新型電氣設(shè)備運(yùn)輸振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

翟子楠，南亞明，代克杰

（平頂山學(xué)院，平頂山 467000）

0 引言

電力系統(tǒng)中的變壓器、電抗器、高壓開關(guān)等某些重要設(shè)備對(duì)機(jī)械振動(dòng)具有敏感性，在裝卸、吊掛、道路運(yùn)輸過程中由于機(jī)械振動(dòng)對(duì)這些設(shè)備可能造成損壞或特性偏移，變壓器、電抗器內(nèi)部線圈固定芯可能因?yàn)檎駝?dòng)發(fā)生變形，高壓開關(guān)可能因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)造成部件錯(cuò)位或密封能力下降[1]。這些設(shè)備還可能共同面對(duì)因部件移動(dòng)的刮碰造成絕緣能力下降，為將來運(yùn)行埋下隱患。例如，某些GIS設(shè)備要求在運(yùn)輸中如果出現(xiàn)振動(dòng)超出一定閾值幾次后就要將設(shè)備返廠重新檢測(cè)密閉性。生產(chǎn)這些設(shè)備的廠家也希望不因?yàn)檫\(yùn)輸時(shí)的損壞給自己帶來不必要經(jīng)濟(jì)損失。這就需要對(duì)設(shè)備運(yùn)輸時(shí)的狀態(tài)和運(yùn)輸行為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前，新型物聯(lián)網(wǎng)概念的相關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)用在電氣設(shè)備道路運(yùn)輸領(lǐng)域出現(xiàn)的并不多見。設(shè)備制造商主要利用兩種方法監(jiān)測(cè)運(yùn)輸中的振動(dòng)情況，一是采用加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，該方法最大的問題在于它無(wú)法連續(xù)記錄，無(wú)法給出越限次數(shù)、越限程度、越限時(shí)間等信息，無(wú)法給現(xiàn)場(chǎng)安裝人員提供準(zhǔn)確的設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)信息，對(duì)由于運(yùn)輸對(duì)設(shè)備造成的損壞或安全隱患無(wú)法做出評(píng)估；二是振動(dòng)800，1100等設(shè)備采用碰撞記錄儀進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，這種方法采用在壓敏紙上記錄沿途振動(dòng)的方法將波形記錄下來，但它的缺陷主要體現(xiàn)在兩方面，其一是該設(shè)備僅僅忠實(shí)的記錄了波形，對(duì)司機(jī)的駕駛行為沒有提示作用，無(wú)法在崎嶇的道路上給司機(jī)提示，從而在運(yùn)輸過程中主動(dòng)避免產(chǎn)生大的振動(dòng)，其二是記錄的波形無(wú)法電子化，無(wú)法對(duì)波形進(jìn)行進(jìn)一步的量化分析，從而給現(xiàn)場(chǎng)安裝人員提供決策輔助，評(píng)估開關(guān)設(shè)備受到損害的程度[2,3]。

考慮到以上要解決的問題，論文提出了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)記錄方案。其出發(fā)點(diǎn)是一方面實(shí)時(shí)給駕駛?cè)藛T提供越限提示，從而避免返廠重新檢測(cè)，另一方面可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)輸中各設(shè)備通過基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸、記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)及錄波，為設(shè)備損壞評(píng)估及分清事故責(zé)任提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主機(jī)（主節(jié)點(diǎn)）安裝在駕駛室內(nèi)，每個(gè)電氣設(shè)備放置一個(gè)設(shè)備采集端（從節(jié)點(diǎn)）。安裝位置如圖1所示。從節(jié)點(diǎn)由EMZ3048C和一個(gè)三軸加速度傳感器構(gòu)成，EMZ3048C將接收的水平及垂直方向加速度數(shù)據(jù)通過ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送給駕駛室內(nèi)的主機(jī)。根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備的多少，新增無(wú)線節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。通過系統(tǒng)設(shè)定的分析、處理算法, 生成設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。將此值與系統(tǒng)設(shè)定值比較，若越限則顯示器閃爍報(bào)警,提醒司機(jī)減速或停車檢查物品狀態(tài)。同時(shí)將系統(tǒng)測(cè)得的大于設(shè)定值的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)單元, 配合實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄芯片使用,獲取開關(guān)設(shè)備運(yùn)輸和裝卸過程中接近開關(guān)設(shè)備的振動(dòng)加速度和對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息, 為司機(jī)駕駛和和事后分析提供數(shù)據(jù)。

圖1 節(jié)點(diǎn)布置圖

2 主從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從節(jié)點(diǎn)主控芯片與主節(jié)點(diǎn)相同，使用EMZ3048C作為主控芯片。EMZ3048C基于最新的射頻微控制器STM32W，內(nèi)嵌IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。多種天線可供選擇[4]。利用I2C接口連接一個(gè)意法半導(dǎo)體公司的三軸6D加速度傳感器。從節(jié)點(diǎn)集成了大量的智能功能，包括省電模式、自動(dòng)喚醒功能、自由落體檢測(cè)和6D方位檢測(cè)，以及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI/I2C數(shù)字接口。加速傳感器沿三條軸(x,y,z)向上或向下運(yùn)動(dòng)，6D識(shí)別電路就會(huì)發(fā)出信號(hào)。日歷時(shí)鐘芯片主要用來記錄振動(dòng)發(fā)生的時(shí)間。通過ZigBee模塊及設(shè)計(jì)的無(wú)線通訊協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)從節(jié)點(diǎn)的自由組網(wǎng)；狀態(tài)指示燈主要用來指示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)和電池信息。從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3 從節(jié)點(diǎn)部分電路

系統(tǒng)設(shè)置了1g喚醒閾值，加速度數(shù)值小于1g時(shí)，傳感器處于低功耗休眠模式。如果沿任意方向的加速度數(shù)值超過1g時(shí)，傳感器將從低功耗休眠模式喚醒，通過INT1引腳輸出中斷信號(hào)給EMZ3048C，如圖3所示。此時(shí)主控芯片將讀取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)并發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到超出4g（設(shè)定值可修改）的數(shù)據(jù)時(shí)記錄超出的次數(shù)并發(fā)出報(bào)警指示提示駕駛?cè)藛T。為了保證雨雪天氣時(shí)節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，從整體密封性能角度，還設(shè)計(jì)了鋰電池的無(wú)線充電方案，限于篇幅，此處不再介紹。

2.2 主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了接收并存儲(chǔ)從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)功能，人機(jī)交互功能，組網(wǎng)功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)部分主要的難點(diǎn)是文件系統(tǒng)的的移植問題。將SD卡設(shè)計(jì)成符合FAT32規(guī)范的可移植文件系統(tǒng)，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)文件的格式記錄到SD卡上，便于文件的統(tǒng)一管理讀寫[5]。在相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)中，通過自編SPI寫命令函數(shù)和讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)改寫了底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了文件系統(tǒng)的移植。

主控芯片和下位選擇一致；狀態(tài)指示燈提示運(yùn)輸設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)，其中包括正常、警告、越限，“警告燈”亮的時(shí)候即提示司機(jī)當(dāng)前振動(dòng)幅度過大，謹(jǐn)慎駕駛，當(dāng)“越限燈”亮的時(shí)候即提示當(dāng)前振動(dòng)已超過限度，同時(shí)相應(yīng)越限計(jì)數(shù)器會(huì)累積數(shù)字。USB接口用來將上位機(jī)儲(chǔ)存的振動(dòng)波形輸送給PC機(jī)。主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

主從節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通訊是基于ZigBee協(xié)議，ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。其近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低成本的特點(diǎn)使其成為近年來構(gòu)建近距無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用的流行技術(shù)[6]。按照Z(yǔ)igBee支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)屬于星型放射式網(wǎng)絡(luò)，需要考慮的問題主要在于一個(gè)新加入的從節(jié)點(diǎn)如何自動(dòng)的被主節(jié)點(diǎn)識(shí)別。

在ZigBee組網(wǎng)之前，用戶可以通過USB接口，將可以加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的物理地址寫入到主節(jié)點(diǎn)內(nèi)部存儲(chǔ)器中，在組網(wǎng)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)首先建立網(wǎng)絡(luò)，然后等待從節(jié)點(diǎn)加入。從節(jié)點(diǎn)待機(jī)情況下，每隔大約30s自動(dòng)開機(jī)，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否存在，如果存在則請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，否則繼續(xù)進(jìn)入休眠。主節(jié)點(diǎn)接收到從節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求后，查詢其物理地址是否同之前寫入的地址相同，如果相同則同意該節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，如果不同則拒絕其同主節(jié)點(diǎn)通信。抓取的實(shí)際握手過程通信數(shù)據(jù)包如圖5所示。

圖5 主從節(jié)點(diǎn)通信包

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和可靠性，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和路況測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)對(duì)兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)外加振動(dòng)，然后通過USB口將所記錄的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)，如圖6所示?？煽吹礁鶕?jù)設(shè)定閾值呈現(xiàn)的3軸加速度波形及數(shù)值變化情況。

通過設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)試軟件獲得的實(shí)際路況振動(dòng)波形如圖7所示。多次測(cè)試得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以清晰的判別三個(gè)軸振動(dòng)發(fā)生的次數(shù)和幅度，越限提示情況與所得數(shù)據(jù)吻合。

5 結(jié)論

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

圖7 實(shí)際波形

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為電氣設(shè)備在運(yùn)輸時(shí)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)時(shí)錄波，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。能夠及時(shí)對(duì)駕駛?cè)藛T提供越限提醒。無(wú)線節(jié)點(diǎn)的自由組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了靈活方便的應(yīng)用操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能能夠充分滿足電氣設(shè)備制造商的使用要求。

[1] 張國(guó)兵,張文亮.特高壓變壓器運(yùn)輸沖擊加速度控制與安全裕度評(píng)估[J].高電壓技術(shù),2010,36(1):290-295.

[2] 張思,振動(dòng)測(cè)試與分析技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1992.

[3] 趙丹.適用于振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[D].太原:太原理工大學(xué),2011

[4] 杜孟超,谷立臣.基于ZigBee技術(shù)的塔機(jī)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2011,26(7):33-37

[5] 楊云,張勇.基于ARM7的μC/OS-Ⅱ移植分析與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì).2009(03):539-541

[6] 江甜甜,楊占勇.地下管線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012,(5):55-57.