基于無(wú)線通信的電廠設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

【摘要】文章提出了一種基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的電廠設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。分析了傳統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)有線傳輸方式的不足和ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電廠設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上完成了傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì).此外文章還重點(diǎn)論述了電廠設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思路，并分別詳細(xì)介紹了該診斷系統(tǒng)中兩大功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)方案。

【關(guān)鍵詞】ZigBee無(wú)線通信技術(shù)；電廠設(shè)備；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷

隨著網(wǎng)絡(luò)科技的迅猛發(fā)展，電廠日常運(yùn)行維護(hù)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)要求更高。當(dāng)前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)已經(jīng)不能滿足電廠安全可靠經(jīng)濟(jì)越來(lái)越高的要求。目前，電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般采用較為成熟的有線通信方式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將傳感器安裝到帶監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量點(diǎn)采集所需數(shù)據(jù)，并將所采數(shù)據(jù)通過(guò)電纜等有線方式傳輸給監(jiān)控中進(jìn)行分析處理，該有線通信容易受到諸如安裝場(chǎng)所和維修等方面的限制，不能保證補(bǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、完整性以及可靠性，限制了電廠設(shè)備的實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)代監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于無(wú)線通信技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行無(wú)線通信，將有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保證電廠的高效經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)。

1.無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)線通信時(shí)利用電磁波信號(hào)能夠在自由空間傳播的特性交換信息的通信方式。無(wú)線通信具有移動(dòng)性、廣播性和共享性等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線通信的范圍極為廣泛，因此無(wú)線通信系統(tǒng)也有不同分類[1]。

ZigBee是新興的近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低復(fù)雜度、低成本以及高安全性的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一些短距離、復(fù)雜場(chǎng)合的參數(shù)采集以及實(shí)時(shí)跟蹤定位。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)主要有傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器組成，其中協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)信息傳輸、任務(wù)調(diào)度、電源監(jiān)測(cè)以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度管理等工作[2]。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分為主節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)三個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，這些特點(diǎn)使得ZigBee技術(shù)極其適合于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，起到短距離的無(wú)線接連的功能。在電廠設(shè)備故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)有著顯著優(yōu)勢(shì)[3]。

2.前端數(shù)據(jù)采集模塊

電廠設(shè)備故障診斷系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及故障診斷系統(tǒng)三部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)發(fā)送部分組成，實(shí)時(shí)采集電廠設(shè)備的各部分運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線模塊構(gòu)成，實(shí)時(shí)將電廠設(shè)備各種工況數(shù)據(jù)無(wú)線通信傳輸給上位機(jī)進(jìn)行故障診斷；上位利用提前建立的故障診斷軟件對(duì)電廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)以及故障診斷，并顯示出動(dòng)態(tài)圖形。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中存放著當(dāng)前檢測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及在線故障診斷。

（1）傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分是由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊以及能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊功能主要是：監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊功能為控制傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理所采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊功能是與其他傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線傳輸通信，交換控制信息以及收發(fā)采集的數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的能量，一般情況下該能量模塊采用微型電池供電。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（2）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控中心，利用故障診斷系統(tǒng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，診斷故障并判別故障類型。

（3）傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程

傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，選擇Metr-werks公司的Code Warrior作為系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用串口通信模式，數(shù)據(jù)的收發(fā)利用傳輸中斷方式完成。數(shù)據(jù)的傳輸采用主從節(jié)點(diǎn)方式，采用USB借口與PC機(jī)通信，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送中斷請(qǐng)求。主節(jié)點(diǎn)的功能：發(fā)送接收本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；接收處理并轉(zhuǎn)發(fā)從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)一般情況下都處于休眠，當(dāng)有中斷請(qǐng)求的時(shí)候才被激活并進(jìn)行工作。節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖2所示：

3.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

電廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修的首要問(wèn)題設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)與診斷，換言之，沒(méi)有成熟的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)就沒(méi)有真正的運(yùn)行狀態(tài)檢修。在設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷過(guò)程中，監(jiān)測(cè)是采集設(shè)備各種工況數(shù)據(jù)的過(guò)程，診斷是判斷比較采集的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值或者經(jīng)驗(yàn)值的過(guò)程，監(jiān)測(cè)與診斷是掌握設(shè)備的性能和健康狀況的過(guò)程，可以通過(guò)以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：建立完善的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；合理進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)診斷。其中靜態(tài)診斷主要是針對(duì)機(jī)組停止運(yùn)行后，進(jìn)行的諸如大修標(biāo)準(zhǔn)檢查、管壁厚度測(cè)量、葉片靜頻測(cè)試、軸承磨損檢查、無(wú)損探傷、水垢化學(xué)分析以及材料性能檢查的預(yù)期性檢查項(xiàng)目，動(dòng)態(tài)診斷是電廠設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)在線、離線的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或者人的直觀判斷，獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的過(guò)程，例如：絕緣過(guò)程在線監(jiān)測(cè)、紅外溫度監(jiān)測(cè)、溫度在線監(jiān)測(cè)、四管爆漏在線監(jiān)測(cè)、振動(dòng)離線和在線監(jiān)測(cè)、油液離線和在線監(jiān)測(cè)以及點(diǎn)檢管理系統(tǒng)[4]。系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)、狀態(tài)分析和預(yù)測(cè)狀態(tài)變化趨勢(shì)以及診斷判別故障類型和原因。監(jiān)測(cè)和診斷電廠設(shè)備過(guò)程中，往往可以依據(jù)多方面判別設(shè)備是否運(yùn)行正常，像邏輯框圖、國(guó)家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)定值以及設(shè)備運(yùn)行規(guī)程等各種依據(jù)。因此實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的關(guān)鍵是建立設(shè)備管理規(guī)范和可靠的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。

電廠設(shè)備幾乎都是復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，由于工作環(huán)境和使用壽命的限制，電廠設(shè)備中的部件不可避免會(huì)出現(xiàn)一些故障，這些故障常常表現(xiàn)為強(qiáng)烈的非線性、非Gauss以及非平穩(wěn)性，而且常常會(huì)并發(fā)多種故障。故障診斷模塊不僅包含傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析方法，而且有現(xiàn)代的非平穩(wěn)信號(hào)處理技術(shù)，為非平穩(wěn)故障的診斷提供了強(qiáng)有力的工具。狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)結(jié)合建立設(shè)備專家統(tǒng)知識(shí)庫(kù)和故障診斷軟件，該軟件具有強(qiáng)大的信號(hào)分析能力，從時(shí)頻域、幅值域等角度提供直觀圖譜，通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析處理實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與故障診斷，并顯示動(dòng)態(tài)圖形。

4.結(jié)論

電廠設(shè)備的自動(dòng)化程度和故障診斷能力直接影響了電廠的經(jīng)濟(jì)效益，因此提高設(shè)備的監(jiān)控水平特別重要。ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信技術(shù)作為無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)，具有部署速度快、監(jiān)測(cè)精度高、覆蓋區(qū)域大等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的解決有線傳輸?shù)囊幌盗袉?wèn)題。將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到電廠設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷，能夠很好的提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]孫偉.基于無(wú)線通信的數(shù)據(jù)采集及故障診斷系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010（1）：5-8.

[2]盛平，王玉秀，郭洋洋，王雷強(qiáng).基于ZigBee和3G的多污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2011（29）：504-505.

[3]劉濤濤，潘宏俠，姜旭剛.基于ZigBee技術(shù)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2013（10）：240-242.

[4]石峰.基于可靠性和成本的熱電廠設(shè)備檢修管理的研究[D].2012（5）：11-17.

作者簡(jiǎn)介：尚振宏（1974—），男，山西萬(wàn)榮人，大學(xué)本科，中級(jí)工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。