馬朝華++程新根

摘 要：由于過濾分離器承載了高壓天然氣的分流和過濾等危險(xiǎn)任務(wù)，需要進(jìn)行壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，而使用過濾分離器進(jìn)行天然氣和石油雜質(zhì)過濾時(shí)，由于壓力差的突變?nèi)菀桩a(chǎn)生機(jī)械故障和安全隱患。因此，文中設(shè)計(jì)了一種基于射頻識別技術(shù)的過濾分離器安全保障系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)改進(jìn)了過濾分離器故障信息特征的挖掘算法，求得過濾分離器的危險(xiǎn)信息能量譜密度特征，然后，基于RFID技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)不僅能有效實(shí)現(xiàn)對過濾分離器運(yùn)行中危險(xiǎn)信息的特征提取，而且數(shù)據(jù)挖掘精度較高，可以實(shí)現(xiàn)對過濾分離器工作中安全保障和狀態(tài)的跟蹤。

關(guān)鍵詞：過濾分離器；射頻識別技術(shù)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；安全保障

中圖分類號：TP373 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

過濾分離器在天然氣管道運(yùn)輸和壓氣分轉(zhuǎn)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，不同于原有過濾器傳統(tǒng)單一的過濾模式，而今的過濾分離器采用多通道的集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配有排污閥、放水閥、壓差表、安全閥、伴熱裝置等附件[1]。由于過濾分離器承載了高壓天然氣的分流和過濾等危險(xiǎn)任務(wù)，需要進(jìn)行壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，排除過濾分離器存在的故障隱患。使用過濾分離器進(jìn)行天然氣和石油雜質(zhì)過濾時(shí)，由于壓力差的突變性容易產(chǎn)生機(jī)械故障和安全隱患，需要設(shè)計(jì)一種有效的過濾分離器安全保障系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測，以保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。本文設(shè)計(jì)了一種基于射頻識別技術(shù)的過濾分離器安全保障系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，采用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，展示了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)天然氣過濾分離器安全保障和故障檢測中的優(yōu)越性能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與問題描述

1.1 射頻識別技術(shù)基礎(chǔ)知識及應(yīng)用

本文采用射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification Technology，RFID）進(jìn)行過濾分離器安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)，天然氣進(jìn)入過濾分離器后，首先匯集于鋁制托盤，再分散進(jìn)入聚結(jié)濾芯由里向外進(jìn)行雜質(zhì)濾除，這一過程中通常會(huì)產(chǎn)生過壓和欠壓，導(dǎo)致系統(tǒng)中的壓力差發(fā)生突變，容易產(chǎn)生爆炸，因此，本文采用射頻識別技術(shù)進(jìn)行壓力識別[2-4]。射頻識別技術(shù)廣泛應(yīng)用在移動(dòng)式和固定式的標(biāo)簽讀寫、故障診斷系統(tǒng)和管道壓力識別等領(lǐng)域。本文采用RFID網(wǎng)絡(luò)中間件進(jìn)行天然氣過濾的壓力信息感知，RFID射頻中間件包括：

（1）RFID網(wǎng)絡(luò)中間件；

（2）RFID過濾分離配置中間件；

（3）RFID過濾分離功能中間件；

（4）RFID過濾分離管理中間件；

（5）RFID過濾分離安全中間件。

在上述中間件中，RFID配置中間件是核心，用于完成標(biāo)簽批量讀取過濾分離器的各種安全信息參數(shù)配置工作，例如路由配置，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整等[5]。RFID功能中間件用于完成過濾分離器射頻標(biāo)簽識別和安全隱患排查。

根據(jù)上述分析，得到本文設(shè)計(jì)的基于射頻識別技術(shù)的過濾分離器安全保障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括RFID數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)、過濾分離器驅(qū)動(dòng)裝置和射頻標(biāo)簽執(zhí)行器系統(tǒng)及過濾分離器的分離濾芯安全保障控制裝置等。其中，對過濾分離器安全保障系統(tǒng)中的危險(xiǎn)信息進(jìn)行有效挖掘是實(shí)現(xiàn)故障診斷和穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)。

1.2 過濾分離器故障信息特征挖掘算法

本文對過濾分離器故障診斷采用輻射噪聲信號為信號采集對象，過濾分離器安全保障系統(tǒng)的輻射噪聲包括了天然氣過濾分離器進(jìn)氣、排氣、振動(dòng)等運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲，假設(shè)過濾分離器輻射噪聲的原始數(shù)據(jù)信息表達(dá)式為：

z（t）=x（t）+iy（t）=a（t）eiθ（t） （1）

其中：

（2）

式（2）中，a（t）和θ（t）分別是過濾分離器安全保障系統(tǒng)輻射噪聲原始數(shù)據(jù)的包絡(luò)和信號頻譜。通過構(gòu)建窗函數(shù)得到過濾分離器安全保障系統(tǒng)的不穩(wěn)定信息的信號解析表達(dá)式為z（t），它是x（t）與1/t的卷積，見式（3）：

（3）

其中，f為故障信息數(shù)據(jù)采集頻率，得到過濾分離器故障信號特征的時(shí)頻聯(lián)合分布函數(shù)WTf（a，τ）：

（4）

其中，x（t）是危險(xiǎn)信息的能量密度譜，ψ（t）是基函數(shù)，兩個(gè)參數(shù)a和τ有關(guān)，通過求得過濾分離器的危險(xiǎn)信息能量譜密度特征，實(shí)現(xiàn)對過濾分離器的故障信息特征挖掘，以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。

2 基于RFID的過濾分離器安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行了特征信息挖掘和總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種基于射頻識別技術(shù)的過濾分離器安全保障系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，需要構(gòu)建射頻標(biāo)簽，射頻標(biāo)簽不需要處在識別器視線之內(nèi)，只需要一種簡單的無線系統(tǒng)，構(gòu)建成一組詢問器和應(yīng)答器，控制、檢測和跟蹤過濾分離器的分離雜質(zhì)物體，RFID智能卡閱讀器由天線、耦合元件、芯片組成。通過射頻識別（RFID）（RFID+互聯(lián)網(wǎng)）進(jìn)行壓力傳感的紅外感應(yīng)?；赗FID的過濾分離器安全保障系統(tǒng)的ARM處理器的供電電壓分別為DC 3.3 V和1.25 V，在LM1117芯片兩端都加上0.1 μF和100 μF的電容，在電源管理模塊設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了1片128 MB的Flash芯片，在安全監(jiān)測模塊采用2片SDRAM芯片HY57V561620并聯(lián)構(gòu)建32 位的SDRAM存儲(chǔ)器，對其設(shè)置相應(yīng)波特率后分別與telosB節(jié)點(diǎn)模塊和485網(wǎng)絡(luò)相連傳輸數(shù)據(jù)。測試電路的阻抗等效成并聯(lián)回路，硬件設(shè)計(jì)中包括了濾波和放大電路設(shè)以及解調(diào)芯片電路設(shè)計(jì)，綜上分析，得到本文設(shè)計(jì)的基于RFID的過濾分離器安全保障系統(tǒng)硬件電路圖如圖1所示。

圖1 基于RFID的過濾分離器安全保障系統(tǒng)硬件電路圖

2.2 系統(tǒng)軟件網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，基于RFID的過濾分離器安全保障系統(tǒng)主要由處理器模塊、通信模塊、加密模塊、射頻模塊、天線模塊和人機(jī)接口模塊等組成。在軟件設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)程序的功能主要在文件MinePressureCollectionC.nc里面完成，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的壓力數(shù)據(jù)等信息可以通過定時(shí)器觸發(fā)，采集傳感器信息后發(fā)送至基站，基站用來向傳感器節(jié)點(diǎn)廣播一些消息。過濾分離器安全保障系統(tǒng)中的壓力監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫，通過網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)，采用實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫及Web站點(diǎn)與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫的有效連接，基于Web監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)，實(shí)時(shí)讀取過濾分離器安全保障系統(tǒng)工作站采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算并存儲(chǔ)。進(jìn)一步采用調(diào)度指令向傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸異常工況信息，調(diào)度指令為：

event void {call Dissem SensorInit Control.start（）；

call Collection Control.start （CHECK_INTERVAL）；

call Low PowerListening.setLocal Dissemination Control} // WakeupInterval（512）；

通過LowPowerListening可以設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)的占空比，以節(jié)省功耗，并行實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警，過濾分離器安全保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸流程如圖2所示。

圖2 過濾分離器安全保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸流程

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了測試本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過濾分離器安全保障和故障監(jiān)測中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，基于dSPACE虛擬被控對象和TMS320F2812實(shí)際控制器搭建了過濾分離器安全保障系統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在系統(tǒng)測試中，過濾分離器的相電阻為3.234 Ω，相電感為11 mH。RFID智能卡閱讀器的DSP板電源電路用外部電源給整個(gè)系統(tǒng)供+5 V和±12 V的電壓，過濾分離器的故障信號載波主振頻率為20 kHz，振動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣率為100 kHz，定時(shí)器觸發(fā)的比特率為4 000 b/s。根據(jù)上述仿真環(huán)境設(shè)計(jì)，采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行過濾分離器的故障和異常狀態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)安全保障，得到過濾分離器安全保障系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測的仿真輸出界面如圖3所示。

從圖3可見，采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對過濾分離器故障信息的監(jiān)測，并通過計(jì)算求得過濾分離器安全保障系統(tǒng)對危險(xiǎn)信息特征提取的歸一化終止頻率分別為：f11=0.3Hz，f12=0.5 Hz，準(zhǔn)確挖掘精度為94.56%，相比傳統(tǒng)方法提高了13.46%?？梢?，采用本文設(shè)計(jì)的算法和系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對過濾分離器安全保障系統(tǒng)危險(xiǎn)信息的特征提取，數(shù)據(jù)挖掘精度較高，展示了較好的安全保障和狀態(tài)監(jiān)測性能。

圖3 系統(tǒng)對過濾分離器故障信息監(jiān)測仿真輸出

4 結(jié) 語

由于過濾分離器承載了高壓天然氣的分流和過濾等危險(xiǎn)任務(wù)，需要進(jìn)行壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，本文設(shè)計(jì)了一種基于射頻識別技術(shù)的過濾分離器安全保障系統(tǒng)。進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，提出了改進(jìn)的過濾分離器故障信息特征挖掘算法，最后采用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對過濾分離器安全保障系統(tǒng)危險(xiǎn)信息的特征提取，數(shù)據(jù)挖掘精度較高，實(shí)現(xiàn)了對過濾分離器運(yùn)行過程中的安全保障和狀態(tài)跟蹤。

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