泵站機組軸承監測的無線傳感器網絡系統設計

王宏

（華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院，湖北武漢43000）

泵站機組軸承監測的無線傳感器網絡系統設計

王宏

（華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院，湖北武漢43000）

為提高同濟醫院中型泵站臥式機組水導軸承使用壽命，減少因軸承破損導致的異物壓入缺陷，分析扇形段軸承失效的原因，提出了樹形雙匯聚節點的分簇無線傳感器網絡總體拓撲結構，并在此基礎上對類節點進行硬件的選型與設計，完成了監測系統硬件平臺的搭建。

軸承；故障診斷；無線傳感器網絡

改造前同濟醫院泵站機組額定靜水頭為105.8 m，最大揚程130.4 m，軸承的額定轉速為200 r/min，水輪機主軸軸領處直徑φ1350 mm，主要參數線速度指標在立式機組中已屬高速。水泵是旋轉機械，轉子不平衡、不對中，部件的潤滑和密封等都會導致機組故障。磨損、腐蝕、疲勞、老化、汽蝕等失效形式，機組部件材料的性能、安裝質量和運行條件都可能是水泵機組及其關鍵部件故障的原因。軸承故障還具有潛在性、漸發性、耗損性、模糊性和多樣性等特性［1-2］。

軸承的故障診斷方法有很多，根據狀態信號的物理性質分主要有溫度法、振動法、油液分析法、油膜厚度分析法等。綜合分析以上各種診斷方法，基于振動信號采集的軸承故障診斷方法具有檢測早期故障的能力，同時該方法運用廣泛、處理方法成熟，因此，選擇振動信號作為軸承狀態監測的信號源［3］。本文設計的泵站機組軸承監測無線傳感器網絡系統旨在及早探測軸承可能存在的危險，實現對泵站運行的自動控制，保證機組運行的正常平穩。

1　需求分析與總體設計目標

對于軸承的故障狀態診斷，一般需對振動信號進行簡易診斷和精密診斷兩個層次的分析以便得出診斷結論。在已有的振動監測系統中，為了對設備的運行狀況進行分析需將能夠反應設備故障信息的全部振動信號進行分析，而機械振動信號的采集頻率較高（不低于1 kHz）、數據位數較長（為提高振動數據分辨率一般為12位以上），因此需要進行傳輸的數據量大。無線傳感器網絡在進行大數據量傳輸時容易造成節點能量消耗的提高、數據丟包率和誤碼率的增加以及傳輸時效性的降低［4］。

針對上述問題，旨在設計能夠適應軸承狀態監測與故障診斷的無線傳感器網絡系統，對于該系統的架構設計，需要在重點考慮各類節點的數據處理能力和傳輸能力的基礎上進行節點硬件設計和軟件設計。對于同濟醫院中型泵站臥式機組水導軸承無線振動監測系統的設計主要考慮以下幾個方面：

（1）穩定性

系統的穩定性主要體現在兩個方面：一是系統中各類節點硬件的穩定性。機械設備的工作環境往往比較惡劣，智能監測節點需要安裝在設備上，這就要求監測節點所選用的各個元器件都能夠在濕度大、溫度高、振動強的環境下正常工作。二是系統無線數據傳輸的穩定性，主要考慮在工業現場惡劣的射頻通訊環境下，容易導致數據包的丟失，同時由于振動信號數據量大，實時性高，對網絡的穩定性也有較高的要求。

（2）實時性

由于軸承狀態監測特別是重要位置軸承的狀態監測對實時性的要求很高，及時采集振動數據并對其進行處理、傳輸、形成診斷結論對狀態監測才有意義，因此系統在設計時需要提高監測的實時性，包括數據采集、處理和傳輸的實時性。

（3）微處理器性能

基于振動的狀態監測要求采集的頻率高、數據量大、實時性強，處理器需要處理的任務也相應增加。對于智能監測節點處理器而言，節點需要完成振動數據采集、振動信號的初步分析處理以及振動特征值或振動數據的無線傳輸等多項任務，對節點處理器的處理能力和存儲量提出了較高要求。

（4）信道容量

智能監測節點的采樣速率較高，一般不低于1 kHz，并通過無線方式對振動特征值或振動數據進行傳輸，針對振動監測中有進行大量數據傳輸需求這一情況，無線傳感器網絡在進行無線通訊模塊選擇時，需要選擇傳輸速率較高的傳輸方式。

2　高效傳輸無線傳感器網絡的設計

2.1基于多匯集點的無線傳感器網絡拓撲結構

適用于軸承的無線監測網絡采用人工布點的方式，且布點的位置也相對固定，因此無線信道線路相對穩定，設計中可以對設計傳輸信道的通信質量進行測試，一般不需要考慮無線傳輸信道不斷變化造成的數據傳輸失敗［5］。在無線傳感器網絡系統中，基本的網絡架構有兩種：一種是基于靜態路由的Star型結構單跳無線傳輸模式，另一種為基于動態路由的Mesh型結構多跳無線傳輸模式［6］。

如圖1（a）所示為單跳無線傳輸的星型無線傳感器網絡結構，其網絡結構簡單，容易實現，且整個網絡中各個監測節點的能量消耗平均，同時數據包的網絡延時較小。Mesh網絡拓撲結構如圖1（b）所示，此拓撲結構從設計上較為復雜，具有網絡容量大、傳輸范圍廣、數據傳輸可靠性高等優點［7］。

圖1　基本類型拓撲結構圖

針對需要設計的軸承的無線傳感器網絡監測系統，Mesh型無線傳感器網絡能夠體現出各個節點能量消耗均勻、數據及時上傳的優勢，這是系統準確完成監測和診斷的前提條件，同時，可以通過增加中繼節點的方式來拓展網絡的覆蓋范圍。因此，設計的無線傳感器監測網絡采用Mesh基本拓撲結構。

考慮到單跳網絡傳輸范圍的有限性，這里對Mesh拓撲結構進行改進。在工業現場，監測節點的安裝位置由設備和生產線的具體狀況決定，雖然在工業現場監測節點數量相對有限，但是由于設備分布具有高度集中性和高度分散雙重特性，因此監測節點的分布也具有同樣具有這樣的性質，為了避免單跳傳輸范圍的局限性本系統采用添加中繼節點的方式增加數據的傳輸距離。同時，為了提高數據傳輸的時效性及故障節點數據上傳的全面性，采用正常節點與故障節點監測數據分通道傳輸的工作模式，當節點所監測的軸承處于正常工作狀態時，監測節點通過主網絡上傳其計算得到的時域和頻域特征參數；當監測節點處于異常工作狀態時，監測節點通過系統報警網絡上傳其采集得到的軸承振動數據的全部內容。通過以上兩部分改進，最終形成了雙匯聚節點的樹形網絡拓撲結構。

圖2為無線傳感器網絡測振系統的拓撲構成，WSN協議設計采用樹形雙匯聚節點的分簇網絡拓撲結構，即整個網絡中有兩個匯聚節點，分別為主匯聚節點和報警匯聚節點。網絡具有二級和三級兩種模式，分別為智能測振節點—匯聚節點兩級模式或者智能測振節點—中繼節點—匯聚節點三級模式。測振節點進行振動數據的采集、處理和分析，將需要上傳的數據上傳至相應的匯聚節點；匯聚節點則統一控制網絡中各個節點的時序，一方面將來自于服務器端的控制指令發送給測振節點，另一方面收集智能監測節點上傳的數據，并發送到服務器端，服務器對現場采集的信號進行處理、存儲，并進行故障分析及診斷，同時，服務器還可以向測振節點發送指令以獲得預期的效果，如改變特征值類型、報警值以及進行數據的實時采集。

振動信號數據采集系統的各個節點需實現以下三方面的主要功能：振動信號的采集、振動信號的處理和振動信號的傳輸。設計的節點要能夠滿足數據高速采集、數據高速傳輸、組網方便、抗干擾能力強、易安裝以及供電便捷等要求。

為了將采集得到的振動信號及時有效地傳遞給最終的客戶端，得出診斷結論，針對無線傳感器網絡傳輸大數據量的困難這一問題，增加了匯聚節點的數量。為了在現有的條件下實現大量監測數據的及時上傳，基于無線傳感器網絡的機械振動監測模式中提出了基于多匯集點的網絡拓撲結構，其監測架構如圖3.將Mesh網絡中的節點分布在監測點上，由傳感器接入無線節點完成信號的獲取，同時通過無線網絡將輸出傳送給Sink節點，最終將數據傳送給數據終端。

圖3　多聚集節點監測構架圖

基于多匯聚集點的傳輸模式從本質上可以理解為監測數據的多通道傳輸，這種傳輸模式減緩了只有一個Sink節點傳輸時造成的數據傳輸瓶頸，但是這種傳輸方式并沒有減少采集節點的數據發送量，同樣不能減少數據發送帶來的能量消耗以及數據傳輸的誤碼率、丟包率，同時Mesh網絡結果雖然有助于數據穩定傳輸到Sink節點，但會導致近Sink節點轉發數據包的任務加重，使近Sink節點過早失效。

2.2基于特征提取方案的監測數據傳輸策略

從軸承的失效形式、機理和故障特點出發，通過智能監測節點進行數據分析和特征提取，并以計算結果為診斷依據，從而達到減少數據發送量的目標。將采集得到的軸承振動信號從時域和頻域兩個層面進行分析，時域分析中主要考慮數據的有效值、峰值指標、脈沖指標、峭度指標等參數，并將其作為故障診斷中的主要依據；從頻域的角度考慮，對比多種處理方法后最終確定使用共振變換方法進行數據特征提取，通過智能監測節點處理將得到信號的低頻包絡信息，在此基礎上進行fft變換就可以得到軸承的低頻故障信息。

通過特征提取的方法對軸承的故障信息進行處理可以大幅度減少需要傳輸的監測數據量，以1kHz的采樣頻率采樣1 s為例，設采樣長度為16位，則需要傳輸的數據量為2048個字節，進行特征值轉化之后，綜合考慮時域參數和故障頻率后需要傳輸的數據總量約為100個字節，不足振動信號字節總量的5%，當采集頻率提高或采樣時間延長后，傳送字節量占振動信息總量的百分比將進一步降低。

3　無線傳感器網絡通信協議設計

在雙匯聚節點的樹形網絡拓撲結構的基礎上，采用基于主匯聚節點輪詢的時分多址訪問與跳頻通信相結合的通信協議進行數據傳輸，通過匯聚節點循環向智能監測節點或中繼發送指令的方式來調度整個網絡協同合作。由于絕大多數情況下監測設備處于正常工作的狀態，此時無需進行精密故障分析，只需獲得設備的部分特征值即可，因此單個節點數據傳輸量較小；實際應用中監測設備處于故障狀態的情況較少，但這種情況下需要獲得設備較完備的信息，用作之后故障精密分析，因此需要傳輸的數據量大。考慮到上述因素，為了降低網絡的傳輸壓力，提高系統的實時性，將無線監測網絡分為兩個頻道，分別對應主匯聚節點、報警匯聚節點，每個匯聚節點負責其對應節點的調度。

圖4為無線傳感器網絡軸承狀態系統的數據交互及其時隙分配示意圖，為了簡化，圖中只畫出一個匯聚節點，此節點從功能上既可以代表主匯聚節點，也可以代表報警匯聚節點。從示意圖中可以看到數據不只有從智能監測節點向服務器一個流向，服務器也可以通過匯聚節點向智能監測節點發送指令。對于整個系統而言，匯聚節點以上的功能模塊均為服務器程序，而匯聚節點及其以下的功能模塊均為無線傳感器網絡程序，匯聚節點是實現無線傳感器網絡與服務器信息交互功能的節點。向下的箭頭表示系統由上層向下層發送各種指令，向上的箭頭則表示收到指令的節點對指令的響應而回復的數據包。時序模塊是匯聚節點調度振動節點的時間分布情況，一般情況下，匯聚節點會先發送邀請節點加入網絡的信號，之后對加入網絡的節點進行輪詢，而主動查詢模塊特指在網絡運行的過程中，服務器實時對指定的節點進行采樣而不受原時序的限制。

圖4　數據交互及其時隙分配示意圖

4　調試與系統開發環境

對于硬件開發而言，一個性能良好的調試環境能夠大大提高程序編寫的效率，有助于程序員發現并解決問題。J-LINK是SEGGER公司為支持仿真ARM內核芯片設計的JTAG仿真器，適合多種ARM內核芯片的開發；KEIL公司的μVison3軟件開發工具能夠與J-LINK相配合，能夠實現單步、連續單步、斷點、支持寄存器/存儲器的觀察和修改，下載程序到Flash存儲器等功能，適合節點編程使用。

4.1硬件環境

調試過程中，使用J-Link作為適配器連接PC機與目標板，實現目標板與PC機的通信。J-Link是SEGGER公司為支持仿真ARM內核芯片設計的JTAG仿真器。配合IAR EWARM、ADS、KEIL、WINARM、RealView等集成開發的，支持所有ARM7/ARM9內核芯片的仿真，通過RDI接口和各集成開發環境無縫連接，對于ARM7下載速度高達600 KB/s.如圖5所示為J-LINK下載器實物圖，J-LINK一端為USB接口，另一端為20針扁平線JTAG接口。

圖5　J-INK下載器實物圖

系統硬件調試連接圖如圖6所示，在進行程序下載之前需要在PC機端安裝驅動裝置，同時調試軟件，通過調試生成目標板能夠識別的可執行文件，J-Link將目標板需要的文件直接下載到Flash中。

圖6　系統硬件調試

4.2軟件環境

節點編程采用KEIL公司的μVison3軟件開發工具，支持ARM7、ARM9等多種處理器，能夠自動配置啟動代碼、集成Flash燒寫模塊，同時具有強大的Simulation設備模擬、性能分析等功能。其編程界面如圖7所示。

圖7　μVison3軟件界面

μVison3集成開發環境軟件界面主要有以下窗口：

輸出窗口：用于輸入調試命令和輸出調試信息。

存儲器窗口：可以顯示系統內存中的各種數值，包括代碼的存儲空間、直接尋址的片內存儲空間、間接尋址的片內存儲空間、擴展的外部RAM空間中的響應值。

工程窗口寄存器頁：包括當前的工作寄存器組合系統寄存器。

觀察窗口：可以觀察到工程窗口中觀測不到的寄存器值或者高級語言編程時需要直接觀察的變量。

反匯編窗口：該窗口可以顯示反匯編后的代碼、源程序和相應反匯編代碼的混合代碼、源程序和相應反匯編代碼的混合代碼，可以在該窗口進行在線匯編、利用該窗口跟蹤代碼。

5　結束語

（1）同濟醫院中型泵站臥式機組水導軸承無線檢測系統運行之后，并通過配備聲音、圖像傳感器在其周圍，用來及早探測軸承可能存在的危險，實現了對泵站運行的自動控制，保證了機組運行正常平穩。同濟醫院中型泵站臥式機組水導軸承無線檢測系統的成功應用，為其它同類型機組的設計和改造提供了寶貴的經驗。

（2）基于特征值提取的監測數據傳輸方案，該方案降低了節點能量消耗、減少了數據丟包數量和誤碼數量、并提高了傳輸時效性。

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Wireless Sensor Network System Design of Pumping Station Bearing Detection

WANG Hong
（Tongji Hospital Affiliated to Tongji Medical College of Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430040，China）

To improve the Wuhan Iron and Steel slab caster segments bearing life，reduce the damage caused by foreign bodies bearing pressed into the defect，analyze the reasons for the failure of the bearing segments proposed clustering wireless sensor network topology overall double sink node of the tree，and on this basis，the class node hardware selection and design，to build a complete monitoring system hardware platform.

bearing；fault diagnosis；wireless sensor network

TP277

A

1672-545X（2016）08-0099-04

2016-05-25

王宏（1969-），男，湖北武漢人，技師，本科，研究方向：機械維修、自動化設備。