波紋補償器無線監測系統的研制

倪洪啟， 趙亞文， 金馳

（沈陽化工大學機械工程學院，沈陽110142）

0 引言

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段（Internet of things，IoT）。顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網。這有兩層意思：其一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網[1]，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。隨著社會經濟與科學技術的飛速發展，我國在各個領域對物聯網的應用也隨之增加，這使得我國的物聯網技術迅猛發展，而以物聯網為媒介，可以使我國對工業設備的診斷與監測進入到以網絡為基礎，實時進行監測與診斷的新紀元[2-3]。本文所設計的系統是為了降低在現代管道系統中的生產事故的發生概率，提高安全系數，從而保障工業設備能夠更穩定地工作。但是，在工業設備的維護過程中，設備維修員需要快速檢查和修復因溫度、位移、壓力等外界因素而引起的設備故障，這大大降低了生產效率[4]。雖然在設備維護中安排了大量人員進行定期的檢查，當發生故障時，通?，F場會有許多經驗豐富的維護人員，依靠自己以往的經驗來判斷事故的發生原因，并提出解決辦法，從而對設備進行維修。但是，這樣豐富的經驗是需要長期的磨練來形成，為此需要投入大量的人力和物力，這不僅增加了成本，而且還會存在著安全隱患[5]。另一方面，隨著物聯網技術的迅速發展，一種基于物聯網的波紋補償器無線監測系統就可以很好地解決這些問題，實時監測工業設備可以有效地解決時間和地點對工作人員的約束，可以把分布在各個地點的終端節點組織起來，從而把采集數據、遠距離無線傳輸、應用服務等功能通過嵌入式系統組成一個物聯網體系。在終端監測的設備發生失效時，能夠快速發現并實時處理，使得維修人員能夠迅速提出解決方案，提升了維修的效率和延長設備的壽命[6-7]。本文是利用物聯網技術來遠程監測波紋補償器的工作狀態，利用各種傳感器來實測波紋補償器的工作狀態。

1 監測系統的組成

1.1 波紋補償器的結構

波紋補償器是一種補償性元件，在工業上也稱膨脹節，它安裝在管道上，吸收因溫度、壓力變化而引起的位移，以保障管道安全運行。波紋補償器工作原理是波紋補償器的主要彈性元件為不銹鋼波紋管，依靠波紋管伸縮、彎曲來對管道進行軸向、橫向、角向補償。其作用可以起到補償管道軸向、橫向、角向熱變形，吸收設備振動，減少設備振動對管道的影響，吸收地震、地陷對管道的變形量。圖1為波紋管的裝配圖。

圖1 波紋補償器的裝配結構圖

1.2 ZigBee發射和接收模塊的選擇

物聯網可以看作是互聯網技術的再開發，利用各種傳感器來采集外界事物的信息，之后可以通過互聯網與人進行接觸，實現人與事物的連接。為了實現物聯網的正常運轉，必須集成其他方面的技術，無線傳感網絡通常作物聯網的感知層，能夠完美契合物聯網技術，體現出物聯網的智能化、數字化、信息化，為此將無線傳感網絡技術運用于物聯網是目前物聯網技術發展的重要組成部分?；谖锫摼W絡下，可以用在波紋管的無線監測網有藍牙、Wi-Fi、紅外技術、ZigBee、Home RF、UWB等，經過一系列的優缺點比較，發現最適合搭建對波紋補償器的無線檢測系統就是ZigBee技術[8-10]。

圖2 CC2530的芯片實物圖

圖3 CC2530的芯片電路圖

1.3 系統硬軟件的組成

本文完成了對系統的硬件設計與開發。其主要包括無線通訊模塊、傳感器和外部連線，無線通訊模塊選用CC2530的芯片，圖2是CC2530芯片實物圖，圖3是CC2530芯片電路圖。

用戶界面就是將Zigbee模塊中接收的來自終端節點中的壓力、位移、溫度等信息實時顯示在用戶電腦上，并且將處理后的數據，以折線圖的形式顯示在電腦上，同時保存數據?？梢栽O置警戒值，超出警戒值時發出警報。

本文采用VB技術對用戶界面進行設計，使用窗口以及控件等可視化界面進行程序設計。一方面，VB擁有圖形用戶界面和快速應用程序開發系統；另一方面它可以輕松地創建Active X控件。界面設計如圖4所示。

圖4 用戶界面的設計

2 系統的調試與信號采集

1）系統的調試。首先，將已經編寫好的程序分別寫入帶有發射和接收功能的Zigbee模塊，按照上面所述的硬件進行連接，將溫度、位移、壓力傳感器連接到下位機底板上，并且通過電源統一給它們供電。然后將路由器連接電源，將協調器與計算機相連，打開用戶軟件，開啟通信，調試成功。

圖5 采集實物圖

2）溫度、位移、壓力信號的采集。在實驗室里完成了對溫度、壓力和位移的信號采集，下面具體介紹其測量方法。首先把波紋補償器平放在試驗臺上，由于溫度傳感器的末端具有磁性，可直接吸附在膨脹節上。溫度、位移、壓力傳感器的另一端和ZigBee模塊相連接，電源可以直接用USB線給模塊供電。打開個人電腦，開啟ZigBee模塊自帶的信號采集軟件，將溫度、位移、壓力傳感器的接收和發送信號的程序分別寫入2個ZigBee模塊里，設置好一些參數，開啟通信，同時用工業上的加熱電風筒放在波紋管內，進行加熱，叉車部分可以直接插入波紋管內，給予振動，波紋管倒放在打壓實驗臺上，進行打壓，并采集和保存數據。重復上述步驟，溫度、位移、壓力傳感器分別放在膨脹節不同的位置上，多測幾組數據。溫度、位移、壓力采集的實物如圖5所示。

3 信號的分析與處理

3.1 溫度、位移壓力信號的數據分析

溫度、位移、壓力傳感器多次測量波紋管的溫度位移、壓力，可以得到圖6～圖8數據趨勢。

圖6 溫度測試曲線

圖7 位移測試曲線

圖8 壓力測試曲線

從圖6分析可知，將補償器的溫度上限設定為100℃，此時保持位移、壓力不變，只改變波紋補償器的溫度，開啟系統進行溫度測試，當測試溫度到達100℃時，系統將報警。從圖7分析可知，將補償器的位移上限設定為150 mm，此時保持溫度、壓力不變，開啟系統進行溫度測試，當測試位移到達150 mm時，系統將報警。從圖8分析可知，將補償器的壓力上限設定為3.7 MPa，此時保持溫度、位移不變，只改變波紋補償器的壓力，開啟系統進行溫度測試，當測試壓力達到3.5 MPa時，系統將報警。

3.2 溫度、位移、壓力信號的誤差分析

在實驗室進行多次溫度的測試，將系統檢測到的溫度和用溫度計實測的溫度進行了對比，結果兩者基本一致，說明系統測量的溫度是準確的，而測量的位移、壓力數據曲線中可以看出，系統測量的位移、壓力數值和實測的位移數值存在一定的誤差。測量的誤差值如圖9、圖10所示。

對圖9所示的測試數據進行分析，發現產生系統測量的位移數值和實測的位移數值存在誤差的根本原因是：波紋管補償器在變形過程中，沒有均勻地發生變形，而是在變形過程中產生了彎曲，致使測量結果產生了一定的誤差，產生誤差的大小和彎曲的程度及彎曲的方向有關。對圖10所示的測試數據進行認真分析，發現產生系統測量的壓力數值和實測的壓力數值存在誤差根本原因是由于波紋管補償器的密封效果不好。為了消除因彎曲而產生的誤差，在波紋管補償器上安裝2個位移傳感器，而對于消除因壓力造成的誤差，可以在波紋補償器上安裝密封圈，也可以用電焊的方式來密封。

圖9 測試位移的誤差

圖10 測試壓力的誤差

4 結論

本文設計了一套基于物聯網的波紋補償器無線監測系統，解決了目前波紋補償器安裝后不能及時監測的問題，并對波紋管補償器的監測系統進行了測試，發現系統測試的溫度值和實測的溫度值之間基本一致；而系統測試的位移值、壓力值和實測數值之間存在一定的誤差。本文分析了產生誤差的原因，并給出解決辦法，為消除工業管道的安全隱患提供了合理方案。