基于CAN总线远程振动监测系统研究

引言

    当前，远程振动监测系统在理论研究和应用系统开发等方面已取得了一定进展，但在系统可靠性、网络安全、远程数据实时采集和传输、信息共享等方面还存在着许多不足。特别是处于恶劣和复杂环境下的大型设备，一方面分布地域广，监测点多；另一方面空间位置有限，常常存在严重的电磁干扰。因此，采用既实时、灵活和高效，又安全可靠的现场总线数据通讯方式作为设备状态监测系统的数据采集和传输方式十分必要。

    CAN现场总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络总线，最初由德国Bosch公司为汽车监测和控制而设计，后被用于其他工业部门的控制，应用范围遍及整个控制领域。CAN总线数据通信具有安全、可靠、实时和灵活等特点，国际标准化组织为其制定了IS011898标准。

    设备工作过程中产生的振动信号常常包含大量的设备状态信息，特别是设备早期故障产生以及发展信息。通过对设备运行时振动信号的采集与分析，一方面可以实时在线监测设备的运行状态，另一方面可以记录设备发生异常或故障时的特征信息，据此可以进行进一步的故障分析和诊断。

1 系统总体架构
   
    整个系统由CAN总线网络数据采集器、网络服务器和客户端网络浏览三部分组成，如图1所示。系统通过在所需监测的设备上安装包括振动和其他重要参数为主要测量对象的各种传感器，获取设备的状态信息。数据采集器对上述信号进行采集并通过CAN总线传送到应用程序服务器进行分析处理，处理结果存放到数据库服务器。Web服务器负责信息的发布，客户端通过浏览器访问Web服务器发布的网页，实现对所管辖设备的远程监测和管理。系统一方面采用具有CAN总线功能的网络数采器上传监测数据，实现大范围分布设备的监测；另一方面通过Internet／Intranet分布监测数据和信息，实现跨地域的远程网络化监测。

图1 系统总体架构

2 CAN总线网络数据采集

    在系统架构图1中，网络数据采集器担负着重要角色，是本系统的核心部分。本文设计的网络数据采集器是一个全功能嵌入式多通道信号采集模块，结构框图如图2所示，由传感器、信号调理、信号变换、16通道模数转换、微处理器和CAN总线接口等组成。来自一台或几台相邻设备的多达16通道包括振动在内的传感器信号，首先经过信号调理电路得到相应的电信号，对于振动传感器还需要进行所需的变换，如加速度变速度和速度变位移等处理。这些信号经过放大、抗混滤波以及极性变换后送到多路开关，模数转换巡回采集所有通道信号，微处理器进行必要的处理后再通过CAN总线发送给应用程序服务器。

图2 CAN总线数据采集模块框图

    CAN总线数据采集模块采用内核为CIP-51的嵌入式微处理器C8051F060。CIP-51具有标准8052的所有外设部件，同时内嵌符合CAN 2.0A(基本CAN)和CAN 2.0B(全功能CAN)的CAN总线控制器，包含一个CAN核、独立于C8051的消息RAM、一个消息处理状态机以及控制寄存器等。C8051F060的CAN控制器可达到1Mb／s速率。CAN有32个消息对象，每个消息对象有自己的标识掩码，用于对接收到的消息进行过滤。输入数据、消息对象和标识掩码存储在CAN消息RAM中。与数据发送和接收过滤有关的所有协议处理均由CAN控制器完成，不需MCU干预，使得用于CAN通信的CPU带宽最小。通过C8051F060特殊功能寄存器可以配置CAN控制器以及接收和发送数据。

    CAN总线数据采集模块一方面要完成多通道数据采集，另一方面还要进行数据通讯，其程序流程如图3所示。[page]

图3 CAN总线数据采集模块程序流程图

3 远程振动监测网络设计

3.1 网络模式

    设备远程振动监测系统的Web服务采用浏览器／服务器(Browser／Server，B／S)模式。B／S模式相对于客户端／服务器(Client／Server，C／S)模式具有可跨浏览器、跨平台性好、不用配置客户端、安全、可靠和稳定等特点。客户端只要安装了IE浏览器，就可以访问。

    在B／S模式的体系结构的系统中，用户通过浏览器向分布在网络上的Web服务器发出请求，服务器对浏览器的请求进行处理，将用户所需信息返回到浏览器，其余工作如数据请求、结果返回以及动态网页生成、数据库访问和应用程序执行等工作，全部由Web服务器完成。B／S模式是现今网络系统软件的首选体系结构，其体系结构如图4所示。

图4 B／S模式体系结构图

3.2 数据传送技术

    通过CAN采集器采集到的振动信号被传送并保存在数据库中，当系统进行远程信息发布时，需要从数据库中读取大量的振动数据，然后再发送到客户端进行分析和显示。由于振动信号属于动态信号，在此过程中系统需要在数据库服务器、Web服务器和客户端之间进行大量的数据传送，图5为系统进行远程Wcb发布时的数据传送流程图。

图5 远程在线监测系统流程图

    系统工作时，除了与CAN采集器模块通讯的程序外，还有3个程序在协同工作，即数据库服务程序、Web发布程序和客户端动态网页程序。数据库服务程序和Web发布程序均采用C++语言开发，两者之间通过文件共享方式交换数据。客户端程序采用动态网页工具开发，其中大量的动态图形网页采用Java语言开发的JavaApplet直接嵌入到网页中。Web发布程序与客户端程序采用基于TCP／IP协议的WinSocket通讯。

4 应用实例

    本文开发的基于CAN总线远程振动监测系统已经应用于发电厂汽轮发电机组振动的监测与分析。系统可同时对多台机组进行远程监测分析。客户端图形显示，实时参数列表部分的实现过程均采用JavaApplet嵌入到Web页，由支持Java的浏览器发布，不但使在线做到名副其实，而且大大提高了安全性。监测分析内容主要包括监测系统图、棒图、启动／停机监测、波形频谱图、轴心轨迹图、雨流图、级联图、动态趋势图、实时参数列表等。

5 结论

    为了确保大型设备安全可靠地运行，本文将CAN总线技术与网络技术相结合，开发了远程振动监测系统，实现了从单台设备到多台设备直至整个工厂全部设备的分布式振动数据采集与网络化监测。由于采用分布式现场总线结构和B／S模式的网络架构，使得系统可以适应工作环境复杂和分布地域广的大型工业设备等监测需要。应用表明该系统灵活方便，监测分析正确可靠，为现代化企业设备的安全运行提供了可靠保障。