基于WSN技術(shù)的離心泵群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金維鑫，孫 鐵，張素香，孟慶娟

（1．遼寧石油化工大學(xué) 遼寧 撫順 113001；2．撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧 撫順 113122）

基于WSN技術(shù)的離心泵群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金維鑫1，孫 鐵1，張素香1，孟慶娟2

（1．遼寧石油化工大學(xué) 遼寧 撫順 113001；2．撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧 撫順 113122）

針對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)智能化監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化水平低等問題，本文采用了基于zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)技術(shù)（wireless sensor network，WSN）設(shè)計(jì)了離心泵群安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機(jī)、zigbee模塊、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)組成。通過溫度、振動(dòng)傳感器檢測(cè)泵的軸溫及振動(dòng)參數(shù)，經(jīng)由zigbee網(wǎng)絡(luò)將該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)打包實(shí)時(shí)的發(fā)送到上位機(jī)。所監(jiān)測(cè)到的參數(shù)一旦超出上位機(jī)所設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出異常警報(bào)。試驗(yàn)說明該系統(tǒng)自動(dòng)化水平高，誤差小，能有效的判斷泵的異常情況，為泵的智能監(jiān)控提供了一定基礎(chǔ)。

WSN；泵監(jiān)測(cè)；振動(dòng)；Zigbee

當(dāng)今社會(huì)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)將被更廣泛的應(yīng)用［1-2］。石化生產(chǎn)過程中的安全監(jiān)測(cè)是必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)于生產(chǎn)地域分散，地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣、旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)一般是通過現(xiàn)場(chǎng)總線方式或工業(yè)以太網(wǎng)的方式，但這兩種方式都有連線復(fù)雜、布線繁瑣，維護(hù)成本高等缺點(diǎn)［3］。為此提出基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。Zigbee是一種無線組網(wǎng)通信技術(shù)［4］，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)［5］，且其具有低功耗、低成本等特點(diǎn)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器相結(jié)合組成無線網(wǎng)絡(luò)，不僅彌補(bǔ)了有線網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)和不足，還為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)離心泵群的智能監(jiān)測(cè)提供了無線鏈路及靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析及處理變得更加靈活高效，大大地節(jié)省了監(jiān)測(cè)成本，該系統(tǒng)通過對(duì)泵振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理能夠確定故障原因［6］。該系統(tǒng)可以成為泵參數(shù)安全監(jiān)測(cè)的重要組成部分。

1　泵監(jiān)測(cè)控制方案

1.1傳輸協(xié)議構(gòu)架

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802．15．4通訊協(xié)議的無線傳輸技術(shù)［7］，該網(wǎng)絡(luò)是在無須注冊(cè)的免費(fèi)的2．4 GHz的頻段上工作的，在2．4 GHz頻率上每隔5 MHz為一個(gè)信道，在該頻段上共定義了16個(gè)信道。數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbit/s～10Mbit/s，傳輸距離為10～75 m。相對(duì)于其他通信標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee協(xié)議結(jié)構(gòu)更加緊湊，其包括IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層（PHY）、媒體介入層（MAC），及Zigbee聯(lián)盟定義的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APP），應(yīng)用層又包括應(yīng)用支持子層（APS）、Zigbee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象等，而我們對(duì)于無線模塊編程主要是在應(yīng)用層（APP）上進(jìn)行。

為了防止無線信號(hào)傳輸不穩(wěn)定甚至是傳輸系統(tǒng)崩潰等問題，該無線傳輸終端地址不采用自主隨機(jī)分配短地址而是提前分配好地址。

1.2泵智能監(jiān)測(cè)總體設(shè)計(jì)方案

離心泵群智能監(jiān)測(cè)及控制方案應(yīng)該遵循Zigbee協(xié)議，及安裝簡(jiǎn)便等原則，將Zigbee終端節(jié)點(diǎn)模塊上的溫度傳感器安裝在泵的轉(zhuǎn)子軸上測(cè)量軸溫，將振動(dòng)傳感器分別安裝在轉(zhuǎn)子的徑向，切向及軸向3個(gè)方向來測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況。泵安裝終端節(jié)點(diǎn)模塊通過ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)微處理器與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊的信息交互。協(xié)調(diào)器處理終端傳來數(shù)據(jù)然后再將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行控制。基本方案流程如圖1所示。

圖1　離心泵群監(jiān)測(cè)方案流程圖Fig．1　Flow chart of the centrifugal pump group monitoring program

2　無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用的都是工業(yè)級(jí)的zigbee節(jié)點(diǎn)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件是以內(nèi)核作為控制中心，同時(shí)由溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、無線通信模塊CC2530、ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電池管理單元等組成。

每個(gè)無線通信節(jié)點(diǎn)都有唯一的通信地址，通過八位撥號(hào)開關(guān)來進(jìn)行設(shè)置。無線通信模塊的核心是CC2530射頻發(fā)射器，它是一款適用于Zigbee產(chǎn)品的無線射頻器件，該收發(fā)器兼容IEEE802．15．4，另外還提供MCU和無線設(shè)備之間的接口，使得可以發(fā)送命令，自動(dòng)操作，讀取狀態(tài)和確定無線設(shè)備事件順序。工作在免費(fèi)的2．4 GHz頻段上，具有工作電壓低，能耗小，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

單片機(jī)8051是負(fù)責(zé)處理協(xié)調(diào)各模塊之間的工作與通信模塊CC2530的串口連接，訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器及寄存器，支持250kbps的數(shù)據(jù)傳輸率，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信也可以實(shí)現(xiàn)廣播通信，可以快速組網(wǎng)。芯片引腳P0．1與數(shù)字溫度傳感器DS18B20（防水型）相連，同時(shí)芯片引腳P0．2與加速度傳感器ADXL345直接相連，ADXL345加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍是1 Hz～10 kHz，最大測(cè)量范圍為100 g。這些參數(shù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)傳到中央芯片進(jìn)行處理打包傳到上位機(jī)。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)是在IAR Embedded Workbench的環(huán)境下對(duì)于Zigbee技術(shù)進(jìn)行集成開發(fā)的，該開發(fā)環(huán)境具有簡(jiǎn)單明了、結(jié)構(gòu)清晰等特點(diǎn)，是高效的IAR C/C++編譯器。下位機(jī)主要有3類無線模塊，包括無線協(xié)調(diào)器模塊、無線路由器模塊、無線終端模塊。其中無線協(xié)調(diào)器模塊是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心部分，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，無線協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)自組織協(xié)議，其他路由模塊可按照協(xié)議加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，并且將其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)都是通過組網(wǎng)然后傳到無線協(xié)調(diào)器上。無線協(xié)調(diào)器模塊的廣播也需要進(jìn)行設(shè)置，其主要代碼：

無線協(xié)調(diào)器模塊在監(jiān)聽到本地計(jì)算機(jī)消息的同時(shí)還要監(jiān)聽無線路由模塊的消息，無線路由器模塊一旦接收到數(shù)據(jù)，就會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給無線協(xié)調(diào)器。由于本設(shè)計(jì)采用了十二個(gè)無線路由模塊，所以協(xié)調(diào)器模塊在監(jiān)聽無線路由模塊時(shí)還需要進(jìn)行地址解析，判斷數(shù)據(jù)從哪個(gè)路由模塊傳來的，接收到之后再將數(shù)據(jù)編碼發(fā)送給計(jì)算機(jī)，這樣無線協(xié)調(diào)器模塊就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向流通。對(duì)無限監(jiān)聽模塊的地址解析主要代碼是

無線協(xié)調(diào)器模塊通過RS232串口與本地上位機(jī)連接，本實(shí)驗(yàn)是通過USB轉(zhuǎn)串口工具連接的，通過USB轉(zhuǎn)串口傳到上位機(jī)上顯示，同時(shí)無線協(xié)調(diào)器模塊還能負(fù)責(zé)將上位機(jī)的命令消息轉(zhuǎn)發(fā)給無線路由模塊。其主要代碼：

無線路由模塊就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)連接，這部分的功能主要由ZigBee協(xié)議來完成。當(dāng)無線路由模塊直接與傳感器相連時(shí)它就成了無線終端模塊，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面設(shè)計(jì)是在VC++6．0的環(huán)境中進(jìn)行編譯開發(fā)的，通過VC++利用MFC設(shè)計(jì)而成。上位機(jī)的功能主要是顯示泵的軸溫度，振動(dòng)烈度等參數(shù)，同時(shí)為用戶提供控件，用戶可使用控件開啟傳輸串口，關(guān)閉串口。溫度和振動(dòng)烈度的監(jiān)測(cè)是自動(dòng)的，當(dāng)軸溫度和振動(dòng)烈度任何一個(gè)值超過我所設(shè)置的上下限時(shí)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警關(guān)閉工作泵。是否自動(dòng)報(bào)警也是用戶通過按鈕控件控制的。具體操作界面及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖2所示，數(shù)據(jù)是否能夠傳輸主要取決于串口正確接收到下位機(jī)中協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，其主要是對(duì)波特率以及信號(hào)發(fā)送格式的設(shè)置，其主要代碼如下：

圖2　上位機(jī)界面圖Fig．2　Interface chart of the PC

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

泵在不同的工況下，離心泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與振動(dòng)測(cè)試儀采集數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)誤差分析表Tab.1　Analysis of the data error

從表1中的對(duì)比誤差分析可以知道，離心泵的在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)與振動(dòng)測(cè)試儀所采集的數(shù)據(jù)誤差在4%以內(nèi)，基本滿足工程上的要求。

表2　泵在不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)Tab.2　Data of pump under different status

從表2中可以看出，泵在轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心，口環(huán)摩擦嚴(yán)重時(shí)，泵的軸向振動(dòng)相對(duì)于正常情況下的振動(dòng)無大的變化，徑向的振動(dòng)較正常狀態(tài)下有小幅增加，而切向的振動(dòng)較正常狀態(tài)下有明顯的增加。同時(shí)口環(huán)摩擦及轉(zhuǎn)子偏心時(shí)溫度增加明顯。本次試驗(yàn)振動(dòng)的正常烈度為1．8 mm/s以內(nèi)，正常溫度不超過60℃，對(duì)泵軸3個(gè)方向測(cè)試數(shù)值任何一個(gè)超過該閾值或泵軸的溫度超過閾值，就認(rèn)為離心泵就存在故障，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警同時(shí)關(guān)停泵，能夠達(dá)到自動(dòng)控制。

5　結(jié)　論

文中的離心泵檢測(cè)系統(tǒng)基于無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，利用IAR和Microsoft Visual C++6．0設(shè)計(jì)開發(fā)監(jiān)控軟件，系統(tǒng)具有可靠性，穩(wěn)定性及可移植性，省去了現(xiàn)場(chǎng)布線的麻煩，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架模擬泵測(cè)試分析可知對(duì)泵的振動(dòng)參數(shù)及軸溫的監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)泵的異常狀態(tài)的鑒別并且給予有效地反饋措施，為泵的無線故障監(jiān)測(cè)提供了有效手段。

［1］鄭凱．基于zigbee無線傳感器技術(shù)的心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的研究［D］．吉林：吉林大學(xué)，2008．

［2］韓賓，黃玉清．基于藍(lán)牙的機(jī)器人傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］．通信技術(shù)，2008，41（6）:164-166．

［3］賀才軍，方厚輝，管于球，等．ZigBee技術(shù)在工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用［J］．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（5）:179-182．

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［5］Shizhong Chen，Jinmei Yao，Yuhou Wu．Analysis of the Power Consumption for Wireless Sensor Network Node Based on Zigbee［C］．Procedia Engineering，2012：1994-1998．

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［7］凌志浩，周怡颋，鄭麗國(guó)．ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究［J］．華東理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，32（7）：801-805．

The design of the centrifugal pump group of monitoring system based on WSN

JIN Wei-xin1，SUN Tie1，ZHANG Su-xiang1，MENG Qing-juan2
（1．Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China；2．Fushun Vocational Technical Institute，F(xiàn)ushun 113122，China）

In view of the traditional industrial intelligent monitoring and low automation level，this paper designs pump group safety monitoring system of wireless sensor network（WSN）based on zigbee technology．zigbee module，temperature sensor，vibration sensor nodes are consisted in the system of PC．By temperature and vibration sensors，pump shaft temperature and vibration parameters is sent to PC through the zigbee network node data real-time packaging．when the parameter detected is out threshold of setting in my PC，the system will send out abnormal alarm．Experiments show that the system has high automation level，small error，the anomalies of the judgment of the pump effectively，providing a basis for intelligent monitoring of the pump．

WSN；pump monitoring；vibration；Zigbee

TN92

A

1674－6236（2016）02-0055-03

2015-03-06稿件編號(hào)：201503088

中國(guó)石油化工股份有限公司科技公關(guān)項(xiàng)目（311084）

金維鑫（1989—），男，遼寧撫順人，碩士。研究方向：石化設(shè)備安全研究。