CN105022373A - 基于zigbee技术的港口设备维护系统 - Google Patents

基于zigbee技术的港口设备维护系统 Download PDF

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徐哲
卞磊
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王自丰
王轩雨
杨涵宇
李靓
张越
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Abstract

本发明涉及了一种基于zigbee技术的港口设备维护系统，包括数据采集模块、数据传输模块、数据汇聚串口模块以及安全监控管理系统，数据采集模块通过数据传输模块与数据汇聚串口模块连接，数据汇聚串口模块通过有线方式与安全监控管理系统通信连接；数据采集模块用于采集港口设备的数据，包括传感器及处理器；数据传输模块用于将接收的需要测试的数据传送至数据汇聚串口模块；数据汇聚串口模块实现安全监控管理系统对不同机械参数的收集。本发明通过无线技术连接同时检查多台设备的状态，解决获取点检信息不完整、信息不准确、不能实时记录，大面积港口点检困难的问题，简化点检机构层次，减轻点检人员工作负担，预知故障，延长检修周期。

Description

基于zigbee技术的港口设备维护系统
技术领域
本发明应用于港口环境下的大型机械设备领域，具体涉及一种基于zigbee技术的港口设备维护系统。
背景技术
随着经济全球化趋势的加剧，作为贸易口岸和运输枢纽的港口，对于港口物流业的发展，对城市经济的促进，对于区域经济乃至国民经济发展都具有很大的促进作用。随着我国物流业的正规化与现代化，港口在物流环节中发挥着与日俱增的高效作用，作为重要的交通基础设施，港口是实现外向型经济的窗口，为国家经济建设和对外贸易的发展提供基础性支撑。但港口作业环境较为恶劣，这就要求港口作业的机械化程度必须高效快捷，同时也对港口设备的管理及维护提出了更为严格的要求。
传统的定期巡检方式通过现场安装传感器的方式，点检制被引入到港口中，点检方式为手动记录，人工处理数据，大型机械设备需要记录的数据非常多，因此产生的点检卡片同样大量，不仅不利于点检人员的数据采集和维修部信息的及时反馈，也使得后期设备的数据信息管理异常繁杂；每次点检人员都会进行单一而且大量重复的劳动，这会使得点检人员的工作量大，容易出错；且点检周期长，使得设备得不到及时的维修。
近年来，随着经济的快速发展，港口的数量和规模不断扩大，港口设备不断更新，设备管理迎来新的挑战，港口设备维护过程和质量监测难度加大。各种不同的点检管理信息系统虽然在设备维护中得到了应用，但点检信息的采集过程均由手工和离线完成，存在着信息的获取存在错误和遗漏，点检结果传达滞后，港口面积增大，点检不方便等问题。为此，必须加强设备管理维护工作，确保设备使用性能良好，这对于提高港口的生产作业效率具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有港口设备管理及维护存在人工点检弊端等上述不足，提供一种基于zigbee技术的港口设备维护系统，解决获取点检信息不完整、信息不准确、不能实时记录、大面积港口点检困难的问题，简化点检机构层次、预知故障、缩短检修周期。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
基于zigbee技术的港口设备维护系统，至少包括数据采集模块、数据传输模块、数据汇聚串口模块以及安全监控管理系统，所述数据采集模块通过数据传输模块与数据汇聚串口模块连接，数据汇聚串口模块通过有线或蓝牙无线传输方式与安全监控管理系统通信连接；
所述数据采集模块包括传感器及处理器，所述传感器设置于港口设备的前端，用于采集 港口设备的振动、压力以及温度信号，所述处理器用于将传感器采集的振动、压力以及温度信号进行噪声消除处理成需要测试的数据并输出到数据传输模块中；
所述数据传输模块用于将接收的需要测试的数据传送至数据汇聚串口模块；
所述数据汇聚串口模块用于向底层数据采集模块的处理器发布任务，不断接收来自不同处理器的需要测试的数据，实现对不同机械参数的收集，同时将需要测试的数据分析提取成特征数据转发到安全监控管理系统；
所述安全监控管理系统包括故障预测模块、故障诊断模块及点检移动终端，所述故障预测模块用于将接收的特征数据传输到点检移动终端，点检移动终端用于对特征数据进行分析生成点检报告，再将点检报告通过无线传输到故障诊断模块，所述故障诊断模块用于收集特征数据并与数据库内历史数据进行比较，最终得出故障原因并对港口设备维护系统作出报警、修改操作或停机维修的决定。
按上述方案，所述传感器按照采集参数的不同分为结构应变传感器、起重机状态传感器及温度传感器，分别用于采集振动、压力及温度信号。
按上述方案，所述处理器采用卡尔曼滤波器实现对传感器采集的带有噪声信号的原始数据进行噪声消除处理。
按上述方案，所述数据传输模块采用以CC2530芯片为核心的Zigbee无线传感器网络，CC2530芯片是ZIGBEE传感器网络的核心，相当于电脑的CPU。
按上述方案，所述数据汇聚串口模块采用Zigbee协调器。
按上述方案，所述故障诊断模块包括故障检测单元、故障分离单元、故障评价单元、故障决策单元。
按上述方案，所述点检移动终端包括远程监控单元：用于对港口设备的关键金属结构应力、涉及到机器安全操作的几个关键参数进行监测，并将港口设备的操作人员信息进行记录，保存所有上下机操作记录；采集参数远程修改单元：用于通过客户端对传感器的采样参数进行修改，例如采样频率、上传时间间隔、启停采集等；数据显示单元：用于数据显示包含实时数据查询、历史数据查询统计、预报警信息显示三大模块(所有的采集数据都可以在客户端查看到，实时数据都采用实时数据字符显示和曲线显示等显示，历史数据显示采用曲线及列表显示，对于除人员信息以外的数据，都设立了实时预警和报警功能，在客户端显示预报警信息并且可以通过短消息方式将预报警信息发送到指定人员移动终端上)；按需测试单元：针对于港口设备的金属结构而言，用于在标准测试工况下测试设备的受载情况，部分代替以往定期金属结构巡检的功能；数据报表单元：用于生成所有的采集量的数据报表及评价。
本发明的工作原理：在港口设备上安装适当的振动、压力和温度传感器，各传感器具备 在正常的工况下实时收集数据并传输的功能，通过zigbee网络以及zigbee协调器将数据无线发送至维修人员的点检移动终端上，维修人员通过点检移动终端记录相关数据，并进行简单的数据分析，自动生成设备性能的评估表，最后将这些数据通过USB有线或者蓝牙无线传输的方式传输给安全监控管理系统，在安全监控管理系统的故障预测模块和故障诊断模块进行预警和分析，出现问题及时反馈至点检移动终端上，便于维修人员进行检查维修。
本发明具有以下有益效果：
1)同时收集不同港口设备上的参数信息，提高工作效率；
2)解决获取点检信息不完整、信息不准确、不能实时记录的问题；
3)将大范围的工作任务细分为一个个区域去收集数据，简化工作流程，简化点检机构层次；
4)显示设备状态，并且预警和给出解决方案。
附图说明
图1是本发明维护系统的整体流程示意图；
图2是本发明Zigbee无线传感器网络的工作结构示意图；
图3是本发明故障诊断模块的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图3所示，本发明较佳实施例的基于zigbee技术的港口设备维护系统，包括数据采集模块、数据传输模块、数据汇聚串口模块以及安全监控管理系统，所述数据采集模块通过数据传输模块与数据汇聚串口模块连接，数据汇聚串口模块通过有线或蓝牙无线传输方式与安全监控管理系统通信连接；
所述数据采集模块包括传感器及处理器，所述传感器设置于港口设备的前端，用于采集港口设备的振动、压力以及温度信号(原始数据)，所述处理器用于将传感器采集的振动、压力以及温度信号进行噪声消除处理成需要测试的数据并输出到数据传输模块中；
所述数据传输模块用于将接收的需要测试的数据传送至数据汇聚串口模块；
随着工作人员的移动，所述数据汇聚串口模块用于向底层数据采集模块的处理器发布任务，不断接收来自不同处理器的需要测试的数据，实现对不同机械参数的收集，数据汇聚串口模块作为数据传输模块的网关设备，一般需要持续不停地维持工作，因此有充足、稳定的固定电源为其供电，同时数据汇聚串口模块向数据采集模块发布任务，并将需要测试的数据分析提取成特征数据转发到安全监控管理系统(将数据备份上传到服务器端的数据库中)；
所述安全监控管理系统包括故障预测模块、故障诊断模块及点检移动终端，所述故障预 测模块用于将接收的特征数据传输到点检移动终端，然后通过点检人员完善点检任务，点检移动终端对特征数据进行分析生成点检报告，再将点检报告通过无线传输到维修部的故障诊断模块，维修部通过故障诊断模块进行最终诊断，所述故障诊断模块用于收集特征数据并与数据库内历史数据进行比较，最终得出故障原因并对港口设备维护系统作出报警、修改操作或停机维修的决定。安全监控管理系统通过无线技术与数据汇聚串口模块连接，同时检查多台设备的状态。
根据当前港口设备工作的现场环境，以经济性、安全性和可靠性为前提确定港口设备前端的传感器的功能及类型，所述传感器按照采集参数的不同分为结构应变传感器、起重机状态传感器及温度传感器，分别用于采集振动、压力及温度信号，分别用于采集振动信号(结构应变信息)、压力信号(起重机状态信息)及温度信息；还可以包括回转角度传感器，所述结构应变传感器包括电源模块、TDC测试电路、信号调理电路、通讯电路，所述起重机状态传感器包括电源模块、通讯电路，所述回转角度传感器包括电源模块、通讯电路。
所述处理器采用卡尔曼滤波器实现对传感器采集的带有噪声信号的原始信号进行噪声消除处理(初步处理)、为后续故障诊断模块进一步分析港口设备故障提供更加精确的特征数据，经过卡尔曼滤波处理后的特征数据，传输到点检移动终端，供检修人员参考。
所述数据汇聚串口模块采用Zigbee协调器。
本发明所述的港口设备包括岸吊、起重机、龙门吊、抓斗、输送带、传送管、卷扬机、牵引机等等。
如图1所示，本发明在港口设备上安装适当的振动、压力和温度传感器(采集层)，各传感器具备在正常的工况下实时收集数据并传输的功能，通过zigbee网络以及zigbee协调器(传输层)将数据无线发送至维修人员的点检移动终端上(数据汇聚)，维修人员通过点检移动终端(例如轻便的平板设备)记录相关数据，并进行简单的数据分析(信号分析)，自动生成设备性能的评估表(特征提取)，最后将这些数据通过USB有线或者蓝牙无线传输的方式传输给安全监控管理系统(维修部)，在维修部的故障预测模块和故障诊断模块进行预警和分析(决策层)，出现问题及时反馈至点检移动终端上，便于维修人员进行检查维修。
数据采集模块主要针对振动、压力以及温度等传感器，烧写对应的zigbee协议栈至CC2530芯片中，设计出符合本系统要求的传感器网路；根据维护内容及流程，结合需求中提出的特殊扩展功能，分别编写基于维修部故障预测模块和故障诊断模块和维修人员点检移动终端的应用程序，包括信号处理与故障诊断；工作人员通过持有点检移动终端，在传感器网络的zigbee发射范围内，进行数据的汇聚收集，并实现数据参数及诊断信息的显示(数据汇聚)；实现对整套维护系统的现场跟踪调试。
如图2所示，本发明数据传输模块采用以CC2530芯片为核心的Zigbee无线传感器网络。Zigbee技术的最大优势是其显著的低功耗效应，可以满足系统中对于无线、长时间测量的要求，而且传输距离和传输速度也可以满足系统的其他要求，针对于港口门座式起重机，本发明维护系统选择Zigbee无线传感器网络方案。
所述故障诊断模块包括故障检测单元、故障分离单元、故障评价单元、故障决策单元。如图3所示，本发明建立了故障诊断模块各个流程的模型，并给出求解公式。所述故障检测单元用于当所关心的系统输出偏离了预期的目标范围，或者影响系统输出的过程参数、过程状态或特征量发生变化并超出预定的范围时，及时检测出故障信息；所述故障分离单元用于根据检测到的故障信息，寻找故障源，确定故障类型及大小；所述故障评价单元用于将故障对系统性能指标、功能的影响等作出判断和估计，给出故障的程度、大小及故障发生的时间等参数；所述故障决策单元用于根据故障检测的信息和故障评价的等级，针对不同的工况，对系统作出报警、修改操作、甚至停机维修等决定，最后，以优劣度为评价标准的模糊矩阵。
本发明实施例以CPCT5型叉车作为模型验证例子，具体建模过程如下：
1)优劣度的确定 
每一种设备都具有一系列的状态参数，且它们是时间的函数，可写成Xi(t)。设备的功能可认为是n个参数值Xi所确定的正常工作状态的集合；相反，故障或失效是Xi(t)超出正常工作状态的集合的界限。一般尚在正常工作中的设备状态是在一定程度上偏离了良好状态，但未超过极限技术状态界限，是个中间状态。故可将优劣度定义为设备状态偏离了良好状态向极限技术状态发展的程度，其中li是第i个参数的优劣度，表示偏离正常状态Xi的程度。因此，在衡量优劣度程度时，要同时考察参数实测值与良好值(状态良好时的量值)的偏离程度以及与极限值的接近程度。参数优劣度可以用以下方式如表1确定。
由点检人员和维修人员打分估计优劣度，软件、点检员、维修人员打的分，其值介于0～1之间，0代表完全良好，1代表完全劣化；P1、P2、P3分别为相应的权数，其值反应打分人员的水平和权威性。
表1参数优劣度
2)用模糊综合判断的方法来评价项目的状态
以上优劣度的概念，可用来衡量一个项目(指整机，总成或零部件)的技术状态。当项目优劣度接近零时，则认为该项目处于良好状态；当优劣值处于0～1之间时，则认为是中间过渡状态。由于项目的状态是一个模糊的概念，故采用以优劣度为依据的模糊综合方法来评定，评判的步骤如下：
①确定因素集
显然，整机的状态由各总成来决定，而总成的状态由相关的零部件决定。故相应的两级因素集分别为：
u1反映总成一级的技术状态，即整机第i总成的技术状态；设uij反映零部件一级的技术状态，即整机第i总成第j零部件的技术状态。
②确定备择集
对项目的评价可分为“技术状态良好”、“技术状态较好”、“技术状态一般”、“技术状态差”集中情况，于是得到综合判断的备择集；
a)确定模糊评价矩阵，即建立因素集U对备择集V的关系矩阵R。
具体来说，就是根据零部件的优劣度求相应总成对各种技术状态的隶属度，然后以总成的技术状态为依据求整机对各种状态的隶属度。这里，隶属度采用岭形分布，分布函数略。
由此得到以优劣度为评价标准的模糊矩阵
b)求权向量。 
权向量A反映每一零部件的状态对总成的优劣、或者个总成的技术状态对整机的优劣昌盛影响的程度；
权向量中的元素可用排比法确定，如表2所示。具体做法是每两项进行排比打分(共4分，进行分配)，影响程度高者为高分，在整机和总成一级进行排比。然后将每项的合计分除以总分，归一化后得到权数。
表2权向量评分
c)对总成一级进行评判。
利用模糊变化得到各总成Ui的评语，考虑到充分利用信息，特按普通举证乘法来计算，于是得到个总成技术状态U1对评语“好”、“一般”和“差”的隶属度。
d)对整机一级进行评判。
同上方法，利用模糊变换得到整机U的评语。此时应由各总成的评语来构成整机的模糊批评判矩阵，再作模糊变换
b i = Σ i = 1 n a i r i
数集B表示整机技术状态U对评语“好”、“一般”和“差”的隶属度。这为从技术上对设备进行维修决策提供了参考。
诊断结果及反馈可参考下面的逻辑判断法，判断中所取的阈值，应在实践中不断修正，使其更符合实际情况。
大修决策：当b差为最大，则应安排大修。
项修决策：若整机大修决策否定后，某总成i的bi差为最大，则该总成影进行项修。大修和项修的修理范围可由部位优劣度大小来决定，并注意作同期化处理。
本发明的这套基于zigbee技术的港口设备维护系统，可以根据港口环境下具体的不同大小、不同工作状况的机械设备的其他特殊要求，对维护系统进行适应性改进，以达到更好的效果并增强本发明的效应。
以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于zigbee技术的港口设备维护系统，其特征在于，至少包括数据采集模块、数据传输模块、数据汇聚串口模块以及安全监控管理系统，所述数据采集模块通过数据传输模块与数据汇聚串口模块连接，数据汇聚串口模块通过有线或蓝牙无线传输方式与安全监控管理系统通信连接；
所述数据采集模块包括传感器及处理器，所述传感器设置于港口设备的前端，用于采集港口设备的振动、压力以及温度信号，所述处理器用于将传感器采集的振动、压力以及温度信号进行噪声消除处理成需要测试的数据并输出到数据传输模块中；
所述数据传输模块用于将接收的需要测试的数据传送至数据汇聚串口模块；
所述数据汇聚串口模块用于向底层数据采集模块的处理器发布任务，不断接收来自不同处理器的需要测试的数据，实现对不同机械参数的收集，同时将需要测试的数据分析提取成特征数据转发到安全监控管理系统；
所述安全监控管理系统包括故障预测模块、故障诊断模块及点检移动终端，所述故障预测模块用于将接收的特征数据传输到点检移动终端，点检移动终端用于对特征数据进行分析生成点检报告，再将点检报告通过无线传输到故障诊断模块，所述故障诊断模块用于收集特征数据并与数据库内历史数据进行比较，最终得出故障原因并对港口设备维护系统作出报警、修改操作或停机维修的决定。
2.根据权利要求1所述的基于zigbee技术的港口设备维护系统，其特征在于，所述传感器按照采集参数的不同分为结构应变传感器、起重机状态传感器及温度传感器，分别用于采集振动、压力及温度信号。
3.根据权利要求1所述的基于zigbee技术的港口设备维护系统，其特征在于，所述处理器采用卡尔曼滤波器实现对传感器采集的带有噪声信号的原始数据进行噪声消除处理。
4.根据权利要求1所述的基于zigbee技术的港口设备维护系统，其特征在于，数据传输模块采用以CC2530芯片为核心的Zigbee无线传感器网络，CC2530芯片是ZIGBEE传感器网络的核心，相当于电脑的CPU。
5.根据权利要求1所述的基于zigbee技术的港口设备维护系统，其特征在于，所述故障诊断模块包括故障检测单元、故障分离单元、故障评价单元、故障决策单元。
6.根据权利要求1所述的基于zigbee技术的港口设备维护系统，其特征在于，所述点检移动终端包括远程监控单元：用于对港口设备的关键金属结构应力、涉及到机器安全操作的几个关键参数进行监测，并将港口设备的操作人员信息进行记录，保存所有上下机操作记录；采集参数远程修改单元：用于通过客户端对传感器的采样参数进行修改，例如采样频率、上传时间间隔、启停采集等；数据显示单元：用于数据显示包含实时数据查询、历史数据查询统计、预报警信息显示三大模块；按需测试单元：针对于港口设备的金属结构而言，用于在标准测试工况下测试设备的受载情况，部分代替以往定期金属结构巡检的功能；数据报表单元：用于生成所有的采集量的数据报表及评价。
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