CN102299827A

CN102299827A - 一种环保设备智能监测诊断系统

Info

Publication number: CN102299827A
Application number: CN201110165558A
Authority: CN
Inventors: 曹晓莉; 江朝元; 李昔华; 胡卫军; 王荣秀
Original assignee: Chongqing Technology and Business University
Current assignee: Chongqing Technology and Business University
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2011-12-28

Abstract

本发明公开了一种环保设备智能监测诊断系统，其包括传感器模块、智能变送器接口模块、网络匹配处理器、总线型网络和监控中心服务器，该传感器模块的信号输出端与智能变送器接口模块的信号输入端相连，智能变送器接口模块与网络匹配处理器相连，网络匹配处理器通过总线型网络与监控中心服务器相连。该发明使传感器能够独立于各种不同的总线网络，能够解决传感器与各种网络相互不兼容的问题，不仅能够监测环保设备状态、诊断设备故障，而且能够为环保监管部门提供设备专家系统服务和远程设备运行监管，从而能够加强对重点污染源环保设备监测与故障诊断，防止环保设备人为停机或故障停机影响正常使用，加快环保设备快速故障诊断与维修。

Description

一种环保设备智能监测诊断系统

技术领域

本发明涉及一种环保设备智能监测诊断系统，具体而言是涉及一种建立环保设备状态监测与故障诊断的测控网络，实现实时在线监测、诊断功能的基于IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会）1451标准的环保设备智能监测诊断系统。

背景技术

设备的老化或缺陷因材料、结构、电子、软件、环境和自然力作用，大多都有一定的发展期，其电气、物理、化学等特性会发生少量的渐近变化，出现前期状态征兆。对机电设备利用传感技术进行在线监测，及时获得各种信息、进行处理和综合分析，根据其状态特征变化趋势，可对机电设备状态和可靠性随时做出判断，早期发现潜在故障，还可预测剩余寿命。在线监测诊断的特点是可以对运行中的设备进行连续或随时的判断，故可避免预防性试验的缺点；并可使预防性的维修向预知性维修即状态维修过渡。

针对大型环保设备的状态监测与故障诊断，需要现场对设备的振动、噪声、压力、应力、温度、电磁、功率线等多种传感信号进行监测及远程传输，远端通过复合传感数据融合及人工智能模式识别进行设备故障预测或诊断，从而为设备运行保障和维修提供技术支持。但是，目前常用的环保设备运行检测系统传感器数量较多、分布散、数模混合共存，在现有标准、技术和成本条件下难于构建现场测控系统。因此，对于这种在局域空间进行分布式复合数模混合测控的应用，需要解决标准化、智能化和低成本的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用IEEE1451网络化智能传感器标准体系、传感器与各种网络相互兼容、支持局域测控组网、具有支持数模混合接口的变送器的环保设备智能监测诊断系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种环保设备智能监测诊断系统，包括传感器模块（1）、智能变送器接口模块（4）、网络匹配处理器（8）、总线型网络（11）和监控中心服务器（13），传感器模块（1）的信号输出端与智能变送器接口模块（4）的信号输入端相连，所述智能变送器接口模块（4）与网络匹配处理器（8）双向连接，实现信息交互，所述网络匹配处理器（8）通过总线型网络（11）与监控中心服务器（13）双向连接，实现信息交互。

传感器模块（1）包括电流输出型传感器（1-1），电压输出型传感器（1-2），检测设备工作电压、电流的互感器（1-3），串行数字接口型传感器（1-4）以及无线传输型传感器（1-5），该传感器模块（1）的信号输出端与智能变送器模块（4）的传感器信号输入接口（2）连接，从而将传感器模块（1）监测到的信号传输给智能变送器模块（4）。该传感器模块（1）具有多种传感器，其独立于总线网络，能够与各种网络相互兼容。

智能变送器模块（4）包括传感器信号输入接口（2），对传感器输出来的信号进行转换、缓冲处理的信号调理电路（3），接收信号调理后进行数字转换和对整个智能变送器模块（4）进行控制的微控制器（5），存储对传感器进行标定、校正、配置的参数的电子数据表单（14）以及标准接口TII（6）。传感器信号输入接口（2）的输入端与传感器模块（1）的信号输出端连接，从而将传感器模块（1）监测到的信号传输给所述智能变送器模块（4）。传感器信号输入接口（2）的信号输出端与信号调理电路（3）的信号输入端相连，所述信号调理电路（3）对模拟信号进行放大、缓冲，对数字信号进行波形整形处理，所述信号调理电路（3）的信号输出端与微控制器（5）的信号输入端相连，所述微控制器（5）用于信号采集与处理、并将传感器配置、校正参数存储到电子数据表单（14）中。微控制器（5）与标准接口TII（transducer independent interface，换能器独立接口）（6）双向连接。标准接口TII（6）与网络匹配处理器（8）的标准接口TII（7）对应总线接口连接，实现智能变送器模块（4）与网络匹配处理器（8）的信息交互。

网络匹配处理器（8）包括标准接口TII（7），对网络匹配处理器（8）进行管理和控制的微控制器（9），对通过标准接口TII（7）连接的各个智能变送器模块（4）进行配置的电子数据表单（15），以及网络接口（10），所述标准接口TII（7）的一端与智能变送器模块（4）的标准接口TII（6）连接，另一端与微控制器（9）相连，所述微控制器（9）一方面通过标准接口TII（7）接收来自智能变送器模块（4）来的传感器变送并处理后的信号，另一方面记录、配置各智能变送器模块（4）的相关信息至电子数据表单（15），另外还将智能变送器模块（4）所连接的传感器模块（1）的测量数值通过网络接口（10）传输到所述网络（11）上，实现与监控中心服务器（13）的信息交互。

总线型网络（11）包括RS485（Recommended standard-485，推荐标准485）、CAN（Controller Area Network，控制器局域网）、Ethernet（以太网）和RF（Radio Frequency，射频）以及无线网络中的一种或多种组合的接口电路，用于实现网络匹配处理器（8）与监控中心服务器（13）的互联。

监控中心服务器（13）包括具有网络接口（12）的计算机服务器，所述服务器上运行服务器操作系统和监护中心管理软件，用于实时接收传感器模块（1）采样来的各种运行状态参数，实现实时和在线监测功能，并发出相关控制指令。

在根据本发明的一种优选实施方式中，智能变送器模块（4）的传感器信号输入接口（2）与传感器模块（1）的模拟传感器之间连接有EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器）该EEPROM将模拟传感器的输出信号数字化并通过传感器信号输入接口（2）传输给所述智能变送器模块（4），实现对电子数据表单（14）中模拟传感器数据的管理。

在根据本发明的一种优选实施方式中，标准接口TII（6）和标准接口TII（7）是支持RS485、SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）、RF、CAN总线的通信接口。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，网络接口（10）是提供RF、RS485、Ethernet网络的网络接口。

本发明具有的有益效果：本发明采用IEEE1451网络化智能传感器标准体系，使传感器能够独立于各种不同的总线网络，能够解决传感器与各种网络相互不兼容的问题，不仅能够监测环保设备状态、诊断设备故障，而且能够为环保监管部门提供设备专家系统服务和远程设备运行监管，从而能够加强对重点污染源环保设备监测与故障诊断，防止环保设备人为停机或故障停机影响正常使用，加快环保设备快速故障诊断与维修。

附图说明

图1是本发明环保设备运行监测系统的结构示意图；

图2是本发明智能变送器模块的接口原理图。

附图标记：

1传感器模块； 2传感器信号输入接口；3信号调理电路；

4智能变送器接口模块； 5微控制器； 6标准接口TII； 7标准接口TII；

8网络匹配处理器； 9微控制器； 10网络接口； 11总线型网络；

12网络接口；13监控中心服务器； 14电子数据表单； 15电子数据表单；

1-1电流输出型传感器； 1-2电压输出型传感器；

1-3检测设备工作电压、电流的互感器； 1-4串行数字接口型传感器；

1-5无线传输型传感器；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明进一步详细说明。

图1示出了本发明环保设备运行监测系统的结构示意图，从图中可见，环保设备智能监测诊断系统包括传感器模块1、智能变送器接口模块4，该环保设备智能监测诊断系统还包括网络匹配处理器8、总线型网络11和监控中心服务器13，其中，传感器模块1的信号输出端与智能变送器接口模块4的信号输入端相连，智能变送器接口模块4与网络匹配处理器8相连，从而实现信息交互，网络匹配处理器8通过总线型网络11与监控中心服务器13相连，从而实现信息交互。

传感器模块1包括电流输出型传感器1-1、电压输出型传感器1-2、检测设备工作电压、电流的互感器1-3、串行数字接口型传感器1-4以及无线传输型传感器1-5，传感器模块1的信号输出端与智能变送器模块4的传感器信号输入接口2连接，从而将传感器模块1监测到的信号传输给所述智能变送器模块4。

智能变送器模块4包括传感器信号输入接口2、对传感器输出来的信号进行转换、缓冲处理的信号调理电路3、接收信号调理后进行数字转换和对整个智能变送器模块4进行控制的微控制器5、存储对传感器进行标定、校正、配置的参数的电子数据表单 14以及支持RS485、SPI、RF、CAN总线等通信接口的标准接口TII 6。传感器信号输入接口2的输入端与传感器模块1的信号输出端连接，从而将传感器模块1监测到的信号传输给所述智能变送器模块4。传感器信号输入接口2的信号输出端与信号调理电路3的信号输入端相连，信号调理电路3对模拟信号进行放大、缓冲，对数字信号进行波形整形处理，信号调理电路3的信号输出端与微控制器5的信号输入端相连，微控制器5用于信号采集与处理，并将传感器配置、校正参数存储到电子数据表单14中。微控制器5与标准接口TII 6双向连接。标准接口TII 6与网络匹配处理器8的标准接口TII 7对应总线接口连接，从而实现智能变送器模块4与网络匹配处理器8的信息交互。在本实施方式中，智能变送器模块4的传感器信号输入接口2与传感器模块1的模拟传感器之间连接有EEPROM，该EEPROM将模拟传感器的输出信号数字化并通过传感器信号输入接口2传输给智能变送器模块4，从而实现对电子数据表单14中模拟传感器数据的管理。网络匹配处理器8包括支持RS485、SPI、RF、CAN总线等通信接口的标准接口TII 7，对网络匹配处理器8进行管理和控制的微控制器9，对通过标准接口TII 7连接的各个智能变送器模块4进行配置的电子数据表单15，以及提供CAN、RS485、Ethernet网络等的网络接口10，标准接口TII 7的一端与智能变送器模块4的标准接口TII 6连接，另一端与微控制器9相连，微控制器9一方面通过标准接口TII 7接收来自智能变送器模块4来的传感器变送并处理后的信号，另一方面记录、配置各智能变送器模块4的相关信息至电子数据表单15，另外还将智能变送器模块4所连接的传感器模块1的测量数值通过网络接口10传输到所述网络11上，实现与监控中心服务器13的信息交互。

总线型网络11包括RS485、CAN、Ethernet和RF以及无线网络中的一种或多种组合的接口电路，用于实现网络匹配处理器8与监控中心服务器13的互联；

监控中心服务器13包括具有网络接口12的计算机服务器，所述服务器上运行服务器操作系统和监护中心管理软件，用于实时接收传感器模块1采样来的各种运行状态参数，实现实时和在线监测功能，并发出相关控制指令。

图2是本发明智能变送器模块的接口原理图。从图中可见，在本实施方式中，智能变送器模块4可采用的是意法半导体基于ARM Cortex-M3的32位嵌入式处理器STM32F103/105/107。STM32F103/105/107内置12位A/D转换电路、在精度和速度上均能满足环境监测领域的传感信号需要，覆盖从mV到V级的信号范围，从而避免复杂的放大处理环节。STM32F103/105/107内的SPI接口PB12、PB13、PB14、PB15与RF标准模块CC1100连接，实现与网络匹配处理器8的基于IEEE1451.5的RF通信接口。STM32F103/105/107内的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）端口PA9、PA10与MAX3485连接，实现与其它具有标准接口的监测仪连接，并运用片内UART端口扩展出与网络匹配处理器8的遵从IEEE1451.3的数据交换接口。

在本实施方式中，考虑到外围传感器连接的便利性，采用可互换性的硬件接口，提供4种信号采集及电源供给：1）0～5V电压信号，通过分压电阻网络后连接到端口AD0；2）4～20mA电流环信号；3）0～5A来自互感器副边的电流信号，电流信号通过I/V转换等信号调理电路也连接到端口AD5；4)DIO是一个双向I/O信号，用于连接智能变送器接口模块4的GPIO端口，实现与外围传感器模块中的1-wire接口的EEPROM芯片进行数据通信（图中没有示出），以便读取存储器中的电子数据表单数据。在本实施方式中，EEPROM采用的是美国DALLAS公司采用1-wire协议内置256bit的存储器件，用于外围传感器模块中存储电子数据表单信息，从而实现智能配置、自诊断、自校准技术而勿需重新调校和标定，达到“热插拔”的功能。基于本接口特性，可扩展多达5套相同的电路端口，所有监测点的环境、功能和状态传感器模块均可直接接入、互换。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种环保设备智能监测诊断系统，其特征在于：包括传感器模块（1）、智能变送器接口模块（4）、网络匹配处理器（8）、总线型网络（11）和监控中心服务器（13），所述传感器模块（1）的信号输出端与智能变送器接口模块（4）的信号输入端相连，所述智能变送器接口模块（4）与网络匹配处理器（8）双向连接，实现信息交互，所述网络匹配处理器（8）通过总线型网络（11）与监控中心服务器（13）双向连接，实现信息交互；

所述传感器模块（1）包括电流输出型传感器（1-1），电压输出型传感器（1-2），检测设备工作电压、电流的互感器（1-3），串行数字接口型传感器（1-4）以及无线传输型传感器（1-5），所述传感器模块（1）的信号输出端与智能变送器模块（4）的传感器信号输入接口（2）连接，从而将传感器模块（1）监测到的信号传输给所述智能变送器模块（4）；

所述智能变送器模块（4）包括传感器信号输入接口（2），对传感器输出来的信号进行转换、缓冲处理的信号调理电路（3），接收信号调理后进行数字转换和对整个智能变送器模块（4）进行控制的微控制器（5），存储对传感器进行标定、校正、配置的参数的电子数据表单（14）以及标准接口TII（6）；所述传感器信号输入接口（2）的输入端与传感器模块（1）的信号输出端连接，从而将传感器模块（1）监测到的信号传输给所述智能变送器模块（4）；所述传感器信号输入接口（2）的信号输出端与信号调理电路（3）的信号输入端相连，所述信号调理电路（3）用于对模拟信号进行放大、缓冲，对数字信号进行波形整形处理，所述信号调理电路（3）的信号输出端与微控制器（5）的信号输入端相连，所述微控制器（5）用于信号采集与处理、并将传感器配置、校正参数存储到电子数据表单（14）中；所述微控制器（5）与标准接口TII（6）双向连接；所述标准接口TII（6）与网络匹配处理器（8）的标准接口TII（7）对应总线接口连接，实现智能变送器模块（4）与网络匹配处理器（8）的信息交互；

所述网络匹配处理器（8）包括标准接口TII（7），对网络匹配处理器（8）进行管理和控制的微控制器（9），对通过标准接口TII（7）连接的各个智能变送器模块（4）进行配置的电子数据表单（15），以及网络接口（10），所述标准接口TII（7）的一端与智能变送器模块（4）的标准接口TII（6）连接，另一端与微控制器（9）相连，所述微控制器（9）一方面通过标准接口TII（7）接收来自智能变送器模块（4）来的传感器变送并处理后的信号，另一方面记录、配置各智能变送器模块（4）的相关信息至电子数据表单TEDS（15），另外还将智能变送器模块（4）所连接的传感器模块（1）的测量数值通过网络接口（10）传输到所述网络（11）上，实现与监控中心服务器（13）的信息交互；

所述总线型网络（11）包括RS485、CAN、Ethernet和RF以及无线网络中的一种或多种组合的接口电路，用于实现网络匹配处理器（8）与监控中心服务器（13）的互联；

所述监控中心服务器（13）包括具有网络接口（12）的计算机服务器，所述服务器上运行服务器操作系统和监护中心管理软件，用于实时接收传感器模块（1）采样来的各种运行状态参数，实现实时和在线监测功能，并发出相关控制指令。

2. 如权利要求1所述的一种环保设备智能监测诊断系统，其特征在于：所述智能变送器模块（4）的传感器信号输入接口（2）与传感器模块（1）的模拟传感器之间连接有EEPROM，所述EEPROM将模拟传感器的输出信号数字化并通过传感器信号输入接口（2）传输给所述智能变送器模块（4），实现对电子数据表单（14）中模拟传感器数据的管理。

3.如权利要求1所述的一种环保设备智能监测诊断系统，其特征在于：所述标准接口TII（6）和标准接口TII（7）是支持RS485、SPI、RF、CAN总线的通信接口。

4.如权利要求1所述的一种环保设备智能监测诊断系统，其特征在于：所述网络接口（10）是提供RF、RS485、Ethernet网络的网络接口。