NB-IoT 技術(shù)在無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用

倪秋華，張華芳，高 偉，王 超，張舒麒

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

由于機(jī)械設(shè)備在役狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在保障機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行方面有著重要作用，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的升級(jí)日益受到行業(yè)的重視，尤其對(duì)反映各重大設(shè)備復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)信息的振動(dòng)信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外已先后推出過(guò)上百種在線的分布式和網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)融合4G 通信技術(shù)的應(yīng)用已在電力行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域悄然興起[2]。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下能夠?qū)⒋髷?shù)據(jù)技術(shù)、區(qū)塊鏈、人工智能密切地關(guān)聯(lián)在一起。作為3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）在2014 年開(kāi)始推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)的成果，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）[3]具有強(qiáng)鏈接、高覆蓋、低功耗、低成本等特點(diǎn)，同時(shí)可以靈活應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)低速業(yè)務(wù)，發(fā)展前景廣闊。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的不足，有機(jī)結(jié)合NB-IoT 無(wú)線傳輸技術(shù)與工業(yè)級(jí)加速度傳感檢測(cè)技術(shù)，打造了基于NB-IoT 技術(shù)的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠有效解決數(shù)據(jù)傳輸連接受限、信號(hào)覆蓋有限、運(yùn)維成本高[4]等不足，具有諸多優(yōu)勢(shì)[5]。

1 總體方案

該系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端（硬件）和軟件系統(tǒng)兩大部分組成（圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成

（1）監(jiān)測(cè)終端包括微控制器、采集模塊（A/D 轉(zhuǎn)換及預(yù)處理電路）、電源模塊、時(shí)鐘模塊、通信模塊和加速度傳感器等。微控制器作為終端的“大腦”，負(fù)責(zé)終端系統(tǒng)的邏輯控制與運(yùn)算，同時(shí)與采集模塊、通信模塊、電源模塊及時(shí)鐘模塊相連接，將各模塊有機(jī)組合成一個(gè)整體。

（2）軟件系統(tǒng)則基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)搭建，先由工業(yè)級(jí)加速度傳感器采集機(jī)械設(shè)備對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)并經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換和預(yù)處理后，微控制器轉(zhuǎn)由無(wú)線通信模塊將采集到的振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)街付ǖ脑破脚_(tái)服務(wù)器，最終由云平臺(tái)存儲(chǔ)管理、信號(hào)處理及結(jié)果展示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 加速度傳感器

加速度計(jì)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最常用的振動(dòng)傳感器，其中壓電式加速度計(jì)的優(yōu)勢(shì)是噪聲低、頻率最高可達(dá)30 kHz；MEMS 電容式加速度計(jì)[6]頻率一般在20 kHz 左右，具有高精度、低溫度敏感系數(shù)、低功耗、寬動(dòng)態(tài)范圍、微機(jī)械結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)廣泛應(yīng)用。目前部分MEMS 加速度計(jì)已經(jīng)具有超低的噪聲和出色的溫度穩(wěn)定性，非常適合應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)控，不過(guò)受限于信號(hào)頻域帶寬，無(wú)法進(jìn)行更加深入的診斷分析。

雖然MEMS 傳感器在成本、尺寸、集成性和功耗等方面優(yōu)勢(shì)明顯，但壓電式加速度計(jì)的帶寬和噪聲性能明顯更優(yōu)，當(dāng)前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用更普遍。綜合考慮后，選用常規(guī)工業(yè)級(jí)加速度傳感器（靈敏度為100 mV/g），以便進(jìn)一步展開(kāi)振動(dòng)測(cè)試分析，同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)離線巡檢測(cè)試結(jié)果更兼容、更便于比較。

2.2 設(shè)計(jì)與選型

2.2.1 NB-IoT 收發(fā)模塊

（1）基于通信覆蓋范圍的考慮，相較于藍(lán)牙、ZigBee 等短距離通信技術(shù)，選擇移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

（2）基于硬件成本和技術(shù)先進(jìn)性的考慮，不選用LTE、4G、5G 技術(shù)、LoRa 技術(shù)和GPRS 技術(shù)，最終確定采用物聯(lián)網(wǎng)模塊NB-IoT。

（3）部分現(xiàn)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備有可能位置偏僻，考慮到當(dāng)前中國(guó)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋是最廣泛、最穩(wěn)定的，所以選取中國(guó)移動(dòng)的NB-IoT 模組[7]。

（4）在物聯(lián)網(wǎng)模塊選型方面，具體元件則采用WH-NB73 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。該模塊硬件集成了基頻芯片、MAC、功率放大器和射頻收發(fā)單元，內(nèi)置超低功耗運(yùn)行機(jī)制，可以有效實(shí)現(xiàn)模塊的低功耗運(yùn)行。

2.2.2 采集模塊

（1）微控制器選用STM32L496VGT6，芯片數(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，芯片SRAM 空間大小為320 kB，1 Mflash。

（2）系統(tǒng)頻率為80 MHz，可進(jìn)入超低功耗模式，采用最新的半導(dǎo)體技術(shù)，待機(jī)電流達(dá)到nA 級(jí)。

（3）采用AD7606 經(jīng)典采集芯片，最高可支持8 路信號(hào)同步采集，AD 芯片具有16 位的分辨率，采樣精度高。該芯片采樣頻率高，讀寫(xiě)速度快、功耗低。

（4）采用同步AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的傳感器信號(hào)進(jìn)行同步采集，采集模塊的采樣頻率可選200 Hz、4000 Hz、8000 Hz、16 000 Hz、32 000 Hz。

2.2.3 電源電路

為了使產(chǎn)品的使用靈活多樣，無(wú)線系統(tǒng)中的電源具備3.3 V、±5 V、24 V 三種供電方式，并可提供IEPE 恒流供電，提供電池供電與外供電兩種供電接口。系統(tǒng)饋電后可直接對(duì)電池進(jìn)行充電，不需要進(jìn)行拆卸更換電池（圖2）。

圖2 電源系統(tǒng)

系統(tǒng)電源的特點(diǎn)有：①電路均采用uA 級(jí)的漏電流電壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高電池利用率；②系統(tǒng)休眠時(shí)電壓芯片可控制為關(guān)斷模式，設(shè)置了電池的充電狀態(tài)燈，進(jìn)入休眠模式后實(shí)測(cè)系統(tǒng)的電流為2.07 μA；③系統(tǒng)電池供電為2 節(jié)18650 鋰電池，電池容量為6800 mA·h，系統(tǒng)理論待機(jī)時(shí)間為32 850 h。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)峰值系統(tǒng)測(cè)試電流為248.4 mA，系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)送一次時(shí)間為12 s，整個(gè)系統(tǒng)可以發(fā)送8212 次。按4 h 發(fā)送一次波形，一次充滿電系統(tǒng)可以持續(xù)工作3.7 年。

3 系統(tǒng)運(yùn)用測(cè)試

3.1 系統(tǒng)平臺(tái)

系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用網(wǎng)絡(luò)B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）架構(gòu)開(kāi)發(fā)，采用積木化模塊式的結(jié)構(gòu)，軟件組成有程序、數(shù)據(jù)、文檔等。B/S 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，將數(shù)據(jù)分布到某個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，將程序分布到程序服務(wù)器或Web 服務(wù)器；客戶端只需要加載應(yīng)用服務(wù)器的部分程序，用于數(shù)據(jù)的顯示和命令輸入。Web 瀏覽器是客戶端最主要的應(yīng)用軟件，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和使用?？蛻魴C(jī)只要安裝有Google 或360 極速瀏覽器，就可以通過(guò)Web Server 同數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)庫(kù)則采用MySQL 開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)云平臺(tái)的監(jiān)測(cè)效果如圖3 所示。

圖3 云平臺(tái)監(jiān)測(cè)效果

3.2 運(yùn)用測(cè)試

3.2.1 精度測(cè)試

振動(dòng)篩VMC-606 提供了一個(gè)已知的和可控的振動(dòng)穩(wěn)定輸出，其最大負(fù)載振動(dòng)加速度計(jì)可重達(dá)150g 驗(yàn)證。試驗(yàn)先使用離線測(cè)振儀CSI2140 測(cè)試得到振動(dòng)篩的振動(dòng)；隨后運(yùn)用同樣的加速度傳感器和測(cè)試線纜接入基于NB-IoT 的振動(dòng)狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2022 年9 月21 日的測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖4 與圖5。

圖4 云平臺(tái)的振動(dòng)波譜圖

圖5 CSI2140 測(cè)試結(jié)果

離線測(cè)試儀CSI2140 測(cè)得振動(dòng)量值（加速度峰值）為0.565 76 g（即5.54 m/s2），頻率為159.24 Hz；而基于NB-IoT 的振動(dòng)狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的振動(dòng)量值（加速度峰值）為5.49 m/s2，頻率為159.5 Hz。根據(jù)監(jiān)測(cè)圖譜，兩者測(cè)試結(jié)果基本一致。

根據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程JJG 676—2019《測(cè)振儀》，配接加速度傳感器時(shí)幅值頻率響應(yīng)和幅值線性度最大允許誤差要求小于±5%，頻率最大允許誤差要求小于±0.5%。基于NB-IoT 的振動(dòng)狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)精度滿足要求。

3.2.2 歷史趨勢(shì)對(duì)照測(cè)試

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)某旋轉(zhuǎn)設(shè)備一個(gè)軸承座的振動(dòng)情況（水平方向H、垂直方向V、軸向A）進(jìn)行測(cè)試，使用工業(yè)級(jí)加速度傳感器，直接接入基于NB-IoT 的振動(dòng)狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以驗(yàn)證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。監(jiān)測(cè)對(duì)比表明，3 個(gè)方向的振動(dòng)趨勢(shì)一致，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果也一致，因此結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為一項(xiàng)新興的無(wú)線技術(shù)，NB-IoT 正大量應(yīng)用于新時(shí)代不同的工業(yè)和生活場(chǎng)景。基于NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)[8-10]的機(jī)械設(shè)備無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將工業(yè)級(jí)加速度傳感器檢測(cè)技術(shù)結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)信號(hào)采集和無(wú)線傳輸中，實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)多臺(tái)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)早期識(shí)別蠕變故障，保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)測(cè)試，精度滿足振動(dòng)計(jì)量檢定規(guī)程，歷史趨勢(shì)對(duì)照符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。