基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水泵振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

駱寅 董健 韓岳江

摘 ?要： 針對(duì)傳統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線復(fù)雜、信號(hào)干擾等問題，提出一種新型基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水泵振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選用NKG65?50?125/139型單級(jí)單吸離心泵為研究對(duì)象搭建試驗(yàn)泵系統(tǒng)，分別采用傳統(tǒng)的有線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與該設(shè)計(jì)的無線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來對(duì)該離心泵進(jìn)行試驗(yàn)。該設(shè)計(jì)的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)水泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平、垂直、軸向三個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，從而得到振動(dòng)信號(hào)的位移峰峰值和振動(dòng)烈度值，再利用WiFi技術(shù)上傳安卓上位機(jī)，與傳統(tǒng)的有線振動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩組結(jié)果整體變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值變化都呈隨著流量的穩(wěn)定而逐漸減小趨勢(shì)，具體數(shù)值大小差距不大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計(jì)的無線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以滿足對(duì)水泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，并可取代傳統(tǒng)的有線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 水泵; 振動(dòng)監(jiān)測(cè); 無線傳輸; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 信號(hào)采集; 對(duì)比驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN919?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0030?05

Abstract： As the traditional vibration condition monitoring system has the problems such as complex wiring and signal interference， a new pump vibration state monitoring system based on wireless sensor network is proposed. The NKG65?50?125/139single?stage single?suction centrifugal pump is selected as the research subject to establish the testing pump system， and the traditional wired vibration state monitoring system and the designed wireless vibration state monitoring system are used for the centrifugal pump test， respectively. In the designed wireless monitoring system， the vibration signals are collected from the horizontal， vertical and axial directions of the pump monitoring points to obtain their peak values of displacement and vibration intensity values; the upper computer of Android is upload by means of WiFi technology. In comparison with the experimental results of the traditional wired vibration acquisition and monitoring system， it is found that the overall variation trend of the two groups are consistent basically， the numerical change is gradually decreasing with the stability of the traffic， and the difference of the specific values are small. The experimental data show that the designed wireless vibration state monitoring system can meet the needs of pump vibration monitoring and can replace the traditional wired vibration state monitoring system.

Keywords： pump; vibration monitoring; wireless transmission; system design; signal collection; comparison validation

0 ?引 ?言

泵作為一種通用機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，被譽(yù)為“國(guó)民經(jīng)濟(jì)的心臟”，因此研究和開發(fā)泵故障診斷的方法和裝置具有十分重要的意義。在機(jī)械設(shè)備故障診斷研究領(lǐng)域中，通常是利用設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)[1?2]狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而能及時(shí)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷。因此，對(duì)水泵的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析很有必要。現(xiàn)有的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由PC機(jī)、采集卡和振動(dòng)傳感器等構(gòu)成，通過傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過采集板卡進(jìn)行傳遞至PC機(jī)的虛擬儀器，但是在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，由于工業(yè)所用的電線常常相互交叉相連，極易老化，嚴(yán)重影響了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。同時(shí)水泵運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)，工作人員很難長(zhǎng)時(shí)間對(duì)其工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并診斷。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)大大地降低了依靠振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)和診斷泵故障的難度，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。

由于考慮到工業(yè)環(huán)境中線路的老化會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)傳遞和故障診斷的可靠性下降，專家學(xué)者們開始考慮和研究對(duì)水泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法。湯躍等人在水渦輪監(jiān)測(cè)上將傳感技術(shù)和無線技術(shù)相結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)特性參數(shù)無線監(jiān)測(cè)[3]。Alvaro Araujo等人設(shè)計(jì)了一種基于PIC32和ARM9為微處理器的系統(tǒng)，并嵌入Linux操作系統(tǒng)，再利用WiFi無線通信的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用于監(jiān)測(cè)人體生命體征的振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)[4]。美新公司MEMSIC提出的一種基于LOTUS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LPR2400為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在泵的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域中，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)[5?7]的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷的研究比較少。

在工業(yè)生產(chǎn)中，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)測(cè)技術(shù)在其他的領(lǐng)域已有更多應(yīng)用[8?10]，而該技術(shù)應(yīng)用在泵系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)領(lǐng)域相對(duì)其他的技術(shù)會(huì)有許多優(yōu)越性。監(jiān)測(cè)裝置在水泵上部署的位置靈活，成本低[11?13]，而且彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足[14]，不需要工作人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)避免了有線傳感器的線纜問題[15]。最大程度上解決了系統(tǒng)安置和信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量等復(fù)雜問題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及診斷的可靠性、實(shí)時(shí)性。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

首先對(duì)當(dāng)前水泵振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及存在的問題進(jìn)行分析，根據(jù)水泵的振動(dòng)機(jī)理和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)為理論基礎(chǔ)，本文提出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是由微處理器模塊、信號(hào)采集模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、安卓上位機(jī)和電源供電模塊共五大模塊組成。首先，將信號(hào)采集模塊放置在水泵的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（懸架軸承座或托架軸承座和泵腳），對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高效同步采集，并儲(chǔ)存在MESE傳感器對(duì)應(yīng)的寄存器中;其次，微處理器模塊讀取寄存器的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并完成數(shù)據(jù)分析處理;最后，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將處理數(shù)據(jù)及結(jié)果上傳至安卓上位機(jī)，并在上位機(jī)顯示與存儲(chǔ)。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?微處理器模塊

本模塊選用功能強(qiáng)大的STM32F407ZGT6芯片作為系統(tǒng)的CPU控制電路，通過芯片的三個(gè)I/O口PA4，PA5，PA6讀取經(jīng)信號(hào)調(diào)理過的MESE傳感器相應(yīng)寄存器的模擬信號(hào)，再利用微處理器模塊的A/D轉(zhuǎn)換器功能將其轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。采用的轉(zhuǎn)換公式為[D=AVref·2n-1]，其中，D為數(shù)字信號(hào)，A為模擬信號(hào)，Vref表示參考電壓，n表示模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的位數(shù)。微處理器模塊利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)值分析處理。最后通過微處理器來控制無線數(shù)據(jù)通信模塊NRF24L01的6個(gè)引腳CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ的高低電平，即可將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。最小系統(tǒng)的部分電路如圖2所示。

微處理器的外圍電路分別是復(fù)位電路和調(diào)試電路。在系統(tǒng)上電后，復(fù)位電路使微處理器模塊可以快速?gòu)?fù)位，并處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于微處理器的各個(gè)引腳是低電平復(fù)位，所以復(fù)位電路設(shè)置為低電平復(fù)位;調(diào)試電路采用標(biāo)準(zhǔn)的四線制接法，將編寫好的硬件程序下載到電路板進(jìn)行仿真與調(diào)試，保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行工作。

2.2 ?信號(hào)采集模塊

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷的研究中，旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)量是研究的重點(diǎn)。具體來說，運(yùn)動(dòng)量是指旋轉(zhuǎn)部件的位移、速度及加速度，而三者是可以相互換算的。在實(shí)際工況中，由于水泵的振動(dòng)頻率比較高，加速度傳感器測(cè)量值的誤差比位移傳感器測(cè)量值比較小。所以信號(hào)采集模塊選用了三軸加速度傳感器ADXL335，其內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路，簡(jiǎn)化系統(tǒng)布線的復(fù)雜性，提供經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路輸出的模擬信號(hào)，再通過微處理器模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換和積分運(yùn)算得到位移值。信號(hào)采集模塊電路圖見圖3。

2.3 ?無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

在整個(gè)傳輸過程中，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊只負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，將微處理器模塊的數(shù)據(jù)與處理結(jié)果發(fā)送給安卓上位機(jī)。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用NRF24L01芯片來設(shè)計(jì)，由于該模塊內(nèi)置高速緩沖存儲(chǔ)器，可以減少系統(tǒng)對(duì)CPU的存儲(chǔ)需求，從而提高整體系統(tǒng)的性能。首先，將NRF24L01配置為發(fā)射模式（置PWR_UP為1，PWR_RX為0），把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序分別由SPI口寫入NRF24L01緩存區(qū)，當(dāng)CSN為0時(shí)，可以將TX_PLD連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入一次即可;然后CE置為1并保持至少10 μs后，再延遲130 μs后開始發(fā)射數(shù)據(jù)，等發(fā)射成功時(shí)，進(jìn)入空閑模式，從而實(shí)現(xiàn)STM32F407與安卓上位機(jī)之間的無線（WiFi）數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的連接與操作。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊圖如圖4所示。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

首先，在主函數(shù)中對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化程序設(shè)計(jì)，分別為：I/O口初始化、SPI初始化、ADC初始化及NRF24L01初始化等。然后創(chuàng)建系統(tǒng)的主任務(wù)，主要是三個(gè)子任務(wù)，分別為：采集函數(shù)子任務(wù)、接口驅(qū)動(dòng)函數(shù)子任務(wù)及通信協(xié)議子任務(wù)。其中，數(shù)據(jù)采集函數(shù)需要完成對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及處理等任務(wù);接口驅(qū)動(dòng)函數(shù)需要完成各個(gè)設(shè)備模塊間的數(shù)據(jù)傳輸與互通任務(wù);通信協(xié)議用來完成微處理器模塊與上位機(jī)之間的無線通信任務(wù)。具體的軟件系統(tǒng)分塊圖如圖5所示。

3.2 ?信號(hào)采集數(shù)據(jù)處理

在水泵運(yùn)行過程中，考慮無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的轉(zhuǎn)輸速度比振動(dòng)采集模塊的采樣率慢，為了有效解決兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸速度矛盾，解決方案是微處理器模塊控制信號(hào)采集模塊按時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)，設(shè)置無線數(shù)據(jù)傳輸模塊按時(shí)發(fā)送處理結(jié)果。

采集振動(dòng)信號(hào)方式如下：設(shè)置STM32F407的定時(shí)時(shí)鐘TIM3，采用定時(shí)中斷方式來確定采樣時(shí)間，具體是1 s進(jìn)行100次中斷，進(jìn)行1次中斷可以采集1 024個(gè)數(shù)據(jù)，即采集頻率約為1 MHz，求X，Y，Z三個(gè)方向100個(gè)數(shù)據(jù)的位移峰峰值XXK，YXK，ZXK。

采用均方根來表征信號(hào)的平均強(qiáng)度，為更好地分析在各個(gè)流量下振動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定情況，X，Y，Z三個(gè)方向的均方根TrmsX，TrmsY，TrmsZ表達(dá)式為：

振動(dòng)烈度值Trms為X，Y，Z三個(gè)方向的均方根TrmsX，TrmsY，TrmsZ的最大值，當(dāng)振動(dòng)烈度值Trms≤0.71，代表葉片泵運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良;當(dāng)振動(dòng)烈度值0.714.5，代表葉片泵運(yùn)行狀態(tài)不合格，應(yīng)馬上停止運(yùn)行，對(duì)泵進(jìn)行安全檢查。

3.3 ?安卓上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安卓上位機(jī)客戶端界面的設(shè)計(jì)主要是由安卓布局與組件間的協(xié)作來完成的。在上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)中，控制界面通過線性布局方式來布置，主要包括位移峰峰值和振動(dòng)烈度值兩個(gè)文本控件，在線和離線兩個(gè)Button控件。在位移峰峰值和振動(dòng)烈度值兩個(gè)文本控件后分別有一個(gè)顯示數(shù)值的文本控件，此文本控件就是安卓上位機(jī)接收到來自無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移峰峰值和振動(dòng)烈度值的更新，從而達(dá)到實(shí)時(shí)更新顯示水泵振動(dòng)狀態(tài)的目的。另外，控制界面中在線和離線兩個(gè)Button控件分別代表兩種工作模式，即在線表示正常工作，離線表示關(guān)閉系統(tǒng)。在安卓上位機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)中，指令的下發(fā)是通過點(diǎn)擊事件監(jiān)聽函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。首先需要對(duì)軟件中監(jiān)聽函數(shù)進(jìn)行定義，設(shè)置按鈕按下作為一個(gè)開始指令時(shí)，安卓上位機(jī)的界面執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，被點(diǎn)擊的文本控件做出響應(yīng)。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)是由以下幾個(gè)主要部分組成：真空泵，進(jìn)出口不銹鋼管內(nèi)徑分別為65 mm和50 mm的壓力罐、穩(wěn)壓罐，用于連接不同口徑部件的變徑管、控制閥，NKG65?50?125/139型單級(jí)單吸離心泵，以及一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)泵的設(shè)計(jì)流量為50 m3/h，最大流量為72 m3/h，試驗(yàn)分別采集15個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖6所示。

4.1 ?有線振動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的有線振動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采集信號(hào)模塊的傳感器選用PCB352A60型壓電式加速度傳感器，將其通過螺栓連接安置于試驗(yàn)臺(tái)泵的軸承座處;然后將傳感器的輸出端與電荷放大器的輸入端相連;再經(jīng)過電荷放大器的調(diào)理將輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡NI?USB6343對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，通過USB端口傳輸至上位機(jī);最后通過上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)值進(jìn)行處理分析，并顯示出水泵實(shí)時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。水泵的振動(dòng)信號(hào)的位移峰峰值和振動(dòng)烈度值見圖7和圖8。

4.2 ?無線振動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

無線振動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是泵的軸承座處，放置的位置與有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中安置位置保持一致，并將其固定后，確定無線數(shù)據(jù)傳輸模塊加入WiFi網(wǎng)絡(luò)后，再設(shè)置合適的參數(shù)并登錄安卓上位機(jī)系統(tǒng)，然后點(diǎn)擊界面上的“開始傳輸”，即安卓上位機(jī)可以對(duì)水泵的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。安卓上位機(jī)的監(jiān)控界面將顯示接收到的位移峰峰值和振動(dòng)烈度值，如圖9和圖10所示。

5 ?結(jié) ?論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，可得到結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的無線振動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的位移峰峰值與振動(dòng)烈度值的數(shù)值變化趨勢(shì)呈隨著流量的增大而逐漸減小趨勢(shì)，與傳統(tǒng)的有線振動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的變化趨勢(shì)一致。在數(shù)值上，無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)數(shù)值普遍略小于有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，原因如下：

1） 有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾因素比較多，外部環(huán)境對(duì)傳感器采樣的干擾和線纜破損等。

2） 有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的數(shù)目比無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)少，導(dǎo)致有線監(jiān)測(cè)的結(jié)果普遍略大于有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

所以本設(shè)計(jì)的無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以滿足對(duì)水泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，并可替代傳統(tǒng)的有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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