基于无线网络的港口机械结构应力在线监测系统研究

摘要

随着经济全球化和物流业的不断发展，港口的装卸能力日益提高，港口机械也朝着大型化、重型化和高速化发展，这就对装卸设备各部件的管理提出了新的要求。作为港口机械骨架的金属结构承受着机构传动部分设备的自重及外载荷，其工作状态直接关系到整机的工作性能、安全性与可靠性，一旦发生故障会带来巨大的直接和间接损失。港口机械结构应力在线监测系统实现了港口机械状态实时监测的方法，它改变了传统的以人工为主的监测手段，大大提高港口机械检测的自动化程度，提高对港口机械结构损坏和突发事件的反应速度，缩短故障检测与维修时间，增加正常运转时数，提高生产效率。 长期的实时在线监测，一个重要的问题是信号数据的传输问题，采用有线信号传输需要铺设大量的电线电缆，而在环境恶劣的生产现场这些电缆极易受到破坏，使得信号失真甚至不能传输；再者，有线线路还存在信号衰减问题，雷击等自然灾害也容易对设备及信号传输造成损害。相对有线数据传输而言，利用无线网络进行无线数据传输有很多的优点：不需要大规模的线路硬件资金投入，系统建设速度快，只需架设若干天线即可，适应性好，几乎不受地理等客观环境的限制，扩展性好，系统扩展时只需将新增设备与系统相连即可，系统维护简便。 随着通信技术的不断发展，利用GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)网络所提供的公用平台来实现数据的远程传输越来越成为一种非常便捷的信息传递手段。本文采用GPRS网络来实现港口机械状态的远程监测，完整的监测系统由数据采集、数据传输和数据处理三部分组成。数据采集部分负责收集传感器上的状态信息并将这些信息按照一定的格式传送给改进的动态应变仪；数据传输部分将采集终端送上来的状态信息按照网络协议通过Internet网络传送给远端控制中心的客户机；从而实现了工业现场数据实时入网，监测人员在任何时间、任何能接入Internet的地点都可以浏览到现场数据。 本论文以港口机械结构应力为对象，从港口机械金属结构的特点出发，结合港口机械的具体工作条件，对港口机械金属结构应力的在线监测系统进行研究，以现代机械测试与试验技术为研究手段，采用传统的应变电测法，提出了基于无线数据传输的在线监测系统的设计方案，进行了该系统的硬件配置和软件编程。利用现有的网络资源，发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为数据采集提供一种便捷的无线数据传输方式，能够随时掌握港口机械承载结构工作时的技术状态，实现了对港口机械金属结构的长期在线监测。这样不但可以提高监测的自动化程度，还可以节约大量的人力和资金，方便快捷，有较高的实用价值和经济价值。本文主要分为四个部分，第一部分介绍了GPRS的系统结构及工作原理，同时简述了TCP/IP网络技术原理，并且分析了TCP/IP在GPRS网络中的实现和改进；第二部分主要介绍应变电测法，分析了应变电测的原理以及测试方法；第三部分对港口机械结构应力在线监测系统的硬件设施进行研究，分析了该系统的传感单元、采集单元和控制处理单元，主要讨论了数据的无线传输方案；第四部分对该系统的软件部分进行了编程开发，数据采集和Visual Basic开发的数据示波、处理和存储。 本文研究成果对港口机械的在线监测提供了有益的参考和借鉴。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的背景和意义

1.1.1研究的背景

1.1.2研究的意义

1.2国内外港口机械监测现状与发展动态

1.3本论文的主要工作及安排

第2章GPRS系统原理及网络结构

2.1 GPRS网络的产生与发展

2.2 GPRS的系统结构

2.2.1 GPRS的系统结构

2.2.2为了升级至GRPS，GSM中需要进行改造的设备

2.2.3 GPRS接口

2.3 GPRS网络工作原理

2.3.1 GPRS网络传输平台

2.3.2信令平台

2.3.3 GPRS网络传输数据过程

2.4 GPRS的信道分配

2.4.1 GPRS的物理资源

2.4.2 GPRS的突发序列

2.4.3 GPRS的无线块结构

2.4.4 GPRS的复帧结构

2.4.5 GPRS的逻辑信道

2.5 GPRS系统TCP/IP性能分析

2.5.1TCP/IP协议

2.5.2TCP/IP在GPRS环境下的性能改进

2.6 GPRS网络技术的特点

2.7 GPRS的应用范围

2.8本章小结

第3章港口机械结构应力的应变电测方法

3.1概述

3.1.1港口机械金属结构

3.1.2港口机械金属结构的检测

3.2应变电测量技术

3.2.1电阻应变片的基本构造

3.2.2电阻应变片的工作原理

3.2.3电阻应变片在应力分析中的应用

3.2.4电阻应变片动态测量误差及可行性分析

3.3电桥测量电路

3.3.1电压输出桥

3.3.2电流输出桥及功率输出桥

3.4本章小结

第4章结构应力在线监测系统的硬件设计

4.1系统原理

4.2数据采集单元

4.2.1传感单元

4.2.2电桥电路类型

4.2.3动态应变仪

4.3数据无线传输部分

4.3.1 GPRS DTU硬件系统

4.3.2传输系统

4.3.3串口接口

4.3.4 SIM卡

4.3.5组网方式确定

4.3.6 GPRS DTU网络实现

4.4本章小结

第5章系统软件设计

5.1系统总体设计

5.1.1系统功能需求

5.1.2系统设计特点

5.1.3系统结构设计

5.2 Windows Socket简介

5.2.1 Socket的一些基本概念

5.2.2 Socket的编程模型

5.3系统软件设计

5.3.1监控中心软件程序设计

5.3.2系统数据库

5.4软件实现

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文与参加的科研项目