基于無線傳感網絡的水泵振動狀態監測系統設計

駱寅 董健 韓岳江

摘 ?要： 針對傳統的振動狀態監測系統布線復雜、信號干擾等問題，提出一種新型基于無線傳感網絡的水泵振動狀態監測系統。選用NKG65?50?125/139型單級單吸離心泵為研究對象搭建試驗泵系統，分別采用傳統的有線振動狀態監測系統與該設計的無線振動狀態監測系統來對該離心泵進行試驗。該設計的無線監測系統通過對水泵監測點的水平、垂直、軸向三個方向進行振動信號采集，從而得到振動信號的位移峰峰值和振動烈度值，再利用WiFi技術上傳安卓上位機，與傳統的有線振動采集監測系統的試驗結果進行對比分析，發現兩組結果整體變化趨勢基本一致，數值變化都呈隨著流量的穩定而逐漸減小趨勢，具體數值大小差距不大。試驗數據表明，所設計的無線振動狀態監測系統可以滿足對水泵振動監測的需求，并可取代傳統的有線振動狀態監測系統。

關鍵詞： 水泵; 振動監測; 無線傳輸; 系統設計; 信號采集; 對比驗證

中圖分類號： TN919?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0030?05

Abstract： As the traditional vibration condition monitoring system has the problems such as complex wiring and signal interference， a new pump vibration state monitoring system based on wireless sensor network is proposed. The NKG65?50?125/139single?stage single?suction centrifugal pump is selected as the research subject to establish the testing pump system， and the traditional wired vibration state monitoring system and the designed wireless vibration state monitoring system are used for the centrifugal pump test， respectively. In the designed wireless monitoring system， the vibration signals are collected from the horizontal， vertical and axial directions of the pump monitoring points to obtain their peak values of displacement and vibration intensity values; the upper computer of Android is upload by means of WiFi technology. In comparison with the experimental results of the traditional wired vibration acquisition and monitoring system， it is found that the overall variation trend of the two groups are consistent basically， the numerical change is gradually decreasing with the stability of the traffic， and the difference of the specific values are small. The experimental data show that the designed wireless vibration state monitoring system can meet the needs of pump vibration monitoring and can replace the traditional wired vibration state monitoring system.

Keywords： pump; vibration monitoring; wireless transmission; system design; signal collection; comparison validation

0 ?引 ?言

泵作為一種通用機械，被廣泛應用于國民經濟的各個行業，被譽為“國民經濟的心臟”，因此研究和開發泵故障診斷的方法和裝置具有十分重要的意義。在機械設備故障診斷研究領域中，通常是利用設備運行中產生的振動[1?2]狀態信號進行監測，從而能及時對其運行狀態進行診斷。因此，對水泵的振動信號進行監測分析很有必要。現有的振動信號監測系統由PC機、采集卡和振動傳感器等構成，通過傳感器獲取振動信號轉換成電信號，通過采集板卡進行傳遞至PC機的虛擬儀器，但是在惡劣的工業現場環境下，由于工業所用的電線常常相互交叉相連，極易老化，嚴重影響了信號的傳輸質量。同時水泵運行時間比較長，工作人員很難長時間對其工況實時監測并診斷。本文設計系統大大地降低了依靠振動信號監測和診斷泵故障的難度，并實現了遠程實時監測的功能。

由于考慮到工業環境中線路的老化會導致振動信號傳遞和故障診斷的可靠性下降，專家學者們開始考慮和研究對水泵運行狀態的監測方法。湯躍等人在水渦輪監測上將傳感技術和無線技術相結合起來，實現對特性參數無線監測[3]。Alvaro Araujo等人設計了一種基于PIC32和ARM9為微處理器的系統，并嵌入Linux操作系統，再利用WiFi無線通信的方法進行數據傳輸，用于監測人體生命體征的振動監測節點[4]。美新公司MEMSIC提出的一種基于LOTUS無線傳感器網絡的LPR2400為監測節點的無線傳感網絡監測系統。在泵的運行狀態監測研究領域中，基于無線傳感網絡[5?7]的遠程實時監測與診斷的研究比較少。

在工業生產中，基于無線傳感網絡技術的監測技術在其他的領域已有更多應用[8?10]，而該技術應用在泵系統的故障監測領域相對其他的技術會有許多優越性。監測裝置在水泵上部署的位置靈活，成本低[11?13]，而且彌補了傳統監測系統的不足[14]，不需要工作人員現場監測，同時避免了有線傳感器的線纜問題[15]。最大程度上解決了系統安置和信號傳輸的質量等復雜問題，從而實現對水泵振動狀態的監測及診斷的可靠性、實時性。

1 ?系統總體結構

首先對當前水泵振動狀態監測系統的現狀以及存在的問題進行分析，根據水泵的振動機理和設備狀態監測為理論基礎，本文提出的無線傳感網絡監測系統的結構圖如圖1所示。該系統的設計主要是由微處理器模塊、信號采集模塊、無線數據傳輸模塊、安卓上位機和電源供電模塊共五大模塊組成。首先，將信號采集模塊放置在水泵的監測節點（懸架軸承座或托架軸承座和泵腳），對振動信號進行高效同步采集，并儲存在MESE傳感器對應的寄存器中;其次，微處理器模塊讀取寄存器的振動信號進行模數轉換并完成數據分析處理;最后，通過無線數據傳輸模塊將處理數據及結果上傳至安卓上位機，并在上位機顯示與存儲。

2 ?硬件設計

2.1 ?微處理器模塊

本模塊選用功能強大的STM32F407ZGT6芯片作為系統的CPU控制電路，通過芯片的三個I/O口PA4，PA5，PA6讀取經信號調理過的MESE傳感器相應寄存器的模擬信號，再利用微處理器模塊的A/D轉換器功能將其轉換為離散的數字信號。采用的轉換公式為[D=AVref·2n-1]，其中，D為數字信號，A為模擬信號，Vref表示參考電壓，n表示模數轉換ADC的位數。微處理器模塊利用數字信號進行數值分析處理。最后通過微處理器來控制無線數據通信模塊NRF24L01的6個引腳CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ的高低電平，即可將結果數據發送至上位機。最小系統的部分電路如圖2所示。

微處理器的外圍電路分別是復位電路和調試電路。在系統上電后，復位電路使微處理器模塊可以快速復位，并處于穩定狀態，由于微處理器的各個引腳是低電平復位，所以復位電路設置為低電平復位;調試電路采用標準的四線制接法，將編寫好的硬件程序下載到電路板進行仿真與調試，保證系統能正常運行工作。

2.2 ?信號采集模塊

在旋轉機械振動監測診斷的研究中，旋轉部件的運動量是研究的重點。具體來說，運動量是指旋轉部件的位移、速度及加速度，而三者是可以相互換算的。在實際工況中，由于水泵的振動頻率比較高，加速度傳感器測量值的誤差比位移傳感器測量值比較小。所以信號采集模塊選用了三軸加速度傳感器ADXL335，其內置信號調理電路，簡化系統布線的復雜性，提供經過信號調理電路輸出的模擬信號，再通過微處理器模塊的模數轉換和積分運算得到位移值。信號采集模塊電路圖見圖3。

2.3 ?無線數據傳輸模塊

在整個傳輸過程中，無線數據傳輸模塊只負責對數據進行傳輸，將微處理器模塊的數據與處理結果發送給安卓上位機。無線數據傳輸模塊采用NRF24L01芯片來設計，由于該模塊內置高速緩沖存儲器，可以減少系統對CPU的存儲需求，從而提高整體系統的性能。首先，將NRF24L01配置為發射模式（置PWR_UP為1，PWR_RX為0），把接收節點地址TX_ADDR和有效數據TX_PLD按照時序分別由SPI口寫入NRF24L01緩存區，當CSN為0時，可以將TX_PLD連續寫入，而TX_ADDR在發射時寫入一次即可;然后CE置為1并保持至少10 μs后，再延遲130 μs后開始發射數據，等發射成功時，進入空閑模式，從而實現STM32F407與安卓上位機之間的無線（WiFi）數據傳輸，簡化了系統的連接與操作。無線數據傳輸模塊圖如圖4所示。

3 ?軟件設計

3.1 ?系統軟件的總體設計

首先，在主函數中對系統的各個模塊進行初始化程序設計，分別為：I/O口初始化、SPI初始化、ADC初始化及NRF24L01初始化等。然后創建系統的主任務，主要是三個子任務，分別為：采集函數子任務、接口驅動函數子任務及通信協議子任務。其中，數據采集函數需要完成對振動信號的采集、轉換、存儲及處理等任務;接口驅動函數需要完成各個設備模塊間的數據傳輸與互通任務;通信協議用來完成微處理器模塊與上位機之間的無線通信任務。具體的軟件系統分塊圖如圖5所示。

3.2 ?信號采集數據處理

在水泵運行過程中，考慮無線數據傳輸模塊的轉輸速度比振動采集模塊的采樣率慢，為了有效解決兩者之間的數據傳輸速度矛盾，解決方案是微處理器模塊控制信號采集模塊按時采集振動信號，設置無線數據傳輸模塊按時發送處理結果。

采集振動信號方式如下：設置STM32F407的定時時鐘TIM3，采用定時中斷方式來確定采樣時間，具體是1 s進行100次中斷，進行1次中斷可以采集1 024個數據，即采集頻率約為1 MHz，求X，Y，Z三個方向100個數據的位移峰峰值XXK，YXK，ZXK。

采用均方根來表征信號的平均強度，為更好地分析在各個流量下振動信號的穩定情況，X，Y，Z三個方向的均方根TrmsX，TrmsY，TrmsZ表達式為：

振動烈度值Trms為X，Y，Z三個方向的均方根TrmsX，TrmsY，TrmsZ的最大值，當振動烈度值Trms≤0.71，代表葉片泵運行狀態優良;當振動烈度值0.714.5，代表葉片泵運行狀態不合格，應馬上停止運行，對泵進行安全檢查。

3.3 ?安卓上位機系統設計

安卓上位機客戶端界面的設計主要是由安卓布局與組件間的協作來完成的。在上位機界面的設計中，控制界面通過線性布局方式來布置，主要包括位移峰峰值和振動烈度值兩個文本控件，在線和離線兩個Button控件。在位移峰峰值和振動烈度值兩個文本控件后分別有一個顯示數值的文本控件，此文本控件就是安卓上位機接收到來自無線數據傳輸模塊的數據，實現對位移峰峰值和振動烈度值的更新，從而達到實時更新顯示水泵振動狀態的目的。另外，控制界面中在線和離線兩個Button控件分別代表兩種工作模式，即在線表示正常工作，離線表示關閉系統。在安卓上位機開發設計中，指令的下發是通過點擊事件監聽函數實現的。首先需要對軟件中監聽函數進行定義，設置按鈕按下作為一個開始指令時，安卓上位機的界面執行相應的函數，被點擊的文本控件做出響應。

4 ?系統測試

系統驗證試驗臺是由以下幾個主要部分組成：真空泵，進出口不銹鋼管內徑分別為65 mm和50 mm的壓力罐、穩壓罐，用于連接不同口徑部件的變徑管、控制閥，NKG65?50?125/139型單級單吸離心泵，以及一臺三相異步電動機，試驗泵的設計流量為50 m3/h，最大流量為72 m3/h，試驗分別采集15個點的試驗數據。試驗現場布置如圖6所示。

4.1 ?有線振動采集監測系統

在傳統的有線振動采集監測系統中，采集信號模塊的傳感器選用PCB352A60型壓電式加速度傳感器，將其通過螺栓連接安置于試驗臺泵的軸承座處;然后將傳感器的輸出端與電荷放大器的輸入端相連;再經過電荷放大器的調理將輸出電信號轉化為輸出電壓信號，通過數據采集卡NI?USB6343對其振動信號進行采集，通過USB端口傳輸至上位機;最后通過上位機對采集的數值進行處理分析，并顯示出水泵實時的振動數據。水泵的振動信號的位移峰峰值和振動烈度值見圖7和圖8。

4.2 ?無線振動采集監測系統

無線振動采集監測系統的監測節點是泵的軸承座處，放置的位置與有線振動監測試驗中安置位置保持一致，并將其固定后，確定無線數據傳輸模塊加入WiFi網絡后，再設置合適的參數并登錄安卓上位機系統，然后點擊界面上的“開始傳輸”，即安卓上位機可以對水泵的振動信號進行實時監測。安卓上位機的監控界面將顯示接收到的位移峰峰值和振動烈度值，如圖9和圖10所示。

5 ?結 ?論

根據上述實驗，可得到結論：本文設計的無線振動采集監測系統采集的位移峰峰值與振動烈度值的數值變化趨勢呈隨著流量的增大而逐漸減小趨勢，與傳統的有線振動采集監測系統監測的變化趨勢一致。在數值上，無線振動監測系統所測數值普遍略小于有線振動監測系統，原因如下：

1） 有線振動監測系統的干擾因素比較多，外部環境對傳感器采樣的干擾和線纜破損等。

2） 有線振動監測系統采樣數據的數目比無線振動監測系統少，導致有線監測的結果普遍略大于有線振動監測系統。

所以本設計的無線振動監測系統可以滿足對水泵振動監測的需求，并可替代傳統的有線振動監測系統。

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