件连接 图 2 ． 1 Z i g B e e模 块 C C 2 4 3 0 是 C h i p c o n 公 司 推 出 的 一 款 符 合 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4规范的 2 ． 4 H z 射频芯片， 用于开发工业无 线传感及家庭组网等 P AN网络的 Z i g B e e设备和产 品。 C C 2 4 3 0出 了包 括 R F收 发器 外 ，还集 成 了加 强 型 8 0 5 1 MC U， 3 2 ／ 6 4 ／ 1 2 8 K b的 F l a s h 内存 ， 8 K b的 R A M， A D C， D M A， 看门狗等[5 1 。C C 2 4 3 0可工作在 2 ． 4 G H z 频段 上 ， 采用低 电压 2 ． 0 ～ 3 ．6 V 供 电且功耗很低 接收数据 时为 2 7 mA，发送 数 据 时为 2 5 mA ，灵敏 度 高达一 9 1 d B m， 最 大 输 出 为 0 ． 6 d B m．最 大 传 输 速 率 为 2 5 0 k b p s 。C C 2 4 3 0芯片的主要特点如下 1 具有优良的无线接收和抗干扰能力 ； 2 休眠模式时仅 0 ． 9 ； 3 具有数字化 的 R S S I ／ L Q 1 支持和 比较强大 的 D MA功 能 4 内部集成有 l 4位的模数装换的 A D C； 5 具 有 两个 可 支持 几 组 协 议 的 U A R T以及 1个 符合 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4规范 的 MA C计 时器 ； 同时 ， 带 有 1 个常规 l 6位计时器和 2个 8位计时器 ； 6 具有 A E S安全协议处理器。 2 ． 2 GP R S模块 G P R S模 块一 般是 指带 有 G P R S功 能 的 G S M 模 块。本 系统采用西 门子公 司生产的新一代 G S M／ G P R S 双模模块 MC 3 5 i 作为 G P R S无线传输模块。该模块可 以快速安全可靠地实现数据 、 短信 、 语音和传真业务。 MC 3 5 i 具有始终在线功能 ． 其理论上传输速率最高可达 49 一 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 1 7 1 ． 2 k b ／ s 。 MC 3 5 i 通过独特的 4 0引脚 Z I F连接器 ，实现电源 连接 、 指令 、 数据 、 语音信号及 控制信号 的有效 传输 。 Z i g B e e 模块通过连接器插座上的 R S 2 3 2接 口向 MC 3 5 i 发送 A T指令和数据 。 实现包括模块的设定 、 系统控制、 数据输入／ 输出等功能。 3 系统软件设计 3 ． 1 传感器节点软件设计 传感器节点软件部分设计部分要完成数据采集 ， 数据处理与转发等功能。 属于精简功能设备。 为节省电 源 ， 传感器节点采用基于睡眠唤醒机制 ， 满足电池供 电 要求。由于电源损耗主要是由于无线数据的收发 ， 而在 没有采集 的时间段 内。 无线模块的工作便是浪费。所采 系统采用基 于需求一 唤醒的模式 ，延长 电池的使用 寿 命 。图 3为传感器节点的程序流程图。 图 3传 感 器 节 点 程 序 设 计 流 程 图 3 ． 2 协 调器节 点 的软件 设计 协调器的主要工作 是向上通过 G P R S模块发送数 据给监控中心 ， 向下管理 Z i g B e e无线网络 ， 从功能上分 类属于全功能设备。协调器节点与 G P R S 模块通信时， 协调器发送的报文格式遵循指定的格式 ， 便于监控中心 解析报文内容。协调器节点的程序流程图如图 4所示。 5 0 I 开 始 l 送 ● 入网申请程序 否 竿 l L 是I 唤醒 Z i g B c c 模块反送数据 ● l返 回 休 眠 状 态l 图 4协调器节点设计流程 网络 协 调器 的 主要 任 务 是 负责 Z i g B e e网络 和 G P R S网络的双向数据转换 ．实际上是基于 Z i g B e e和 G P R S协议 的转换网关。它有两种工作方式 ① 上行通 道 按事先设定好 的时间间隔 ， 经 Z i g B e e网络周期性采 集液压系统各点数据 ． 由G P R S转实时地传送到监控中 心。②下行通道 G P R S 模块实时响应监控中心的控制 命令 ， 按照监控 中心发来的命令进行特定的液压系统数 据采集任务。本系统采用上行通道工作方式。 3 ． 3监控 中心 软件设计 在 MA T L A B数据仿真平台上 ，应用支持 向量机工 具箱对采集到的数据进行诊[q 断。图 5为故障诊断系统 操作界面 ，可 以显示无线传感器网络采集到的压力嘲 、 流量、 温度等数据 ， 并在诊断后显示故障类型。故障诊 断算法采用模糊支持 向量机。首先对采集到的数据进 行 E MD分解 ，分解成若干个 固有本征模态函数之和 ， 再计算 E MD能量熵作为模糊多类支持向量机 的输入 数据加以诊断 ， 能够利用少量 的样本数据建立模型 ， 消 除分类盲 区， 简化了算法复杂度 ， 而且有效地克服了故 障信号的非平稳性 和模糊性 。 图5故 障诊 断 系统 界 面 4 实验验证 实验 中采用 1 5组训练数据对模糊支持向量 机进 行训练， l O组数据进行验证 。 获得样本数据向量后 ， 由 于其中各个指标互不相同，原始样本 中各向量的数量 级 差 别很 大 ，这 样可 能 导致 训练 函数无 法 收敛 。为 了 计算方便 、防止迭代算法达到过饱和状态以及防止某 些数值低 的特征被淹没 ，先对样本数据进行归一化处 理 ， 一般要将各样本数据归一化到[ 0 1 】 区间。如表 1 所示 。 图 6给出了 MA T L AB经过分析处理后得到的系统 故障诊断的分类精度与模糊支持向量机惩罚 因子之 间 的关 系曲线 。结果证明， 当惩罚因子选取合适 ， 系统性 能稳定 ， 对于错分样本 的惩罚有效 ， 系统诊断的正确率 达到 9 8 ． 7 ％。 该系统能及时有效地传输液压系统数据并 进行精确诊断， 达到了预期的效果。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l 8 ／ NO ． 9 ． 2 0 1 2 一 种凿岩钻机钻杆库的设计 李纪友 ， 马骥 翔 北京科技大学 机械工程学院车辆工程系 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 该文对一种凿岩机械的 自动换杆库进行设计说 明， 强调其机 械结构 的组成与换 、 卸杆动作顺序 ， 阐述其设计优势 。 关键词 自动换杆库 ； 凿岩机 中图分类号 T H1 3 7 T D 2 3 1 ． 6 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 5 1 - 0 2 De s i g n o f One Ty p e o f Dr i l l P i p e S t o r e r o o m o f Ko c k Dr i l l s L I J i - y o u， MA J i - x i a n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e d e s c ri b e s t h e d e s i g n o f o n e t y p e d ril l p i p e s t o r e r o o m o f r o c k d ri l l s ， e mp h a s i z e s i t s me c h a n i s m c o mp o s i t i o n ， l o a d i n g a n d u n l o a d i n g a c t i o n s e q u e n c e ， e l a b o r a t s i t s d e s i g n a d v a n t a g e s ． Ke y wo r d s a u t o ma t i c r e p l a c i n g o f p i p e； d ril l p i p e s t o r e r o o m O 前言 凿岩钻机在施工过程中钻杆装 、 换 、 卸由人工操作 收 稿 日期 2 0 1 2 0 1 1 9 作者筒介 李 纪友 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山东济宁人 ， 硕 士研究生 ， 现从事工 程设 备检测与维修。 一 一 ● 一一 ● 一一 一 - 一 } 一 一 完成 ， 造成钻机工作效率低 、 操作安全存在隐患。本文 针对这种现状 ，提出了一种五杆 自动换杆库的设计方 案 ． 对其机械结构和液压部分进行设计说明。 1 机械结构 1 机械结构组成 一 一 -一 - 一 - 一 一 表1期 望 输 出 表 5 结论 惩罚因子／ c 图6分类正确率与惩罚因子 C关系图 -‘ 基 于 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4的 Z i g B e e技术是 扩充现有 网 络 应用 的一种 良好 的 手段 ，具有 广 阔的应用 前景 。 Z i g B e e 协议栈还在不断优化升级 。如何根据不 同的需 求设计高性能的 Z i g B e e网络 ， 如何将 Z i g B e e网络与其 他 网络进行可靠便捷的链接 ．是一项很有意义的研究 课题。本文提出的系统将 Z i g B e e技术和 G P R S技术 的 有事相结合 ， 实现了功能互补 ， 并针对液压系统故障特 点 进行 设计 ， 具 有实 际意 义 。 参 考 文 献 【 1 】 凌海峰 ， 高亚鹏 ， 韩军 ， 等． 工 程车辆液压 系统检测仪 的关键 技术及实现I J 1 ． 液压与气动 ， 2 0 0 6 ， 5 ． [ 2 ] 马福 昌， 冯道训 ， 等． Z i g B e e和 G P R S技术在水文监测 系统中 的应用研究【 J ] ． 自动化 与仪器仪表 ， 2 0 0 8 ， 3 ． [ 3 】 李文． 基 于 Z i g B e e和 G P R S的远程 监控系 统设计[ J ] ． 低压 电 器 ， 2 0 0 9 ， 1 2 ． [ 4 1 李 战明， 刘宝 ， 骆东松． Z i g b e e 技术规范 与协议栈分析[ J ] ． 信息 化纵横 ， 2 0 0 9 ， 5 ． [ 5 】 郁波 ， 唐慧 强 ， 胡元海． 基于 G P R S的远程视频监视 系统设计 与实现【 J 1 ． 微计 算机信息 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ． 【 6 】 李金顺． 工程机械液压 系统漏油 的原 因及预防措施【 J 】 ． 液压气 动与 密封 ， 2 0 1 2 ， 2 ． 5 1
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