物聯(lián)通信系統(tǒng)在電機溫度在線監(jiān)測中的應(yīng)用

曹勝華，徐大可，張 雷

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210003)

0 引 言

物聯(lián)通信系統(tǒng)是物體與物體之間、物體與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信橋梁。物聯(lián)系統(tǒng)或物聯(lián)網(wǎng)由采集被監(jiān)控物體的傳感與感知部分、傳感通信網(wǎng)絡(luò)部分以及智能處理部分組成。物聯(lián)通信系統(tǒng)就是傳感通信網(wǎng)絡(luò)部分，它采用Zigbee無線通信技術(shù)為核心技術(shù)，具有成本低、功耗低以及通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性;可實現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。國內(nèi)馬祖長［1］、孫雨耕［2］等較早開展這方面研究工作。

過熱和振動是最常見的電機故障。由于過熱而導(dǎo)致電機燒毀的故障，要比振動故障多得多。振動故障比較直觀，故障的惡化相對緩慢，直接或間接反映的故障有限。過熱故障原因較多，表觀性差，故障惡化較快，過熱現(xiàn)象能夠直接或間接反映的故障也是電機最多見和所占比例相當(dāng)大的故障。因此，監(jiān)測溫度對于保證電機正常運行、分析故障原因尤為重要。隨著科技發(fā)展，電氣系統(tǒng)的安全要求越來越高，物聯(lián)網(wǎng)也得到了飛速發(fā)展，物聯(lián)通信系統(tǒng)更加成熟，國內(nèi)徐志［3］、鄧鰲［4］等已開展了無線傳感網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備在線監(jiān)測相結(jié)合的應(yīng)用研究工作。同時電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)作為重要的電機在線狀態(tài)檢測技術(shù)得到快速發(fā)展，為此結(jié)合技術(shù)發(fā)展以及應(yīng)用需要開展物聯(lián)通信系統(tǒng)在電機溫度在線監(jiān)測中的應(yīng)用研究十分必要。

1 物聯(lián)通信系統(tǒng)介紹

物聯(lián)通信系統(tǒng)采用Zigbee無線通信技術(shù)為核心技術(shù)，ZigBee采取了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點;ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術(shù)的一致化，利于產(chǎn)品的互連互通;適用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸與控制的場合。ZigBee協(xié)議棧示意圖如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧示意圖

物聯(lián)通信系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成。終端節(jié)點負責(zé)用戶系統(tǒng)的信息采集數(shù)據(jù)的傳輸與控制數(shù)據(jù)的輸送;路由節(jié)點負責(zé)無線信號的中繼傳輸;網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)與上位機的監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

1.1 基本功能

物聯(lián)通信系統(tǒng)負責(zé)建立用戶系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的通道，并保證該傳輸?shù)耐ǖ兰皶r性和可靠性，包括無線網(wǎng)絡(luò)的建立、維護、自組織、路由、拓撲等。

1.2 基本特點

(1)功耗低:發(fā)射功率為3 dBm左右，如果采用了休眠模式，功耗將更低;

(2)成本低:由于協(xié)議棧的復(fù)雜度不高，協(xié)議免專利費，頻段也無需付費;

(3)時延短:節(jié)點設(shè)備接入通信網(wǎng)絡(luò)的時延非常短，只需30 ms;節(jié)點設(shè)備從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)的時延也非常短，只需15 ms;

(4)網(wǎng)絡(luò)容量大:最多可容納65 000個設(shè)備;

(5)可靠:解決發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突問題方面采取了碰撞避免策略，并預(yù)留了專用時隙來滿足固定帶寬的通信業(yè)務(wù)需要;解決發(fā)送數(shù)據(jù)包的丟失問題方面采取了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，確保每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須得到接收方的確認信息，假如出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失問題將會進行數(shù)據(jù)包重發(fā);

(6)安全:數(shù)據(jù)包完整性檢查方面采用了循環(huán)冗余校驗(CRC)技術(shù)，數(shù)據(jù)包加密方面采用了AES－128的加密技術(shù)，數(shù)據(jù)包內(nèi)容方面采用獨有的通信協(xié)議;

(7)數(shù)據(jù)傳輸速率:250 kB/s，專注于低速傳輸應(yīng)用;

(8)網(wǎng)絡(luò)自組織，自愈能力強，通信可靠;

(9)工作頻段:2.4 GHz免執(zhí)照頻段。

2 電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

電機設(shè)備的可靠性是確保生產(chǎn)建設(shè)正常運行的重要前提，大型、高速、強載、連續(xù)運轉(zhuǎn)電機設(shè)備的可靠性更為重要。當(dāng)電機設(shè)備發(fā)生故障時，輕者影響整個生產(chǎn)過程和造成經(jīng)濟損失，重者造成嚴重的災(zāi)難。電機大多都工作在高溫高壓環(huán)境下，溫度過高會導(dǎo)致絕緣老化，縮短電機的使用壽命，甚至?xí)菇^緣損壞而發(fā)生燒毀電機的事故，故必須連續(xù)實時地監(jiān)控其溫度。因此電機設(shè)備一般都安裝了電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由溫度傳感器、現(xiàn)場采集裝置、遠程采集系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)采用有線方式組網(wǎng)。目前對于較大容量的電機，在軸承、繞組等部位安裝不同類型鉑熱電阻傳感器，并引出到電機外殼上的傳感器接線盒中，再通過信號電纜送至現(xiàn)場采集裝置，然后通過現(xiàn)場總線傳送到遠程采集系統(tǒng)測取數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)需要在電機設(shè)備及其周圍布置大量信號、通信、供電電纜。當(dāng)電機設(shè)備進行小修、大修時將面臨十分繁雜的安裝拆卸工作，同時各種電纜長期工作在高溫、強腐蝕等工作環(huán)境下可靠性將受到嚴重影響，給系統(tǒng)帶來可靠性降低、監(jiān)測精度下降等一系列問題。

鑒于傳統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的不足，提出一種基于物聯(lián)通信系統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護性好、可擴展性好。

3 解決方案

物聯(lián)通信系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)為核心技術(shù)，適用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸與控制的應(yīng)用場合。

ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz頻段、以及美國的915 MHz頻段。ZigBee在2.4 GHz的頻段上具有16 個信道，從2.405 ～2.480 GHz間分布，信道間隔是5 MHz，具有很強的信道抗串?dāng)_能力，因此選用2.4 GHz頻段為工作頻段。

ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。特別是MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和可靠性。MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用多跳式路由通信，網(wǎng)絡(luò)容量很大，適合距離較遠或比較分散的復(fù)雜系統(tǒng)通信，同時網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。因此電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)選用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。圖2為MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。

圖2 MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由溫度傳感器、現(xiàn)場采集裝置、遠程采集系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)采用由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、多個路由節(jié)點和多個終端節(jié)點組成物聯(lián)通信系統(tǒng)來完成通信功能。

一個系統(tǒng)只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它是整個網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，它負責(zé)協(xié)調(diào)建立和管理網(wǎng)絡(luò)。它完成發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、搜尋節(jié)點間路由、控制遠程采集與控制信息的傳遞工作。它與遠程采集系統(tǒng)進行有線連接，協(xié)助遠程采集系統(tǒng)通過無線方式完成遠程采集與控制功能。

一個系統(tǒng)可以有多個路由節(jié)點和多個終端節(jié)點，路由節(jié)點無線通信使用含路由功能和簡單通信功能的全功能設(shè)備，終端節(jié)點無線通信使用只有簡單通信功能的精簡功能設(shè)備。當(dāng)一個現(xiàn)場采集裝置與一個全功能設(shè)備進行有線連接后就成為了物聯(lián)通信系統(tǒng)中一個路由節(jié)點，即協(xié)助本地現(xiàn)場控制裝置完成與遠程采集系統(tǒng)無線通信，也協(xié)助其它節(jié)點完成無線通信。當(dāng)一個現(xiàn)場采集裝置與一個精簡功能設(shè)備進行有線連接后就成為了物聯(lián)通信系統(tǒng)中一個終端節(jié)點，協(xié)助本地現(xiàn)場控制裝置完成與遠程采集系統(tǒng)無線通信。

工作過程如下:

系統(tǒng)按分配地址方式進行設(shè)備識別通信。系統(tǒng)中遠程采集系統(tǒng)和現(xiàn)場采集裝置都分配有唯一的32位2機制地址碼，其中0XFFFF屬于廣播地址，遠程采集系統(tǒng)分配了唯一的地址碼0，每個現(xiàn)場采集裝置都有屬于自己的唯一的地址碼(1～0XFFFE);

現(xiàn)場采集裝置和溫度傳感器通過有線進行連接，實時感知現(xiàn)場的溫度并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準攝氏溫度值保存在現(xiàn)場采集裝置中，同時現(xiàn)場采集裝置和全功能設(shè)備或精簡功能設(shè)備通過有線進行連接，成為物聯(lián)通信系統(tǒng)中的路由節(jié)點或終端節(jié)點;

遠程采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過有線進行連接，遠程采集系統(tǒng)將帶地址碼的查詢報文傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將接收的查詢報文按透明方式無線廣播出去;

現(xiàn)場每個路由節(jié)點或終端節(jié)點利用全功能設(shè)備或精簡功能設(shè)備通過無線接收查詢報文，查詢報文再通過有線傳送給現(xiàn)場采集裝置，現(xiàn)場采集裝置進行地址碼識別和命令識別后，如果需要應(yīng)答，將組織好應(yīng)答報文通過有線傳送給全功能設(shè)備或精簡功能設(shè)備，這些設(shè)備將應(yīng)答報文按透明方式無線廣播;

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過無線接收應(yīng)答報文，再通過有線傳送給遠程采集系統(tǒng)，遠程采集系統(tǒng)進行地址碼識別和命令識別后，將相應(yīng)采集數(shù)據(jù)進行實時處理和保存，判斷電機運行狀態(tài)，如有異常進行報警。遠程采集系統(tǒng)也可以通過以太網(wǎng)和其它監(jiān)測系統(tǒng)相連，及時將電機溫度信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。

4 結(jié) 語

物聯(lián)通信系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，是當(dāng)今無線通信技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的熱點。本文詳細描述了基于物聯(lián)通信系統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，重點闡述了系統(tǒng)構(gòu)成和工作過程?；谖锫?lián)通信系統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決了電機設(shè)備監(jiān)測布線的繁雜與困難，安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護性好、可擴展性好。隨著未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于物聯(lián)通信系統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)將融合到物聯(lián)網(wǎng)中。

［1］ 馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述［J］.通信學(xué)報，2004，25(4):115 －124.

［2］ 孫雨耕，張靜，孫永進，等.無線自組傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2004(2):331－ －335.

［3］ 徐志，楊永明，王波，等.電機定子溫度在線監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(7):78 －80.

［4］ 鄧鰲.無線傳感網(wǎng)絡(luò)在大型機電系統(tǒng)健康監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2006，28(11):125－127.