基于CAN总线的起重机械远程监测系统技术方案-振动应变温度
北京中航机电研究所
2015/5/5
目录
一、 系统设计背景
对新型大型结构（桥梁）装载机械的工作可靠性进行测试。主要对结构测位进行载荷过程的应变测试，以满足机械损前的数据捕捉要求，要求整个测量系统的采集点可以同步传输，并且保证传输数据100％达到计算机而不丢包，每个测量传感器要求提供大容量数据存储，避免高速存储时有足够的空间和传输过程中的由于网络问题导致数据不能完整保存。同时需要实时传输数据到计算机保存和对多个通道工作状态是否正常进行监控。
二、 系统整体方案设计
本系统是基于起重等工程机械的长期监测需要，系统结合了嵌入式计算机技术、CAN总线技术，GPRS（CDMA）无线移动网络技术。是在原有无线网络传感器系统基础上开发出来的CAN总线监测系统，是目前比较先进，成熟和可靠的。克服了原有无线网络传感器节点在长期监测应用中供电的难题。系统主要由前端节点，接收网关和监控计算机组成。其中，节点与节点之间通过一根电缆串联任意连接，最终接到接收网关上。测试控制信号及电源由同一根电缆完成。系统自动识别各节点，自主组网。整个系统由接收网关处的外部电源统一供电。接收网关提供了GPRS(CDMA)，网口，USB等多种传输方式选择。
2.1 系统整体架构
本系统通过三种方式传输到计算机，USB（网口）、网桥、GPRS。下面就通过连接带GPRS功能的BS922网关实现远程起重机安全检测来说明，系统架构如下图。
应变监测系统架构
该系统采用先进的总线方式通讯体系结构，它改变传统的集散型测控模式，实现了现场设备之间和现场设备与控制室之间多站点、全数字化以及双向通讯，使系统基本测控功能完全下载到现场，成为新一代的全分布式测控系统。
2.2 系统组成
该系统由以下三级结构组成，易维护、运行稳定可靠。
第一级：终端机
可以采用安装有中航机电DSAD软件计算机。
第二级：网关
远程检测系统：采用带GPRS功能的BS922网关，通过外网把数据发送到远程终端机。
第三级：传感器网络
传感器网络由应变计和CSG401应变节点组成, 根据传感器网络模型将应变传感器节点布置在起重机上，数据通过传感器节点发送到网关。
应变节点与BS922网关之间通过总线方式连接。
三、 系统技术参数
3.1 加速度裂度传感器节点
节点原理图
型号 CSG304 | 加 速 度 裂 度 传 感 器 | |
动态 特性 | 通道数量 | X，Y，Z三轴 |
加速度量程范围 | ±16 g | |
测量精度 | 4mg | |
幅值线形度 | ±0.5% | |
烈度量程范围 | 0~71mm/s rms | |
采集 | A/D分辨率 | 13 bit |
最高采样频率 | 3200Hz/通道 | |
同步精度 | 小于20mS | |
数据存储器容量 | 1GB Flash | |
CAN接口特性 | 数据包格式 | BeeNet数据包 |
波特率 | 250K bps | |
支持节点数 | 70 | |
CAN协议 | CAN2.0B拓展帧 | |
通讯距离 | 150米 | |
实时传输速率 | 数据实时传输到PC； 3 通道 800 Hz | |
最大数据传输率 | 1M bps | |
通讯接口 | 隔离CAN接口 | |
环境 | 冲击极限 | 1000g |
工作温度范围 | -20－+85℃ | |
电气特性 | 供电方式 | 隔离供电 |
功耗 | ≤ 0.5瓦 | |
隔离耐压 | 2500VDC | |
单相电源供电 | +9V～+75VDC | |
机械尺寸 | 外壳 | PC+ABS塑料 |
供电接口 | M12防水航空插头 | |
安装螺纹 | M3 | |
重量 | 608克 | |
尺寸(长，宽，高) | 107x83x66mm | |
3.2应变传感器节点
节点原理图
型号 CSG401 | CAN总 线 应 变 传 感 器 节 点 | |
特性 | 量程范围 | ±15000 µε |
通道数 | 4 | |
输入 | 自动切换：三线制四分之一桥，半桥，全桥 | |
平衡范围 | ±100％量程范围 | |
采样频率 | 1Hz、10 Hz、20 Hz、50 Hz、100 Hz | |
分辨率 | ±0.5 µε@±15000 µε | |
测量精度 | 0.1％ red ±2µε | |
稳定性(1) | 0.05％±2µε/4h | |
校准电阻 | -100 µε | |
输入方式 | 接线端子，焊接； | |
输入保护 | 激励电压输出短路保护 | |
供桥电压 | 2.0V (±0.1%精度) | |
采集 | A/D分辨率 | 24bit |
抗混叠滤波器 | BUTTERWORTH | |
采集方式 | 连续采集，触发采集 | |
同步精度 | 20mS | |
通讯 | 通信波特率 | 200k、250k、300k、500k |
通讯接口 | CAN总线 | |
最大连接个数 | 70 | |
环境 | 冲击极限 | 1000g |
工作温度范围 | -40－+85℃ | |
温度漂移 | 15ppm/℃ | |
电气特性 | 单相电源供电 | +9V～+75VDC |
供电方式 | 隔离供电 | |
隔离耐压 | 2500VDC | |
机械尺寸 | 外壳 | PC+ABS塑料 |
供电接口 | M12防水航空插头 | |
安装螺纹 | M3 | |
重量 | 150克 | |
注：如果测量应力应变是为了测量设备裂纹情况，建议采用声发射。
型号 T101F | 无 线 温 度 采 集 器 | |
防护等级 | 防爆类型 | ExiaⅡC T4（本安型） |
防护等级 | IP66 | |
基本特性 | 工作环境温度范围 | -40～+85℃ |
量程范围 | -40～+450℃ | |
采样频率 | 600sec | |
分辨率 | 0.0625℃ | |
测量误差 | ±0.2℃ | |
A/D分辨率 | 24bit | |
采集方式 | 连续采集 | |
射频特性 | 数据包格式 | BeeLPW |
无线射频频率 | 433MHz ISM | |
支持节点数 | 256 | |
支持网络拓扑结构 | 点对点，星型 | |
通讯距离 | 1000米可视距离，实测保证距离300米 | |
实时传输 | 传输到转发网关或监控服务器 | |
空中最大数据传输率 | 250K bps | |
天线 | 内置天线 | |
电气特性 | 电池 | 内置锂亚电池 1.9Ah |
工作电流 | 0.114mA（10分钟采集周期内平均功耗）年功耗999mAh@20℃ | |
连续工作时间 | 大于2年（10分钟发一次，含低温） | |
基站计算机接口 | USB，以太网，GPRS/CDMA | |
结构尺寸 | 外壳 | 铝合金+有机玻璃 |
尺寸(长，宽，高) | 45mm*45mm*52mm（无底座） | |
3.4 CAN总线接收网关
BS922-McWill原理框图
型号 BS922 | 无线接收网关（又称无线通讯转换器、RTU远程终端） | |
基本特性 | 工作温度 | (-40～+85)℃ |
工作湿度 | (5～95)%RH | |
CPU | 500MIPS | |
最大工作频率 | 454MHZ | |
运行内存 | 128MB | |
自带闪存 | 1GB | |
存储空间 | 32GB | |
表壳材质 | 冷轧镀锌钢板，金属亮光烤漆面板 | |
电磁兼容 | EMC四级 | |
特色功能 | 操作系统 | Linux-2.6.35 |
升级程序 | 支持远程无线更新内部程序 | |
远程调试 | 支持远程访问，查看日志，程序下载 | |
工作模式 | 支持永远在线工作模式 | |
远程设置参数 | 支持短信设置参数（需选配GSM或CDMA模块） | |
保护功能 | 看门狗及掉电保护功能 | |
断线连接 | 支持断线自动重连功能 | |
数据缓存功能 | 支持数据缓存 | |
数据存储空间 | 不小于32G的数据存储空间 | |
丰富接口 | 支持CAN总线RS232，RS485，TCP/IP 支持模拟量采集，支持Modbus 协议 | |
无线输入接口 | SimplicTI/IEEE 802.15.4 | |
支持无线设备数量 | 最大65535 | |
流量管理功能 | 通信流量控制及优先级管理 | |
显示接口 | 支持外接显示屏 | |
视频输入接口 | 支持2路视频输入 | |
数据传输方式 | 透明传输 | |
故障诊断 | 支持故障自身诊断功能，结果上传 | |
支持IPV6 | 兼容IPV4和IPV6 | |
IPV6实施技术 | 双栈 | |
射频特性 | 无线参数1 | 接收端 |
通讯协议 | SimplicTI/IEEE 802.15.4 | |
无线射频频率 | 315MHz/433MHz/868MHz/915MHz/2.4GHz等ISM/SRD频段 | |
通讯距离 | 300米可视距离 | |
无线参数1功能说明 | 对无线采集器实现控制及数据采集 | |
天线 | 外置天线 | |
无线参数2 | 发射端（可选） | |
通讯协议 | GPRS协议 | |
工作频段 | 900/1800MHZ | |
波特率设置范围 | 300～115200bps | |
最大传输速率 | 上行：42.8Kbps 下行：85.6Kbps | |
通讯距离 | 不限（有中国移动信号即可） | |
无线参数2功能说明 | 实现RTU的远程控制功能及数据传输 | |
天线 | 外置天线 | |
接口特性 | CAN参数 | CAN参数 |
接口数量 | 2个 | |
通讯端口 | 模块扩展总线 | |
扩展数量 | 单CAN口接80个节点 | |
RS232参数 | RS232参数 | |
接口数量 | 1个（支持扩展） | |
波特率设置范围 | 2400/4800/9600/19200/38400/57600/115200 | |
奇偶校验 | 无/奇校验/偶校验 | |
字长 | 7或8位 | |
停止位 | 1或2位 | |
双工 | ||
协议模式 | ||
RS485参数 | RS485参数 | |
接口数量 | 1个（支持扩展） | |
波特率设置范围 | 2400/4800/9600/19200/38400/57600/115200 | |
奇偶校验 | 无/奇校验/偶校验 | |
字长 | 7或8位 | |
停止位 | 1或2位 | |
双工 | RS485半双工 | |
支持协议 | Modbus | |
协议模式 | 从、主 | |
Ethernet参数 | 以太网参数 | |
接口数量 | 2个 | |
物理端口 | RJ45 | |
通信速率 | 10M/100M自适应 | |
协议 | Modbus TCP/Modbus in TCP/Modbus in UDP/DNP3 in TCP/DNP3 inUDP/IEC 60870-5-104（支持IPv6） | |
协议模式 | 从 | |
模拟信号参数 | 模拟信号参数 | |
支持输入形式 | AI ， DI（通过选配标准模块扩展，常规不扩展） | |
支持输出形式 | AO ， DO（通过选配标准模块扩展，常规不扩展） | |
电气特性 | 工作电压 | 8-24VDC(可选配工业AC220V电源模块或AC380V电源模块) |
功耗 | 平均功耗小于2.5W（峰值功率小于3W） | |
连续工作时间 | 不间断长期工作 | |
防护等级 | 防护等级 | IP65（需安装到防雨配电箱中） |
防护等级 / 防爆等级 | 需要放置在防爆箱中，其本身不防爆,可选防水盒 | |
结构特性 | 结构尺寸 | 210*150*60 |
重量 | 1.3Kg | |
安装方式 | 标准导轨卡槽方式安装/M4螺钉安装 | |
3.5无线网桥
型号：NS5
频率（GHz）：802.11a OFDM
传输速率：25Mbps
工作频段：5.725GHz～5.825GHz（IEEE802.11a）
支持多发一收模式
传输距离：内置14dBi双极化天线,内置天线10公里（外接天线可达50公里）
直接接到BS922的网口上，实现匹配传输。
四、 系统功能
4.1 应力检测功能
通过应变节点连接应变计,采集关键点应力。
4.2 良好的人机界面功能
(1) 界面显示：授权用户可选择要监测的架桥机或提梁机，将测点布置在图上，实时显示各测点数据；
(2) 报警功能：测点可设置N个报警阈值;
(3) 生成各采集参数的时间曲线；
(4) 历史数据综合查询及生成报表。
4.3 其他扩展功能
其他参数检测：在机械体上安装其他类型节点可同时检测其他物理量。
五、 系统工作模式
整个系统可以以五种模式工作：
(1) 周期采集：设定采样间隔及每次采样长度；
(2) 按时采集：设定的采样时间段及采集的间隔；
(3) 事件触发：设定事件触发的门限值，达到门限值开始采集；
(4) 连续采集：持续采集并实时传输到监控中心
(5) 手动控制采集: 根据需求,用户发送采集命令开始采集.
六、 技术优势
（1）方便：不需要布线，安装方便，抗干扰能力强；
（2）安全：小体积独立工作节点，内置存储器，适合各种危险环境，可独立进行操作，只需在测试后进行设备回收即可完成实验；
（3）工程实施简便：不会破坏原设备结构，用磁座将节点吸在刚体上即可。
（4）灵活，智能：可设置多种采集方式，不会错过偶然的突发事件；
（5）可靠，精确，稳定：多年的检测市场应用积累，众多用户工作在各种不同环境的考验；
（6）省钱：通过 GPRS 及互联网实现真正的全球远程监控，足不出户，可实现对关键点位的长期在线检测。
(7) 永远在线: 系统支持GPRS通讯，合理设置通讯流量规划，采用先进算法，节省用户运营费用。
七、 安装与施工
一切为客户着想，安装简便，配件齐全，设计细致入微； 针对油井作业频繁的特点，精心设计产品结构及安装方式，插拔式接线，拆装方便。做到小修不拆卸，大修不费事。 模块式结构，安装、拆卸无须专业人员，普通工作人员经过简单培训即可完成，维修方便，为您节省每一分维护成本。BS922转发网关，安装在控制室，要有太阳能电池板或220V电源供电；应变节点通过磁座安装在刚体结构上，应变计将线连接在应变节点上，可以通过焊接方式将应变计焊接在起重机关键测点处。
