M2M技術(shù)在鋼鐵連鑄設備MRO協(xié)作平臺中的應用

國內制造業(yè)的設備維修管理服務(wù)需求不斷攀升。迫切需要研發(fā)面向大型裝備的維修、維護和大修MRO(Maintenance， Repair and Overhaul)協(xié)作平臺，為裝備制造企業(yè)、裝備用戶(hù)企業(yè)和裝備服務(wù)企業(yè)提供全面的數字化解決方案和信息化集成技術(shù)，推動(dòng)制造服務(wù)業(yè)跨越式發(fā)展[1]。目前，雖然對鋼鐵連鑄設備的MRO協(xié)作平臺的研究已有一定的成果，但還有一些不足：(1)由于缺少有效的信息通信機制，不能自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準確、詳細地獲取連鑄設備的生產(chǎn)現場(chǎng)環(huán)境、生產(chǎn)加工等信息，造成鋼鐵企業(yè)的連鑄生產(chǎn)線(xiàn)與企業(yè)信息化系統之間無(wú)法實(shí)現緊密的信息集成。(2)由于連鑄生產(chǎn)線(xiàn)設備構造復雜，生產(chǎn)環(huán)境非常惡劣，設備之間的數據傳輸頻繁，從而使得難以對全部的設備進(jìn)行監控。
　本文正是在這種背景下，提出M2M(Machine to Machine)技術(shù)在此協(xié)作平臺中應用。M2M即機器與機器之間的通信，通過(guò)一些通信模塊實(shí)現機器與機器之間數據交換[2]。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需人工干預，實(shí)現數據自動(dòng)上傳，提高了信息處理效率；數據集中處理與保存，實(shí)現信息集中管理；數據保存時(shí)間長(cháng)，存儲安全；可實(shí)現實(shí)時(shí)監控和控制，時(shí)效性高；無(wú)線(xiàn)方式傳輸數據，監控終端運行狀態(tài)，保障業(yè)務(wù)穩定運行。利用M2M的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )ZigBee技術(shù)和CDMA遠程數據信息傳輸技術(shù)，實(shí)現從傳感器到測控中心的遠程無(wú)線(xiàn)傳輸方案，解決了鋼鐵連鑄設備的MRO協(xié)作平臺面臨的問(wèn)題。
1 鋼鐵連鑄設備數據采集總體結構設計
　鋼鐵連鑄設備數據采集總體結構如圖1所示。主要包括連鑄設備(A，…，N)采集節點(diǎn)模塊、傳感器及鋼鐵連鑄設備參數的局域網(wǎng)、CDMA無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )、鋼鐵連鑄設備遠程服務(wù)器、數據庫以及遠程用戶(hù)終端等幾個(gè)部分。

　其中，連鑄設備采集節點(diǎn)模塊組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，采用星型拓撲結構設計，基于TI公司的ZigBee技術(shù)方案，即CC2430芯片結合無(wú)線(xiàn)ZigBee協(xié)議線(xiàn)實(shí)現的ZigBee MESH網(wǎng)[2]，如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中包含傳感器節點(diǎn)、協(xié)調器和匯聚節點(diǎn)3種設備。協(xié)調器通過(guò)433 MHz射頻技術(shù)組成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò )，ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的傳感器節點(diǎn)可以將采集到的數據通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳輸到各自的協(xié)調器，協(xié)調器將數據匯總后，再通過(guò)433 MHz射頻技術(shù)傳送到星型網(wǎng)匯集器，即整個(gè)系統的匯聚節點(diǎn)，然后通過(guò)CDMA技術(shù)，將采集數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)CDMA網(wǎng)絡(luò )和Internet對接，最終把數據傳送到遠程服務(wù)器。該系統的關(guān)鍵電路包括ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊接口和CDMA無(wú)線(xiàn)通信模塊接口兩部分。
2 鋼鐵連鑄設備數據采集硬件設計
　鋼鐵連鑄設備數據采集系統的核心是連鑄設備傳感器節點(diǎn)，傳感器節點(diǎn)的結構包括傳感器模塊、微處理器模塊(由嵌入式系統構成，包括CPU、存儲器等)、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊四個(gè)單元，如圖2所示。其中，傳感器模塊完成監測區域內信息的采集和信號轉換；處理器模塊負載控制整個(gè)傳感器節點(diǎn)的操作、存儲和處理本身采集的數據；無(wú)線(xiàn)通信模塊負責與其他傳感器節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制信息和收發(fā)采集數據；電源管理模塊為其他功能模塊單元提供正常工作所必需的能源。

2.1 傳感器模塊
　連鑄生產(chǎn)線(xiàn)的設備狀態(tài)信號有振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度、轉速、溫度、電流等信號。本文選用德國HLP公司TS118-3紅外溫度傳感器，該傳感器采用熱電堆紅外非接觸測溫技術(shù)，紅外測溫技術(shù)能快速、可靠地測量熱的、危險的或難以接觸的物體，且不會(huì )污染或損壞被測物。非接觸紅外測溫技術(shù)可方便地測量物體的表面溫度，不需要機械地接觸被測物體。測溫范圍從-40 ℃~3 000 ℃，加上光路后測量距離從0~10 m均可準確測量。本文設計的溫度傳感器模塊電路圖如圖3所示。

2.2 微處理器模塊
　微處理器模塊選用了TI公司的CC2430芯片。CC2430芯片上集成了ZigBee射頻CC2420芯片，其具有優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性，并集成了內存和一個(gè)8 bit的8051微控制器，具有128 KB的RAM和高性能、低功耗的微控制器，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430芯片采用7 mm × 7 mm QPL封裝，共有48個(gè)引腳，分為電源線(xiàn)引腳、控制線(xiàn)引腳和I/O端口引腳；采用0.18 μm CMOS工藝，工作時(shí)的電流損耗為27 mA，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430具有休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性[3]。
2.3 電源模塊
　電源模塊采用鋰電池為傳感器節點(diǎn)運行提供必需的能量。電池監測采用MAXIM公司的DS2762，它集數據采集、信息存儲和安全防護于一身，功能強大，僅1 根雙向數據線(xiàn)與控制器通信。DS2762芯片具有兩種電源模式：工作模式下，可實(shí)時(shí)監測電壓、電流和剩余電量等參數，最大工作電流為90 μA；睡眠模式下，最大電流≤2 μA[4]，符合低功耗的要求。電源模塊電路原理如圖4所示。因電池容量有限，傳感器節點(diǎn)的硬件和軟件設計均首要考慮降低功耗。為實(shí)現長(cháng)期測試，系統提供兩種方式供給能源。

　(1)外接交流電源供電：連鑄生產(chǎn)線(xiàn)的設備安裝有照明等220 V交流電源，通過(guò)AC/DC 模塊可將其轉換為 +3.3 V，此方案適用于附近有交流電源可借用的節點(diǎn)。 (2)更換鋰電池： 鋰電池設計成推拉式機械安裝，易于更換。實(shí)際應用時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)和焊接式電阻應變計之間常通過(guò)一定長(cháng)度(0.5～2 m)的屏蔽導線(xiàn)連接，其優(yōu)點(diǎn)是使通信模塊天線(xiàn)盡可能位于空曠位置，減少金屬障礙物阻擋；無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)可安裝在技術(shù)人員便于到達的位置，易于更換電池。對于戶(hù)外機械，若個(gè)別位置非常不易于前往更換電池，也可外接太陽(yáng)能電池供電，只是電池板尺寸、蓄電池容量大小、安裝角度以及與金屬結構間的安裝方式均需根據具體情況設計。