基于無線振動烈度傳感節(jié)點的機泵健康監(jiān)測系統(tǒng)研制及應(yīng)用

花仕海 陳得民

1. 無錫必創(chuàng)傳感科技有限公司，無錫 214021；2. 北京必創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100085

一、引言

大型機泵群組機械設(shè)備越來越多地應(yīng)用于數(shù)字化工業(yè)動力系統(tǒng)中。機泵群組設(shè)備，如柴油機、汽輪機、燃氣輪機、發(fā)電機組、冷卻水泵、風機、空壓機、空調(diào)機組、減速齒輪箱、傳動系統(tǒng)與軸系設(shè)備等，隨運行時間的延長會出現(xiàn)磨損或其他機械故障。如果不能及時發(fā)現(xiàn)加以消除，將會造成機械設(shè)備損傷失效、運行效能降低[1]。而傳統(tǒng)的機泵群組在線監(jiān)測系統(tǒng)多采用以太網(wǎng)或485總線等有線通信形式，面對復雜的大型設(shè)備現(xiàn)場經(jīng)常會遇到成本高、布線困難、影響機械運轉(zhuǎn)等問題。

本文研制一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機泵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障預警的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以對設(shè)備的運行狀態(tài)進行測量，通過運行趨勢判斷設(shè)備是否異常，根據(jù)國際、國內(nèi)執(zhí)行的相關(guān)振動標準可以實現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測和技術(shù)評估，及時發(fā)現(xiàn)泵組故障的早期振動征兆和高溫狀態(tài)；通過對泵組異常運行狀態(tài)的早期分析，揭示故障的程度和發(fā)展趨勢等，為故障分析、維修提供一個簡便快捷、準確高效的技術(shù)手段。

二、系統(tǒng)功能

泵群組健康監(jiān)測系統(tǒng)基于無線振動烈度傳感節(jié)點技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而設(shè)計，由系統(tǒng)前端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、中心系統(tǒng)組成，三者相互銜接、缺一不可。

1、系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)前端利用無線振動烈度傳感節(jié)點對工廠內(nèi)的大量機泵設(shè)備進行監(jiān)測，主要負責對應(yīng)用場景內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)（包括設(shè)備的振動、設(shè)備表面溫度）信息進行采集、傳輸，并通過無線數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心服務(wù)器。

通訊網(wǎng)絡(luò)把系統(tǒng)前端與中心系統(tǒng)的監(jiān)測站建立連接，將獲取的設(shè)備運行狀態(tài)信息傳輸至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測、控制、調(diào)度。為節(jié)約成本，大部分系統(tǒng)應(yīng)用不單獨建設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò)，而是借助工廠內(nèi)已經(jīng)建立好的局域網(wǎng)絡(luò)（如工廠內(nèi)基于TCP/IP的Ethernet網(wǎng)絡(luò)）進行傳輸。如果用戶的系統(tǒng)前端和中心系統(tǒng)距離較遠，則可借助運營商的移動網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G）進行傳輸。

中心系統(tǒng)可管理應(yīng)用場景內(nèi)部的所有設(shè)備，接收由各區(qū)域上報的信息，滿足各級用戶對設(shè)備運行、報警信息查看等需求，主要包括數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、系統(tǒng)監(jiān)測分析軟件和設(shè)備故障智能診斷平臺等。

2、無線振動烈度傳感節(jié)點

圖2所示為無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)。無線振動烈度傳感節(jié)點主要包括供電模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、無線射頻模塊，可以實現(xiàn)對機泵設(shè)備的振動烈度和溫度同時進行測量。

將高精度三軸MEMS加速度傳感器和單通道溫度傳感器內(nèi)置在無線傳感節(jié)點內(nèi)，可同時采集設(shè)備垂直、水平、軸向三個方向的速度有效值（振動烈度）、加速度真峰值、加速度有效峰值和設(shè)備表面的溫度數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點主處理器負責處理數(shù)據(jù)并交由射頻模塊無線發(fā)送給無線通訊轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)采用必創(chuàng)科技研發(fā)的NBEE工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信模塊作為主控單元，基于EM375芯片設(shè)計，提供高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸以及組網(wǎng)能力；

模塊內(nèi)置SKYWORKS高性能射頻前端芯片，使發(fā)射功率高達20dBm，接收靈敏度-103dBm，提供充裕的鏈路預算；

加速度傳感器采用ADI公司的加速度計，量程±16g，具有體積小、功耗低等優(yōu)點，具有出色的溫度穩(wěn)定性；

溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，精度高，抗干擾能力強，測量范圍-40℃～+85℃，測量誤差±0.1℃；

原始的加速度模擬信號通過低通濾波器將有用信號的上限限制為1kHz（-3dB點），然后信號在通過高通濾波器將信號的下限限制為10Hz（-3db點），接下來信號通過硬件積分電路最終送到12位ADC，將采集的信號做求有效值計算，最終得到振動烈度；

模塊內(nèi)置必創(chuàng)科技自有的BeeLPW-T無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可快速部署靈活可靠的樹型及星型網(wǎng)絡(luò)，單網(wǎng)容量可達1000個節(jié)點，單跳通信1.5km，支持實時喚醒及OTA升級，適合作為機泵健康監(jiān)測應(yīng)用。

無線振動烈度節(jié)點對系統(tǒng)的功耗和可靠性要求比較高，節(jié)點在采用低功耗、高可靠性傳感器的同時，還將對無線傳感節(jié)點中的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進行多方面優(yōu)化，以提高傳感器節(jié)點的可靠性并最大限度的降低傳感節(jié)點的功耗。為此，設(shè)計了低功耗無線監(jiān)測的裝置，根據(jù)自身預先設(shè)定的周期觸發(fā)傳感器采集信號完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并將計算結(jié)果與預警值進行比較，以決定無線傳感節(jié)點是否置于休眠狀態(tài)。模塊接收電流35mA，休眠模式下待機電流2μA。這種方式能夠有效降低裝置的功耗，提高傳輸信號的抗干擾能力和傳輸可靠性。

3、無線通訊轉(zhuǎn)換器

無線通訊轉(zhuǎn)換器采用必創(chuàng)科技的多功能RTU，負責匯聚無線振動烈度節(jié)點采集的振動和溫度數(shù)據(jù)，包括電源模塊、主處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線射頻模塊、通信模塊等。其中無線射頻模塊支持點對點、星型等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；通信模塊支持TCP/IP、Modbus、2G/3G/4G數(shù)據(jù)透明傳輸、斷線自動重連，同時支持數(shù)據(jù)中心動態(tài)域名或固定IP訪問。無線通訊轉(zhuǎn)換器CPU運行頻率454MHz，系統(tǒng)內(nèi)存128MB，自帶1GB閃存和工業(yè)級Linux操作系統(tǒng)，支持遠程無線更新程序和遠程訪問，帶有獨立的RTC時鐘芯片，兼容IPV4和IPV6雙棧，供電電壓9V～36V DC。

三、監(jiān)測點布設(shè)規(guī)則[1-4]

根據(jù)ISO10816和GBT6075中對設(shè)備振動評價的建議，應(yīng)該在軸承、軸承支座或者其他明顯動力響應(yīng)并表示及其整體振動特性的結(jié)構(gòu)部件上進行測量。以自來水廠的臥式泵為例，需要對電機和水泵分別測試徑向水平、垂直和軸向的振動特性。

臥式泵設(shè)備中，聯(lián)軸器端是直接受力點，反映出的故障現(xiàn)象更多，所以軸向振動傳感器應(yīng)安裝于聯(lián)軸器端，盡可能靠近力的作用點，盡可能選擇力的傳遞剛性最大的路徑。

四、故障分析與診斷[5]

本系統(tǒng)研制的監(jiān)測分析軟件是以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測為主線，以保障設(shè)備安全長效運行為目標的工業(yè)組態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)。在監(jiān)測過程中，按天實時采集時域數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)軟件中做實時故障診斷分析。上位機監(jiān)測軟件以工業(yè)組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，將BEEHMI工程管理設(shè)計模塊、HMIDesign人機界面設(shè)計模塊和HMIRun人機界面運行模塊設(shè)計為可裁剪功能模塊，并提供開發(fā)的標準接口。其中BEEHMI工程管理設(shè)計模塊功能包括創(chuàng)建工程項目、工程協(xié)議參數(shù)配置、工程節(jié)點通道配置及相關(guān)參數(shù)配置；HMIDesign人機界面設(shè)計模塊功能包括設(shè)計維護工程的人機軟件運行界面，根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行靈活的界面環(huán)境配置；HMIRun人機界面運行模塊為最終使用程序模塊，功能由HMIDesign設(shè)計決定。

系統(tǒng)基本功能如下：

（1）設(shè)備狀態(tài)總覽

通過狀態(tài)總覽頁面可以一目了然地查看所有監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，了解設(shè)備是否運轉(zhuǎn)正常、設(shè)備報警情況、報警等級、報警部位、報警時間等信息。

（2）數(shù)據(jù)分析功能

具備豐富的數(shù)據(jù)分析功能，如設(shè)備運行趨勢圖分析、歷史數(shù)據(jù)查詢等，并能夠利用分析工具進行故障分析與診斷，且圖形顏色等方案可以根據(jù)不同用戶的習慣來自行定義，可生成報表。

（3）自檢功能

能對硬件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)、串口通信狀態(tài)、傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)機內(nèi)部硬件信息等進行檢查。

（4）趨勢分析功能

可對振動烈度、有效值、峰值等多類指標進行歷史趨勢分析，并能夠多組、多點數(shù)據(jù)進行比較分析。

（5）閾值設(shè)置

用戶可根據(jù)需要自行設(shè)置閾值。初始階段，基于國際振動標準（ISO-10816）設(shè)置報警門限；經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)積累之后，根據(jù)機組的當前狀態(tài)設(shè)置相應(yīng)門限值；如設(shè)備有劣化過程，通過修改報警門限把控設(shè)備的劣化趨勢；支持獨立設(shè)置不同工況下報警門限的功能。

五、系統(tǒng)測試

圖4是某汽輪機自由端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看出，從7月13日至7月19日水平方向值一直偏大（正常值在2.8mm/s以下），而在7月21日啟機后振動烈度值正常。結(jié)合現(xiàn)場汽輪機輸出端、減速機輸入端水平方向的振動趨勢，以及現(xiàn)場手持儀巡檢記錄，確認汽輪機19日前出現(xiàn)故障，且在24日后開始維修，初步判斷是軸瓦摩擦所知。從結(jié)果上看，系統(tǒng)及時掌握了設(shè)備的運行狀況，保證及時采取維護措施確保設(shè)備的正常運行。

六、結(jié)語

基于無線振動烈度傳感節(jié)點的機泵健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時發(fā)現(xiàn)機組振動及溫度異常，并及時發(fā)出故障預警信息，使得客戶及時掌握泵群組運行狀態(tài)，避免事故發(fā)生，延長泵群組等設(shè)備運行壽命；本系統(tǒng)具有自診斷智能化分析功能，根據(jù)設(shè)置的報警閾值調(diào)整采樣及發(fā)送頻率，盡可能減少誤報現(xiàn)象發(fā)生。

該系統(tǒng)中無線振動烈度傳感節(jié)點具有體積小、功耗小、無線化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)勢，解決了有線振動監(jiān)測的諸多難題，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，具有較強的技術(shù)和成本優(yōu)勢。