NB-IoT 技術在無線振動監測系統的運用

倪秋華，張華芳，高 偉，王 超，張舒麒

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

由于機械設備在役狀態監測技術在保障機組安全、穩定運行方面有著重要作用，狀態監測技術的升級日益受到行業的重視，尤其對反映各重大設備復雜運行狀態信息的振動信號。目前國內外已先后推出過上百種在線的分布式和網絡化的機械振動監測系統[1]，同時物聯網融合4G 通信技術的應用已在電力行業各個領域悄然興起[2]。隨著大數據時代的到來，在物聯網技術的支持下能夠將大數據技術、區塊鏈、人工智能密切地關聯在一起。作為3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）在2014 年開始推動標準化任務的成果，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）[3]具有強鏈接、高覆蓋、低功耗、低成本等特點，同時可以靈活應用技術優勢實現低速業務，發展前景廣闊。為了彌補傳統旋轉機械設備在線振動監測技術手段的不足，有機結合NB-IoT 無線傳輸技術與工業級加速度傳感檢測技術，打造了基于NB-IoT 技術的無線振動監測系統，能夠有效解決數據傳輸連接受限、信號覆蓋有限、運維成本高[4]等不足，具有諸多優勢[5]。

1 總體方案

該系統由監測終端（硬件）和軟件系統兩大部分組成（圖1）。

圖1 系統組成

（1）監測終端包括微控制器、采集模塊（A/D 轉換及預處理電路）、電源模塊、時鐘模塊、通信模塊和加速度傳感器等。微控制器作為終端的“大腦”，負責終端系統的邏輯控制與運算，同時與采集模塊、通信模塊、電源模塊及時鐘模塊相連接，將各模塊有機組合成一個整體。

（2）軟件系統則基于物聯網云平臺搭建，先由工業級加速度傳感器采集機械設備對應的振動信號并經A/D 轉換和預處理后，微控制器轉由無線通信模塊將采集到的振動信號傳輸到指定的云平臺服務器，最終由云平臺存儲管理、信號處理及結果展示。

2 硬件設計

2.1 加速度傳感器

加速度計是工業現場最常用的振動傳感器，其中壓電式加速度計的優勢是噪聲低、頻率最高可達30 kHz；MEMS 電容式加速度計[6]頻率一般在20 kHz 左右，具有高精度、低溫度敏感系數、低功耗、寬動態范圍、微機械結構等優點，市場廣泛應用。目前部分MEMS 加速度計已經具有超低的噪聲和出色的溫度穩定性，非常適合應用于狀態監控，不過受限于信號頻域帶寬，無法進行更加深入的診斷分析。

雖然MEMS 傳感器在成本、尺寸、集成性和功耗等方面優勢明顯，但壓電式加速度計的帶寬和噪聲性能明顯更優，當前在工業現場的運用更普遍。綜合考慮后，選用常規工業級加速度傳感器（靈敏度為100 mV/g），以便進一步展開振動測試分析，同時與現場離線巡檢測試結果更兼容、更便于比較。

2.2 設計與選型

2.2.1 NB-IoT 收發模塊

（1）基于通信覆蓋范圍的考慮，相較于藍牙、ZigBee 等短距離通信技術，選擇移動蜂窩網絡。

（2）基于硬件成本和技術先進性的考慮，不選用LTE、4G、5G 技術、LoRa 技術和GPRS 技術，最終確定采用物聯網模塊NB-IoT。

（3）部分現場旋轉機械設備有可能位置偏僻，考慮到當前中國移動的網絡覆蓋是最廣泛、最穩定的，所以選取中國移動的NB-IoT 模組[7]。

（4）在物聯網模塊選型方面，具體元件則采用WH-NB73 進行二次開發。該模塊硬件集成了基頻芯片、MAC、功率放大器和射頻收發單元，內置超低功耗運行機制，可以有效實現模塊的低功耗運行。

2.2.2 采集模塊

（1）微控制器選用STM32L496VGT6，芯片數據總線寬度為32 bit，芯片SRAM 空間大小為320 kB，1 Mflash。

（2）系統頻率為80 MHz，可進入超低功耗模式，采用最新的半導體技術，待機電流達到nA 級。

（3）采用AD7606 經典采集芯片，最高可支持8 路信號同步采集，AD 芯片具有16 位的分辨率，采樣精度高。該芯片采樣頻率高，讀寫速度快、功耗低。

（4）采用同步AD 模數轉換器對進入系統的傳感器信號進行同步采集，采集模塊的采樣頻率可選200 Hz、4000 Hz、8000 Hz、16 000 Hz、32 000 Hz。

2.2.3 電源電路

為了使產品的使用靈活多樣，無線系統中的電源具備3.3 V、±5 V、24 V 三種供電方式，并可提供IEPE 恒流供電，提供電池供電與外供電兩種供電接口。系統饋電后可直接對電池進行充電，不需要進行拆卸更換電池（圖2）。

圖2 電源系統

系統電源的特點有：①電路均采用uA 級的漏電流電壓芯片進行設計，提高電池利用率；②系統休眠時電壓芯片可控制為關斷模式，設置了電池的充電狀態燈，進入休眠模式后實測系統的電流為2.07 μA；③系統電池供電為2 節18650 鋰電池，電池容量為6800 mA·h，系統理論待機時間為32 850 h。系統運行時峰值系統測試電流為248.4 mA，系統主動發送一次時間為12 s，整個系統可以發送8212 次。按4 h 發送一次波形，一次充滿電系統可以持續工作3.7 年。

3 系統運用測試

3.1 系統平臺

系統應用軟件采用網絡B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式）架構開發，采用積木化模塊式的結構，軟件組成有程序、數據、文檔等。B/S 結構的特點是，將數據分布到某個數據服務器，將程序分布到程序服務器或Web 服務器；客戶端只需要加載應用服務器的部分程序，用于數據的顯示和命令輸入。Web 瀏覽器是客戶端最主要的應用軟件，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，能夠簡化系統的開發、維護和使用。客戶機只要安裝有Google 或360 極速瀏覽器，就可以通過Web Server 同數據庫進行數據交互。數據庫則采用MySQL 開源數據庫。系統云平臺的監測效果如圖3 所示。

圖3 云平臺監測效果

3.2 運用測試

3.2.1 精度測試

振動篩VMC-606 提供了一個已知的和可控的振動穩定輸出，其最大負載振動加速度計可重達150g 驗證。試驗先使用離線測振儀CSI2140 測試得到振動篩的振動；隨后運用同樣的加速度傳感器和測試線纜接入基于NB-IoT 的振動狀態無線監測系統。2022 年9 月21 日的測試結果分別見圖4 與圖5。

圖4 云平臺的振動波譜圖

圖5 CSI2140 測試結果

離線測試儀CSI2140 測得振動量值（加速度峰值）為0.565 76 g（即5.54 m/s2），頻率為159.24 Hz；而基于NB-IoT 的振動狀態無線監測系統測得的振動量值（加速度峰值）為5.49 m/s2，頻率為159.5 Hz。根據監測圖譜，兩者測試結果基本一致。

根據計量檢定規程JJG 676—2019《測振儀》，配接加速度傳感器時幅值頻率響應和幅值線性度最大允許誤差要求小于±5%，頻率最大允許誤差要求小于±0.5%。基于NB-IoT 的振動狀態無線監測系統測試結果表明，系統精度滿足要求。

3.2.2 歷史趨勢對照測試

在工業現場，針對某旋轉設備一個軸承座的振動情況（水平方向H、垂直方向V、軸向A）進行測試，使用工業級加速度傳感器，直接接入基于NB-IoT 的振動狀態無線監測系統，以驗證監測結果的可靠性。監測對比表明，3 個方向的振動趨勢一致，與現場實際測試結果也一致，因此結果是可靠的。

4 結束語

作為一項新興的無線技術，NB-IoT 正大量應用于新時代不同的工業和生活場景。基于NB-IoT 物聯網[8-10]的機械設備無線振動監測系統，將工業級加速度傳感器檢測技術結合工業物聯網技術應用于設備運行振動信號采集和無線傳輸中，實時、在線監測多臺機械設備的運轉狀況，能夠實現早期識別蠕變故障，保證機械設備的正常運行。經過測試，精度滿足振動計量檢定規程，歷史趨勢對照符合現場實際情況。