基于射頻識別技術的過濾分離器安全保障系統

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任務，需要進行壓力的實時監測和預警，而使用過濾分離器進行天然氣和石油雜質過濾時，由于壓力差的突變容易產生機械故障和安全隱患。因此，文中設計了一種基于射頻識別技術的過濾分離器安全保障系統，并進行了系統的硬件設計和軟件設計。本設計改進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信息能量譜密度特征，然后，基于RFID技術進行系統的組網設計。仿真結果表明，采用該設計不僅能有效實現對過濾分離器運行中危險信息的特征提取，而且數據挖掘精度較高，可以實現對過濾分離器工作中安全保障和狀態的跟蹤。

關鍵詞：過濾分離器；射頻識別技術；系統設計；安全保障

中圖分類號：TP373 文獻標識碼：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輸和壓氣分轉等領域具有廣泛的應用，不同于原有過濾器傳統單一的過濾模式，而今的過濾分離器采用多通道的集成系統設計，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任務，需要進行壓力的實時監測和預警，排除過濾分離器存在的故障隱患。使用過濾分離器進行天然氣和石油雜質過濾時，由于壓力差的突變性容易產生機械故障和安全隱患，需要設計一種有效的過濾分離器安全保障系統進行故障診斷和狀態監測，以保障系統運行的穩定性和可靠性。本文設計了一種基于射頻識別技術的過濾分離器安全保障系統，進行了系統的硬件設計和軟件設計，采用仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文設計系統在實現天然氣過濾分離器安全保障和故障檢測中的優越性能。

1 系統總體設計與問題描述

1.1 射頻識別技術基礎知識及應用

本文采用射頻識別技術（Radio Frequency Identification Technology，RFID）進行過濾分離器安全保障系統設計，天然氣進入過濾分離器后，首先匯集于鋁制托盤，再分散進入聚結濾芯由里向外進行雜質濾除，這一過程中通常會產生過壓和欠壓，導致系統中的壓力差發生突變，容易產生爆炸，因此，本文采用射頻識別技術進行壓力識別[2-4]。射頻識別技術廣泛應用在移動式和固定式的標簽讀寫、故障診斷系統和管道壓力識別等領域。本文采用RFID網絡中間件進行天然氣過濾的壓力信息感知，RFID射頻中間件包括：

（1）RFID網絡中間件；

（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，用于完成標簽批量讀取過濾分離器的各種安全信息參數配置工作，例如路由配置，拓撲結構的調整等[5]。RFID功能中間件用于完成過濾分離器射頻標簽識別和安全隱患排查。

根據上述分析，得到本文設計的基于射頻識別技術的過濾分離器安全保障系統總體結構，該結構包括RFID數據感知系統、過濾分離器驅動裝置和射頻標簽執行器系統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中的危險信息進行有效挖掘是實現故障診斷和穩定控制的基礎。

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的輻射噪聲包括了天然氣過濾分離器進氣、排氣、振動等運行過程中產生的噪聲，假設過濾分離器輻射噪聲的原始數據信息表達式為：

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輻射噪聲原始數據的包絡和信號頻譜。通過構建窗函數得到過濾分離器安全保障系統的不穩定信息的信號解析表達式為z（t），它是x（t）與1/t的卷積，見式（3）：

（3）

其中，f為故障信息數據采集頻率，得到過濾分離器故障信號特征的時頻聯合分布函數WTf（a，τ）：

（4）

其中，x（t）是危險信息的能量密度譜，ψ（t）是基函數，兩個參數a和τ有關，通過求得過濾分離器的危險信息能量譜密度特征，實現對過濾分離器的故障信息特征挖掘，以此為數據基礎進行系統集成設計。

2 基于RFID的過濾分離器安全保障系統設計與實現

2.1 系統硬件設計

在上述進行了特征信息挖掘和總體設計的基礎上，本文設計了一種基于射頻識別技術的過濾分離器安全保障系統，在系統硬件設計中，需要構建射頻標簽，射頻標簽不需要處在識別器視線之內，只需要一種簡單的無線系統，構建成一組詢問器和應答器，控制、檢測和跟蹤過濾分離器的分離雜質物體，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+互聯網）進行壓力傳感的紅外感應?；赗FID的過濾分離器安全保障系統的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，在電源管理模塊設計中擴展了1片128 MB的Flash芯片，在安全監測模塊采用2片SDRAM芯片HY57V561620并聯構建32 位的SDRAM存儲器，對其設置相應波特率后分別與telosB節點模塊和485網絡相連傳輸數據。測試電路的阻抗等效成并聯回路，硬件設計中包括了濾波和放大電路設以及解調芯片電路設計，綜上分析，得到本文設計的基于RFID的過濾分離器安全保障系統硬件電路圖如圖1所示。

圖1 基于RFID的過濾分離器安全保障系統硬件電路圖

2.2 系統軟件網絡設計

在上述進行硬件設計的基礎上進行軟件設計，基于RFID的過濾分離器安全保障系統主要由處理器模塊、通信模塊、加密模塊、射頻模塊、天線模塊和人機接口模塊等組成。在軟件設計中，節點程序的功能主要在文件MinePressureCollectionC.nc里面完成，傳感器節點采集的壓力數據等信息可以通過定時器觸發，采集傳感器信息后發送至基站，基站用來向傳感器節點廣播一些消息。過濾分離器安全保障系統中的壓力監控系統采集的數據實時更新監控數據庫，通過網絡向監控系統下達，采用實現監控系統與監控數據庫及Web站點與監控數據庫的有效連接，基于Web監控網絡和RFID技術，實時讀取過濾分離器安全保障系統工作站采集的數據，計算并存儲。進一步采用調度指令向傳感器節點傳輸異常工況信息，調度指令為：

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

call Collection Control.start （CHECK_INTERVAL）；

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

通過LowPowerListening可以設置傳感器節點的占空比，以節省功耗，并行實現異常報警，過濾分離器安全保障系統的數據網絡傳輸流程如圖2所示。

圖2 過濾分離器安全保障系統的數據網絡傳輸流程

3 仿真實驗

為了測試本文設計系統在實現過濾分離器安全保障和故障監測中的性能，進行仿真實驗，基于dSPACE虛擬被控對象和TMS320F2812實際控制器搭建了過濾分離器安全保障系統的實物實驗平臺。在系統測試中，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系統供+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，振動數據的采樣率為100 kHz，定時器觸發的比特率為4 000 b/s。根據上述仿真環境設計，采用本文設計的系統進行過濾分離器的故障和異常狀態監測，實現安全保障，得到過濾分離器安全保障系統進行狀態監測的仿真輸出界面如圖3所示。

從圖3可見，采用本文設計的系統能有效實現對過濾分離器故障信息的監測，并通過計算求得過濾分離器安全保障系統對危險信息特征提取的歸一化終止頻率分別為：f11=0.3Hz，f12=0.5 Hz，準確挖掘精度為94.56%，相比傳統方法提高了13.46%?？梢?，采用本文設計的算法和系統能有效實現對過濾分離器安全保障系統危險信息的特征提取，數據挖掘精度較高，展示了較好的安全保障和狀態監測性能。

圖3 系統對過濾分離器故障信息監測仿真輸出

4 結 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任務，需要進行壓力的實時監測和預警，本文設計了一種基于射頻識別技術的過濾分離器安全保障系統。進行了系統的硬件設計和軟件設計，提出了改進的過濾分離器故障信息特征挖掘算法，最后采用仿真實驗進行了性能驗證，仿真結果表明，采用本文設計的系統能有效實現對過濾分離器安全保障系統危險信息的特征提取，數據挖掘精度較高，實現了對過濾分離器運行過程中的安全保障和狀態跟蹤。

參考文獻

[1]周勇，甘新年，胡光波，等.魚雷制導控制系統多通道控制加權算法設計[J].現代電子技術，2014，37（19）：14-17.

[2]楊俊，周丙寅，張毅，等. 基于遞歸圖分析的壓縮機故障診斷方法研究[J].計算機與數字工程， 2013， 41（6）： 984-986.

[3]尹剛，張英堂，李志寧，等. 基于 MSPCA 的缸蓋振動信號特征增強方法研究[J].振動與沖擊，2013， 32（6）： 143-147.

[4]邢長征， 劉劍. 基于近鄰傳播與密度相融合的進化數據流聚類算法[J]. 計算機應用， 2015， 35（7）： 1927-1932.

[5]付主木， 曹晶， 王曉紅. 具有末端落角約束的空地導彈滑模變結構制導律設計[J]. 信息與控制， 2015，44（3）： 291-297，302.