基于CAN总线与GPRS的液压履带起重机远程状态信息采集系统研究.pdf

基于 C AN总线与 G P R S的液压履带起重机 远程状态信息采集系统研究 何创新 ， 刘成良， 李彦明， 李楠 上海交通大学机械与动力工程学院 摘 要 现场状态信息的远程实时采集是远程监控与远程故障诊断的基础。 在研究分析液压履带起重机 C A N总线 电控系统的基础上 ， 设计基于 C A N总线与 G P R S的分布式远程状态信息实时采集系统。提出分类数据采集方式与混合 组态传输， 以及参数化设计与远程设置方法； 分析数据流的冗余特性 ， 提出字符串相对编码的压缩算法。 采用高性能数字 信号处理器 D S P 实现上述技术， 并在液压履带起重机远程维护系统中成功应用。应用表明， 具有良好的兼容性与可扩 展性 。 关键词 远程监控 ； 数据采集 ； CA N总线 ； GP RS ； 起重机 长期以来工程机械安全生产形势十分严峻 ， 机 毁人亡重大事故时有发生 ， 其 中大部分是起重机事 故 ， 目前 ， 起 重机事 故仍呈高发态势_ 1 I ， 如何从技术 上保证安全生产 ， 成为 目前亟待解决 的问题 。建立 和应用远程状态监控系统 ， 对保障起重设备的安全 运行 ， 避免巨额的经济损失和灾难性事故 的发生具 有重大意义。随着科技 的迅猛发展 ， 液压履带起重 机的构成装置以及控制系统的规模和复杂性 日益增 加 ， 对其系统全面监控与故 障诊 断非常复杂 ， 对分布 式的大量监测点的状态信号 的合 理有效采集与传 输， 是提高实时陛能监控、 故障预测与诊断的准确性 与可靠性的数据基础与根本保证 ， 也是技术难 点与 瓶颈 。 随着互联网技术与移动通信技术的迅猛发展， 为全 国 全球 流动作业 的工程机械远程监控提供了 远程数据传输技术支持 ， 近年来基于移动通信技术 与互联网技术 的工程机械远程无线监控成为 目前研 究的一个热点 。但是 ， 从整体上而言 ， 工程机械远 程维护还处 于一个起步 阶段 ， 现场状态数据采集方 法也缺乏深入研究 ， 限制了远程监控系统作用 的发 挥。近年来 ， C A N总线在工程机械领域得到 了推广 应用 ， 新研发的大型起重机基本都开始采用 C AN总 线控制『 5 l ， C AN总线组 网 自由 ， 扩展性强 ， 其采用多 主广播式数据通信 的特点 ， 便于扩展与共享数据 ， 增 加一个数据采集节点 ， 不影响也不改变原 C A N总线 控制系统 ， 且可 以监听所有 C A N总线的数据 ， 这大 大降低了监控系统的在线数据采集 的设计难度 ， 因 此基于 C A N总线的现场状态数据采集成 了主要研 究应用趋 势 ， 但是对 于现场复杂多 变 ， 特性 不同 的状态参数 的混合采集与数据压缩缺乏深入研究 。 此外 ， 针对不同型号 的设备 ， 以及 同一设备全生命周 期的不同阶段，需要监测的状态参数及其采集方式 可能是不同的 ，但对分布在各地随车流动作业 的控 制器软件升级很不方便，这要求数据采集系统的软 硬件具有 良好的兼容性与可扩展性。 本文以抚顺挖掘机有限公 司生产的大型液压履 带起重机 Q U Y 2 5 0与 Q U Y 3 5 0为研究对象 ，在分析 其 C A N总线控 制系统与现场监测信息特性的基础 上， 对其远程状态信息采集、 数据传输、 远程设置、 数 据压缩等方法进行深入研究 ，提出了具有 良好兼容 性与可扩展性 的软硬件架构 ，并且阐述了基于高性 能信 号处理 器 D S P 与嵌入 式多 任务操作 系统 D S P ／ B I O S的远程状态信息采集控制器软硬件设计 。 } 基金项 目 国家高技术研究发展计划 “ 8 6 3 ” 计划 项 目 0 0 7 A A 0 4 Z 4 1 0 ， 2 0 0 7 A A 0 4 Z 4 3 4 ， 2 0 0 8 A A 0 4 2 8 0 1 作者简介 何创新 1 9 8 2 一 ， 男， 在读博士， 研究方向 设备远程监控与智能故障诊断。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 系统架构 液压履带起重机 C A N总线的电控系统包括两 路采用不同协议的 C A N总线 ， 一路基于 S A E J 1 9 3 9 协议 ， 以电控 柴油机 康 明斯 Q S L 9 为 中心 ， 设 为 C A N A； 另 一路基 于 C A N O p e n协议 ， 以力矩 限制器 派特 i fl e x 5 为 中心 ， 设为 C A N B 。电控柴油机采用 S A E J 1 9 3 9协议，具有完善的内部监测与 自诊断系 统，实时监测的状态信息与故障代码都广播在 C A N A中共享 。 此外 ， 起重机主控制器监测的伺服压 力 、 主泵压力、 燃油液位和液压油温等状态信息及其 自诊断的故障代码 ， 也实时地广播在 C A N A中。力 矩限制器与力矩限制器显示器通过 C A N B连接 ， 通 信数据包括起重量 、 负荷率 、 主副臂 长度与角度 、 工 作半径和风速等工况信息。 可见 ， 已有的起重机电控 系统 已经具有一定 的状态监控与故障 自诊断能力。 远程状态信息采集系统是充分利用已有的起重 机电控系统 C A N网络， 在其基础上通过模块化扩展 实现的， 系统架构如 图 1 所示。包括两个部分 1 远程状态信息采集控制器。具有两路 C A N 总线， 按一定的方式采集两路 C A N总线中的状态信 息与故障代码等， 通过嵌入式 G P S 模块采集设备的 经纬度全球定位信息 ，并通过 G P R S 模块与远程监 控中心交换数据 ， 实现远程实时监控 ； 2 基于 C A N总线的子扩展模块。已有的监测 参数并不能满足远程故障诊断的需要 ，通过具有 C A N总线接 口的扩展模块积木式模块化扩展监测 点与监测参数。 图 1 液压履带起重机远程状态信息采集系统架构 2 远程状态信息采集方法研究 2 ． 1 信源特征研究与分类数据采集混合组态传输 来自不同信源模块的不同作用的大量 C A N总 线信息特性各异， 在 C A N总线上的广播方式也有很 大不同， 可主要归纳为以下 3 种方式 1 周期性主动广播 。 大部分连续监测的状态信 息都采用这种方式，每个 号每帧 C A N数据包含 1 个或多个监测参数的信息； 2 事件触发无规律主动广播 。 有事件触发时才 广播 ， 平时无数据， 如脚踏板或电手柄控制命令 、 工 一 2 一 况变化信息及故障诊断信息等 ； 3 外部请求被动广播。需要接收外部特定 ， D 的特定请求信号， 才向C A N总线广播 1 次， 如柴油 机总工作时间、 P L C寄存器信息等。 周期性主动广播 的状态信号 ， 发送频率很快 ， 远 程实时连续监控过程 中，并不需要同样高频地采集 所有信号，而是根据不同参数的变化快慢与影响程 度， 采用不同抽样周期， 对其 C A N总线信号二次抽 样采集； 对于事件触发无规律主动广播的信号， 需要 采集其所有信号； 对于外部请求被动广播信号， 可以 按需采集 ，也可以设定采集周期 ，每个周期请求一 扩展 状态信 息采集八 n 起重 机 ≯ z 网络 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 次 ， 采集一次。 基于此 ， 为了对不同参数的采集统一描述 ， 以便 于编程实现， 将每个 及其采集方式设为一个对象 P， P包含如下 5个属性 号、 抽样周期 、 广播方 式 P N、 请求 号 Ri d 、 请求命令 R c m d 。即 P { I D， T s ， P N， R i d ， Rc md l 1 抽样周期 最小单位设为 s ，当 T s 0时 ， 可以认为是采集所有信号，因此兼容了所有情 况 ；广播方式 P Ⅳ包括两个值 主动 P与被 动 Ⅳ， 如果 为主动方式 ， 其请求 与请求命令 不 被考虑。采用统一描述的另一个好处是便于对 采集参数与采集方式远程设置 ，实现模块化的 扩展。 G P R S数据传 输是 以封包 P a c k e t 方式来 传输 的， 每个封包最大为 1 4 6 0个字节 ， 远程现 场状态数据采集与传输同时对多个监测对象独 根据上述要求 ， 远程设置协议制定如表 1 所示 ， 其统一格式为 R M S ； 密码； 设置命令类型； 设置内 容 ； 校验码 ； 。其 中 R MS为起始符 ； 为截止符 。 为了提高远程设置的安全 陛， 预设密码匹配 ， 为 了提高远程数据传输的可靠性 ， 增加校验码 ， 其中校 验码采用异或校验码。 表 1 远程设 置协议 事件 格式 增加监测对象 R M S ； 密码 ； AD D； I D， T s ， P N， R i d ， R c md ； 校验码 ； 删除监测对象 R M S ； 密码 ； D E L ； I D1 I D 2 ⋯ ； 校验码 ； 设置发送周期 R M S ； 密码 ； S P ； 发送周期 ； 校验码 ； ＆ 设置 G P S周期 R M S ； 密码； G P ； G P S采集周期； 校验码； 设置 I P与端 口 R M S ； 密码 ； I P ； I P P O R T ； 校验码 ； ＆ 设置设备号 R M S ； 密码； D N； 设备号 ； 校验码； ＆ C A N远程控制 R M S ； 密码； R C ； A B ， I D D A T A； 校验码 ； 修改密码 R M S ； 密码； P w； 新密码； 校验码； 立采集 ， 但是只有一个远程数据传输通道 ， 为了兼顾 数据传输效率与实时 『生， 本文采用定周期打包传输 方式 ， 即按一定 的发送周期 ， 将本周期内采集 的所有 数据组态打成一个包发送。 多状态参数混合组态打包协议设计 为 R MS ； 时间标签 ； 设备号 ； 经纬度 ； D1 子包 D 2子包 ⋯ 子包 ； ； 包序号 K； 校验码 ； 。 其中 R MS为起始标识 ； 为截止标识 。包序号 与校验码用于传输差错控制 ， 以 号与监测数据 隔 开 ， 包序号 K表示 连续 发送 的数据包 的序号 ， 用于 判断是否丢包 ， 占一个数据位 ， 采用 1 - 9循环计数 ； 校验码采用异或校验码 。各状态参数的数据子包格 式为 D i ld a t a l ， d a t a 2 ， ⋯， d a t a M。 将其在本周期 内采集到的数据按顺序压缩编码 后打成子包 ， 不同参 数采集周期不 同 ， 其数据个数 可能是不同的。 2 ． 2 参数化设计与远程设置 为了使远程数据采集系统具有 良好的兼容性与 可扩展性 ， 本文应用参数化设计方法 ， 利用现成 的远 程通信通道 ， 按需对参数远程设置 。 数据采集的参数化包括监测对象 P与 G P S采 集周期 ，可以远程增减与修改 P的抽样周期 、 广 播方式 ， 、 请求 号 R id 、 请求命令 R c m d ； 可以远 程设 置调整 G P S采集周期 。此外 ， 数据中心 的服务 器 I P地址 与端 口号 ， 以及设备编号也参数化 ， 可以 远程设置 ， 以适应服务器 的变动与不同设备。 2 ． 3 数据冗余与压缩 状态信息大部分具有缓慢变化 的特点 ， 如压力、 温度等。连续监测过程中， 同一 ， z 号的连续 的两个 C A N总线数据具有很大的数据冗余 大部分字符保 持不变 ， 只有个别字符发生了变化。 利用状态参数的 这一冗余特性 ，对连续监测的数据流按字符 串相对 编码 ， 只发送变化 的字符 ， 可以很大程度地减少数据 量 ， 达到数据压缩 的目的。 字符 串相对编码与解码 的 原理如图 2 所示 。 1 r 。 。 。 。 1 I 发 送 端 【 兰 鱼 到L 到 接 收 端 图 2 字符 串相对编码 与解码原理图 以连续监测 的两个 C A N总线数据为例说 明字 符 串 相 对 编 码 的 原 理 ， S ． I E 1 A 0 0 0 0 2 C 1 2 0 0 0 0 ， s l l E 0 7 0 0 0 0 2 A1 2 0 0 O o ， 首 先按 位依 次相减 ， 相 同 得“ 书 ” ， 不同则保 留新字符 ， 得 e n g n - S l 1 A 料料C l 1 由此 ， 可提取出变化的字符 ， 并且通过统计连续 未变化字符 即冗余字符“ 的长度 ， 即游程 ， 可进 一 步得到变化字符所在字符串中的位置，使之译码 后可以无损恢复原始数据。 对式 1 中的 e 游程长度进行统计 ， 得 2 l A 5 C 6 。 一 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设 G 皿是对游程长度 R L的编码 ， }是常规字 符集 ， 即所有 C A N数据字符 } { 0 ， ⋯9 ， A， ⋯， ， 为了实现准确解码 ， 要求 c 舭 { X} ， 设所有长度 R L 的编码字符集设为{ c ， 则 f } n } 2 G P R S只能传输 AS C H码 的可打印字符 ，为了 充分利用 A S C H码字符且计算方便 ， 取 { ， b ， ⋯ ， 3 即AS C I I 码为 9 7 ～ 1 2 2的小写字母集 ， 其最大游 程长度为 2 6 ， 足够满足单条 C A N总线数据 最大 1 6 字节 的编码。 编码式为 ； A 5 C Ⅳ 尺 一 1 9 7 4 解码式为 冗 S C I I C 1 9 7 5 式 4 中 A S C I I 表示 AS C H码为 n的字符 ， 式 5 中 J s c ， ， c 表示字符 c 对应的AS C I I 码。 按式 4 对统计后的游程长度编码 ， 即得到最后 实际传输的字符串 2 l A 5 C 6 6 1 Ae 编码前 长度为 1 6 ， 经过字符串相对编码后实 际传输的数据为 ，长度压缩 为 6 ，压缩 E 6 ／ 1 6 3 7 ． 5 ％， 达到了很高的压缩率。 对单条 C A N总线数据独立编码 ， 而不是对整个 数据包编码， 优点是算法简单， 易于嵌入式软件编程 实现。 此外 ， 对各 的数据分别独立编码 ， 便于系统 的监测参数的模块化扩展 ， 而且并行编码， 使之有非 常快的编码速度与很高的实时性。 3 远程状态信息采集控制器设计 3 ． 1 控制器硬件设计 根据数据采集、 远程通讯与远程设置的要求， 控 制器硬件需要满足 以下功能 a 两路独立的 C A N 总 线 接 口 ； b 接 受 G P S地 理 位 置 信 息 ； c G P R S ／ G S M无线远程数据通信 ； d 实时时钟及 可充 电电池与充电电路 ， 用于为监测数据提供时间标签； e 断电不丢失的静态数据存储模块， 用于保存可远 程设置的参数 ； f 延时 自断电功能 ，用于工程机械 停机后给控制器延时供电一段时间，保证停机时刻 的状态数据完整传输。 由于起重机通常在野外作业 ， 工作环境恶劣 ， 为 了提高控制器的可靠性与抗干扰能力 ，尽量采用高 4 集成的工业级功能模块设计， 设计简单且降低成本。 根据系统功能要求 ，控制器电路模块框图设计如图 3所示 ， 控制器实物如图 4所示 。由于篇幅限制 ， 具 体电路不作详述。 G S M 天线 ． G S S 天线 2 c 广 蠢 主 控 芯 片 对 钟 s D 2 2 0 1 l } 土住心万 集成模块 ⋯ ～ XT 5 5 l I -- ---- ----- --- --一 鬲 C A N H 屏 蔽线 C A N L C l } l 屏蔽线 C N L 电池电B 系统电S 十 地G - 图 3 远程状态数据采集控制器电路模块框图 图 4 控制器实物 3 ． 2 控制器软件设计 远程实时状态数据采集涉及到 C AN总线 中断 与数据采集压缩 ， G P S信息采集 ，实时时钟信息读 取 ， 外部中断 ， 数据打包处理 ， 远程设置及远程通讯 等 ， 是多任务并行的复杂软件 系统。 如果采用传统的 单任务顺序程序结构， 灵活性差， 实时性差， 资源利 用率低 ，难 以满足多任务并行 的实时数据采集系统 的需要 。 主控 芯 片采 用 T I的 3 2位 数 字信 号 处 理器 T MS 3 2 0 F 2 8 0 8 ， 时钟频率达 1 0 0 MH z ， 有较大的缓存 空间与运算速度 ，满足了在线数据采集系统大数据 量与运算量 的实时处理的需要 。此外 ，其支持 D S P ／ B I O S多任务 、 多线程实时操作系统 ， 用户可 以 方便地编写各种结构复杂 、 实时性强 、 运行效率高的 应用软件。基于 D S P ／B I O S的程序流程图如图5 所 示 ， 根据控制器功能需要 ， 设计 5个硬件 中断， 1 个 任务， 其优先级从上往下递减。 一 潞 模 惦 模 晌 濞 吨 离 器 砒 离 器 砒 绣 砘 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 应用 图5 D S P ／ B IoS程序流程图 目前，本文设计的远程状态信息采集控制器已 经在抚顺 挖 掘机制造 有 限公司的液压履带起重机 远程 监控 与故 障诊断系 统 中 的 多台QuY 250与 QuY350起重机上试运行，如图6所示，控制器安装 在驾驶室的控制柜内。图7是液压履带起重机远程 监控系统对力矩限制器实时监控的W eb界面图。 应用表明，控制器工作稳定 ，数据采集与传输 正常，远程设置灵 活 ，对不同地区服役的不同设备 和不同工况，均具有良好的兼容性与鲁棒性。 对数据压缩效果进行分析，编码 压缩效果主要 以平均压缩比来衡量，数据编码 的目标就是为了取 图6控制器安装示意图 得尽量小的平均压缩比。设总共连续传输了Ⅳ个数 据包，R。。与R咖分别为第n个数据包编码 后与编 码前的数据量，则第n个数据包 的压缩比G与Ⅳ个 数据包的平均压缩比丁分别定义为 G 每 一 6 瓜hn 』 v 丁 导∑G 7 』V n 1 图8是实际应用中某次连续传输的100个数据 包的压缩效率曲线，y轴为压缩比，由式7 得其平 均压缩比为30．07％，相 应的节 约数据传输 成 本 69．93％ ，数据传输效率大大提高。 风速3．81r n ／ s霸 主副倍率6 负 荷率32．37％髓 ． I B2．37％ 额定吊重量 廊钒49t 实际吊重量 珊 4 ．19t 工作半径 励31．12m 最大起升高度她02m 主臂长度‘51．64m 主臂角度疗t55．07 。 塔臂长度L 一一 m 塔臂角度如 一一 。 图7液压履带起重机远程监控系统W eb界面 下转第4 7页 一 5 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 结束语 将优化设计方法引人行星减速器设计 ，可以提 高设计效率、 确保取得全局最优参数， 使减速器在满 足承载能力的条件下 ， 结构紧凑 ， 体积小 ， 重量轻 ， 从 而减少用材 ， 降低制造成本 ， 具有重要 的经济意义 。 采用枚举法并以 V i s u a l B a s i c 语 言作 为工具进 行离散参数的直接寻优 ， 无需进行 圆整处理 ， 即可得 到符合行业规范的离散最优解。该方法对设计变量 的初值 、 目标 函数及约束函数的性态无特殊要求 ， 求 解思路清晰 ， 不需要考虑具体的优化方法 ， 也不必考 虑为消除量级悬殊而进行尺度变换 ，适用于工程机 械中某些设计参数只能取离散值的优化问题 。 【 3 ] 祝海林． 解决离散变量优化问题的可视化方法 [ J ] ． 机 械工程师 ， 2 0 0 3 5 3 6 3 8 ． [ 4 ] 王建德 ，吴永辉． 新编实用算法分析与程序设计【 M ] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 8 ． [ 5 】 王得燕． 穷举法与粒子群算法的比较 [ J ] ． 无锡职业技 术学院学报， 2 0 0 8 1 4 4 4 5 ． 『 6 ] 渐开线齿轮行星传动的设计与制造编委会． 渐开线齿 轮行星传动的设计与制造 [ M] ． 北京机械工业出版 社 ． 2 0 0 2 [ 7 ] 饶振纲． 行星传动机构设计[ M】 ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 9 4 ． 【 8 】 胡来珞． 行星传动设计与计算【 M] ． 北京 煤炭工业出 版社 ， 1 9 9 7 ． [ 9 ] 成大先． 机械设计手册 第三卷 [ M ] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 参考文献 ．． ． ⋯高 荣 ．广 义 优 化 呲 炭 工 业 出 萼 23 5 2 45． ⋯ ⋯ ⋯ ⋯_ ‘ ． ⋯。 ’ 。～ ⋯一 ’ ’ ⋯ ⋯ ⋯ 『 2 ]2 关维娟 ， 许峰， 陈清华． 基于 Ma t l a b的单级圆柱齿轮 减速器优化设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 7 9 1 8 2 0 ． 上接 第 5页 图 8 数据压缩效 率 5 结论 本文在液压履带起重机现有 的 C A N总线 网络 的基础上 ， 提出了一种集 中采集 ， 模块化扩展 的远程 状态信息采集系统 ，分析了 C A N总线数据特征 ， 提 出了分类数据采集方法与混合组态传输方法 ，解决 了大量特性各异的状态参数混合采集问题 ，通过参 数化设计与远程设置 ，使控制器具有 良好的兼容性 与可扩展性。 字符串相对编码数据压缩算法， 简单快 速且具有较高的压缩率 。本系统满足了液压履带起 重机远程监控的需要 ， 对其它采用 C A N总线的工程 机械的远程状态信息采集也同样适用，具有很大的 推广价值。 参考文献 【 1 ] 李彦明， 何创新， 刘成良， 等． 工程机械远程监控信息 流的数据管理与规划研究[ J ] ． 高技术通讯 ， 2 0 0 8 1 1 l 1 9 5一l 1 9 9． 【 2 ] 谷立臣， 董建国， 张优云， 等． 基于信息融合的塔式起 重机运行状态监测 系统 [ J ] ． 起重 运输 机械 ， 2 0 0 0 1 31 -3 4． [ 3 ] 何创新 ， 李彦明， 刘成良． 工程机械远程状态信息采集 方 法 研 究 与 应 用『 J ] ． 仪 器 仪 表 学 报 ， 2 0 0 9 4 72 8- 73 2． [ 4 ] 赵维铎 ， 易红 ， 倪 中华 ， 等． 基 于 We b和现 场总线的数 控 系统远程监 控研究 f J 1 ． 东南大 学学报 自然科学 版 ， 2 0 0 3 1 4 5 4 8 ． [ 5 ] 孙家春 ． C A N总线在工程机械 的应用 【 J J ． 工程机械文 摘． 2 0 0 7 4 6 2 6 3 ． 【 6 ] 张元良， 张宗民， 吴海霞， 等． 基于 C A N总线和 D S P的 起重机多功能安全监控系统 [ J ] _ 电子技 术应 用 ， 2 0 0 1 1 0 4 3 ． 4 5 ． [ 7 】 吴卫 国， 李玉河 ， 吴 国祥． 工 程机械远程监控器 的研制 [ J ] ． 工程 机械 ， 2 o o 7 5 7 - 1 1 ． 通信地址 上海市东川路 8 0 0号上海 交通 大学机械 与动力 学院机电控 制与物流装备研究所 2 0 0 2 4 0 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 3 0 - - - 47--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m