基于射频识别技术的过滤分离器安全保障系统

马朝华++程新根

摘 要：由于过滤分离器承载了高压天然气的分流和过滤等危险任务，需要进行压力的实时监测和预警，而使用过滤分离器进行天然气和石油杂质过滤时，由于压力差的突变容易产生机械故障和安全隐患。因此，文中设计了一种基于射频识别技术的过滤分离器安全保障系统，并进行了系统的硬件设计和软件设计。本设计改进了过滤分离器故障信息特征的挖掘算法，求得过滤分离器的危险信息能量谱密度特征，然后，基于RFID技术进行系统的组网设计。仿真结果表明，采用该设计不仅能有效实现对过滤分离器运行中危险信息的特征提取，而且数据挖掘精度较高，可以实现对过滤分离器工作中安全保障和状态的跟踪。

关键词：过滤分离器；射频识别技术；系统设计；安全保障

中图分类号：TP373 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

过滤分离器在天然气管道运输和压气分转等领域具有广泛的应用，不同于原有过滤器传统单一的过滤模式，而今的过滤分离器采用多通道的集成系统设计，配有排污阀、放水阀、压差表、安全阀、伴热装置等附件[1]。由于过滤分离器承载了高压天然气的分流和过滤等危险任务，需要进行压力的实时监测和预警，排除过滤分离器存在的故障隐患。使用过滤分离器进行天然气和石油杂质过滤时，由于压力差的突变性容易产生机械故障和安全隐患，需要设计一种有效的过滤分离器安全保障系统进行故障诊断和状态监测，以保障系统运行的稳定性和可靠性。本文设计了一种基于射频识别技术的过滤分离器安全保障系统，进行了系统的硬件设计和软件设计，采用仿真实验进行了性能验证，展示了本文设计系统在实现天然气过滤分离器安全保障和故障检测中的优越性能。

1 系统总体设计与问题描述

1.1 射频识别技术基础知识及应用

本文采用射频识别技术（Radio Frequency Identification Technology，RFID）进行过滤分离器安全保障系统设计，天然气进入过滤分离器后，首先汇集于铝制托盘，再分散进入聚结滤芯由里向外进行杂质滤除，这一过程中通常会产生过压和欠压，导致系统中的压力差发生突变，容易产生爆炸，因此，本文采用射频识别技术进行压力识别[2-4]。射频识别技术广泛应用在移动式和固定式的标签读写、故障诊断系统和管道压力识别等领域。本文采用RFID网络中间件进行天然气过滤的压力信息感知，RFID射频中间件包括：

（1）RFID网络中间件；

（2）RFID过滤分离配置中间件；

（3）RFID过滤分离功能中间件；

（4）RFID过滤分离管理中间件；

（5）RFID过滤分离安全中间件。

在上述中间件中，RFID配置中间件是核心，用于完成标签批量读取过滤分离器的各种安全信息参数配置工作，例如路由配置，拓扑结构的调整等[5]。RFID功能中间件用于完成过滤分离器射频标签识别和安全隐患排查。

根据上述分析，得到本文设计的基于射频识别技术的过滤分离器安全保障系统总体结构，该结构包括RFID数据感知系统、过滤分离器驱动装置和射频标签执行器系统及过滤分离器的分离滤芯安全保障控制装置等。其中，对过滤分离器安全保障系统中的危险信息进行有效挖掘是实现故障诊断和稳定控制的基础。

1.2 过滤分离器故障信息特征挖掘算法

本文对过滤分离器故障诊断采用辐射噪声信号为信号采集对象，过滤分离器安全保障系统的辐射噪声包括了天然气过滤分离器进气、排气、振动等运行过程中产生的噪声，假设过滤分离器辐射噪声的原始数据信息表达式为：

z（t）=x（t）+iy（t）=a（t）eiθ（t） （1）

其中：

（2）

式（2）中，a（t）和θ（t）分别是过滤分离器安全保障系统辐射噪声原始数据的包络和信号频谱。通过构建窗函数得到过滤分离器安全保障系统的不稳定信息的信号解析表达式为z（t），它是x（t）与1/t的卷积，见式（3）：

（3）

其中，f为故障信息数据采集频率，得到过滤分离器故障信号特征的时频联合分布函数WTf（a，τ）：

（4）

其中，x（t）是危险信息的能量密度谱，ψ（t）是基函数，两个参数a和τ有关，通过求得过滤分离器的危险信息能量谱密度特征，实现对过滤分离器的故障信息特征挖掘，以此为数据基础进行系统集成设计。

2 基于RFID的过滤分离器安全保障系统设计与实现

2.1 系统硬件设计

在上述进行了特征信息挖掘和总体设计的基础上，本文设计了一种基于射频识别技术的过滤分离器安全保障系统，在系统硬件设计中，需要构建射频标签，射频标签不需要处在识别器视线之内，只需要一种简单的无线系统，构建成一组询问器和应答器，控制、检测和跟踪过滤分离器的分离杂质物体，RFID智能卡阅读器由天线、耦合元件、芯片组成。通过射频识别（RFID）（RFID+互联网）进行压力传感的红外感应。基于RFID的过滤分离器安全保障系统的ARM处理器的供电电压分别为DC 3.3 V和1.25 V，在LM1117芯片两端都加上0.1 μF和100 μF的电容，在电源管理模块设计中扩展了1片128 MB的Flash芯片，在安全监测模块采用2片SDRAM芯片HY57V561620并联构建32 位的SDRAM存储器，对其设置相应波特率后分别与telosB节点模块和485网络相连传输数据。测试电路的阻抗等效成并联回路，硬件设计中包括了滤波和放大电路设以及解调芯片电路设计，综上分析，得到本文设计的基于RFID的过滤分离器安全保障系统硬件电路图如图1所示。

图1 基于RFID的过滤分离器安全保障系统硬件电路图

2.2 系统软件网络设计

在上述进行硬件设计的基础上进行软件设计，基于RFID的过滤分离器安全保障系统主要由处理器模块、通信模块、加密模块、射频模块、天线模块和人机接口模块等组成。在软件设计中，节点程序的功能主要在文件MinePressureCollectionC.nc里面完成，传感器节点采集的压力数据等信息可以通过定时器触发，采集传感器信息后发送至基站，基站用来向传感器节点广播一些消息。过滤分离器安全保障系统中的压力监控系统采集的数据实时更新监控数据库，通过网络向监控系统下达，采用实现监控系统与监控数据库及Web站点与监控数据库的有效连接，基于Web监控网络和RFID技术，实时读取过滤分离器安全保障系统工作站采集的数据，计算并存储。进一步采用调度指令向传感器节点传输异常工况信息，调度指令为：

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

call Collection Control.start （CHECK_INTERVAL）；

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

通过LowPowerListening可以设置传感器节点的占空比，以节省功耗，并行实现异常报警，过滤分离器安全保障系统的数据网络传输流程如图2所示。

图2 过滤分离器安全保障系统的数据网络传输流程

3 仿真实验

为了测试本文设计系统在实现过滤分离器安全保障和故障监测中的性能，进行仿真实验，基于dSPACE虚拟被控对象和TMS320F2812实际控制器搭建了过滤分离器安全保障系统的实物实验平台。在系统测试中，过滤分离器的相电阻为3.234 Ω，相电感为11 mH。RFID智能卡阅读器的DSP板电源电路用外部电源给整个系统供+5 V和±12 V的电压，过滤分离器的故障信号载波主振频率为20 kHz，振动数据的采样率为100 kHz，定时器触发的比特率为4 000 b/s。根据上述仿真环境设计，采用本文设计的系统进行过滤分离器的故障和异常状态监测，实现安全保障，得到过滤分离器安全保障系统进行状态监测的仿真输出界面如图3所示。

从图3可见，采用本文设计的系统能有效实现对过滤分离器故障信息的监测，并通过计算求得过滤分离器安全保障系统对危险信息特征提取的归一化终止频率分别为：f11=0.3Hz，f12=0.5 Hz，准确挖掘精度为94.56%，相比传统方法提高了13.46%。可见，采用本文设计的算法和系统能有效实现对过滤分离器安全保障系统危险信息的特征提取，数据挖掘精度较高，展示了较好的安全保障和状态监测性能。

图3 系统对过滤分离器故障信息监测仿真输出

4 结 语

由于过滤分离器承载了高压天然气的分流和过滤等危险任务，需要进行压力的实时监测和预警，本文设计了一种基于射频识别技术的过滤分离器安全保障系统。进行了系统的硬件设计和软件设计，提出了改进的过滤分离器故障信息特征挖掘算法，最后采用仿真实验进行了性能验证，仿真结果表明，采用本文设计的系统能有效实现对过滤分离器安全保障系统危险信息的特征提取，数据挖掘精度较高，实现了对过滤分离器运行过程中的安全保障和状态跟踪。

参考文献

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