無線傳輸技術在工業測振中的應用和發展

賴為民，佘啟軍，郝 倩 ，鄭建新，錢國義，成 兵

（1.武漢鋼鐵股份有限公司，湖北 武 漢 4 30080；2.北京工業大學，北京 1 00124；3.武漢昊海立德科技有限公司，湖北 武 漢 4 30080；4.武漢蜂網科技公司，湖北 武 漢 4 30083）

一、應用現狀

目前國內開發的無線傳輸系統有兩個顯著特點：第一，采用無線短程網采集數據，再通過無線網絡及有線網絡的網關送入上位計算機存儲和處理；第二，針對一臺設備只要設一個數據采集節點，生產現場即使有很多設備同時作業，只要每臺設備設一個采集終端，所有數據都能夠經由部署在生產現場的無線網絡的路由節點和協調器及網關節點，可靠地送入計算機。而無線網絡又分為兩個層面：現場網絡和工廠網絡。現場網絡包括測量儀表和控制設備，工廠網絡則包括移動終端、人員設備跟蹤設備、移動通信工具、視頻監控等。在無線工廠網絡中，用戶可以通過無線移動終端來訪問控制設備管理信息。使用跟蹤設備還可以對工作人員和設備進行無線定位，工作安全性得以提高。在無線工廠網絡中，一般使用的是工業WiFi技術。在無線現場網絡中，一般使用WirelessHART技術、ZigBee技術。現場的無線設備組成一個自組織網絡，設備之間的通信可以自由選擇路徑，設備數量可以任意擴展。

無線測振系統的設計采用了ZigBee通信模塊，并配置成mesh網絡拓撲結構，每個測振儀在網絡中就等同于一個網絡節點，既可作為網絡的終端節點，也能作為網絡的路由中繼節點。網絡存在ZigBee主控節點，并與控制中心的PC機或工控機連接，轉發發送控制采集命令給測振儀，接收各測振儀送回的振動數據信息，對此進行分析和處理，從而實現無線網絡的遠程振動信息監控。武鋼冷軋總廠現采用該類無線測振技術對電機的狀況進行檢測并取得良好效果。安裝工程只需幾天，就可以連續提供精確的振動數據，測振裝置可對機械設備進行振動監測，并經由無線網絡進行數據傳輸，將測量數據傳送到上位機中分析軟件進行分析和處理，預先發現和確定問題所在，以適時安排維護工作。

二、工廠中無線技術的應用領域

無線技術在工廠中的應用范圍很廣，它可以幫助用戶解決很多實際問題，如延長設備使用壽命、優化工藝裝置效率、減少維護工作量和滿足安全及環保要求等。

1.延長設備壽命。設備故障和相關的維護工作既費時又費錢，同時也影響工廠的產量和效率。故障不及時排除也將縮短設備使用壽命。無線技術可以有效監測這些設備，省去繁瑣的布線工作，有效延長設備壽命。

2.優化工藝裝置的效率。很多工藝設備現在都缺乏有效監測，帶故障運行會降低生產效率。無線方案以經濟的方式提供額外的測量數據，對這些設備進行有效的在線監測，以提高生產效率。這些測量點包括以前無法實現的測量點，如在移動或旋轉設備上的測量點，或是在危險場合的測量點。

3.減少維護工作量。大多數工廠仍然采用被動式的維護方式，無線測振方案可以對設備進行在線監測，用戶只需對有故障預警的設備進行及時維護，真正實現預測性和前瞻性維護。

三、測量系統實現

1.解決問題的必要條件。解決問題的必要條件是開發具有無線數據傳輸功能的嵌入式數采器和規劃實用的遠程診斷系統，采用明晰、合理的系統結構。常見系統結構如圖1、2所示。

圖1 樹形網絡

圖2 星形網絡

一個ZigBee個人局域網（PAN）包括一個協調器、一個或多個終端設備。每個網絡中必須要有一個協調器，它是整個網絡的中心，負責網絡的維護和協調；路由器負責網絡中數據包的路由選擇，并用來拓展網絡范圍；終端設備是實現具體功能的單元。在無線測振系統中通常是加速度及位移傳感器。

2.從節點硬件設計。從節點作為傳感器節點是振動測量的基本單元，主要完成對監控設備的速度、加速度信號的測量。從節點的結構框圖見圖3。

3.無線傳輸電路。圖4采用的是美國某公司的XBee-PRO2ZigBeeOEM無線射頻模塊，它具有部署快、接口簡單、擴展性強和功耗低等優點。

4.系統軟件設計。軟件設計分為主節點與從節點兩部分，具體軟件流程如圖5所示。主節點的任務通過基于VB/LabVIEW等開發環境開發的上位機操作界面完成，主要完成兩部分內容：（1）網絡初始化與通信鏈路的建立，這部分工作主要由開發上位機在底層完成。搜索成功可以搜集網絡節點信息，包括節點狀態和網絡地址等；（2）網絡成功建立后，用戶可以發出監測指令，選擇目的從節點，啟動速度、加速度測量，操作界面實時顯示測量數據與監測時間。測量間隔根據具體要求進行設定，即主節點定時發送速度加速度測量指令，啟動定時測量。主節點的軟件流程如圖5a所示。從節點的軟件流程如圖5b所示，從節點主要完成指令接收，讀取速度、加速度傳感器數據并記錄測量時間。數據采集需要單片機嚴格按照讀取時序操作，以確保數據可靠準確。數據采集后單片機一方面送液晶屏幕實時顯示，另一方面通過監測網絡傳送給主節點。由此實現了對目標區域的無線速度、加速度實時監測。

四、工業標準——WirelessHARTTM

到目前為止，世界上只有WirelessHART是已經正式發布的適合于過程控制行業使用的無線國際標準。該標準具有以下特點。

1.自組織、自適應網狀結構。它不要求用戶具有無線技術方面的專門知識，設備在網中會自動查找最佳的通信路徑；網絡具有連續監視通信路徑的功能，當某個節點通信性能下降時，它能自行修復；網絡具有自適應功能，無需人員干預就可以可靠運行，網絡的擴展和重組能力強；支持星形和網狀拓撲結構。

2.符合工業標準，帶信道跳頻。它符合IEEE 802.15.4無線標準；采用2.4GHz通用頻率，可細分成16信道；信道間可以連續跳頻，避免干擾和提高可靠性；增加了擴展跳頻〔FHSS〕技術，具有極高的可靠性。

3.具有自修復功能。如果網狀網絡出現障礙，設備將自動尋找其他最佳替換通信路徑，創建新的通信路徑以保證信息暢通。

4.與現有主機系統可以實現無縫連接。網關和主機控制系統的集成是透明和無縫的；主機控制系統無需升級和特別軟件；網關的接入采用標準的接口協議。

五、結束語

基于無線網絡技術的測振系統可同時對多個區域進行監測，而且開發成本較低，性價比高，安裝維護簡單，只需安裝一次就可以進行長期的監測工作，因而具有傳統監測系統所不具備的優勢。能較好地解決傳統測振監測系統中存在的布線搬遷等問題，非常適用于復雜工業現場環境的參數監測應用。總之，采用無線傳感器網絡進行設備振動檢測，無需布線、節省安裝時間和安裝費用，可大大提高檢測效率，具有很好的應用前景。

在無線測振技術的工業應用上，目前國內外都在探索適合當前無線技術發展狀況，又能實現無線技術特點的應用。設備振動狀態監控中無線技術大有可用之處。在使用電纜相當費時費錢或工業現場比較復雜惡劣的場合可方便地利用無線技術替代常規方法，無線傳感器及其網絡系統由于其小型化、集成化、低維修費用、少安裝時間等特點而成為近年來結構健康監測系統的研究熱點。如監控旋轉機械設備或移動機械設備內的某些參數時，利用無線傳輸可避免采用不可靠的滑環接觸傳輸信號；在沒有可供電纜敷設的地方，或是距離較長而檢測點很分散的地方，無線傳輸的解決方案既節省費用，又能快捷地實現。

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