基于无线传感网络的水泵振动状态监测系统设计
2020-06-19骆寅董健韩岳江
骆寅 董健 韩岳江
摘 要： 针对传统的振动状态监测系统布线复杂、信号干扰等问题，提出一种新型基于无线传感网络的水泵振动状态监测系统。选用NKG65?50?125/139型单级单吸离心泵为研究对象搭建试验泵系统，分别采用传统的有線振动状态监测系统与该设计的无线振动状态监测系统来对该离心泵进行试验。该设计的无线监测系统通过对水泵监测点的水平、垂直、轴向三个方向进行振动信号采集，从而得到振动信号的位移峰峰值和振动烈度值，再利用WiFi技术上传安卓上位机，与传统的有线振动采集监测系统的试验结果进行对比分析，发现两组结果整体变化趋势基本一致，数值变化都呈随着流量的稳定而逐渐减小趋势，具体数值大小差距不大。试验数据表明，所设计的无线振动状态监测系统可以满足对水泵振动监测的需求，并可取代传统的有线振动状态监测系统。
关键词： 水泵; 振动监测; 无线传输; 系统设计; 信号采集; 对比验证
中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 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
泵作为一种通用机械，被广泛应用于国民经济的各个行业，被誉为“国民经济的心脏”，因此研究和开发泵故障诊断的方法和装置具有十分重要的意义。在机械设备故障诊断研究领域中，通常是利用设备运行中产生的振动[1?2]状态信号进行监测，从而能及时对其运行状态进行诊断。因此，对水泵的振动信号进行监测分析很有必要。现有的振动信号监测系统由PC机、采集卡和振动传感器等构成，通过传感器获取振动信号转换成电信号，通过采集板卡进行传递至PC机的虚拟仪器，但是在恶劣的工业现场环境下，由于工业所用的电线常常相互交叉相连，极易老化，严重影响了信号的传输质量。同时水泵运行时间比较长，工作人员很难长时间对其工况实时监测并诊断。本文设计系统大大地降低了依靠振动信号监测和诊断泵故障的难度，并实现了远程实时监测的功能。
由于考虑到工业环境中线路的老化会导致振动信号传递和故障诊断的可靠性下降，专家学者们开始考虑和研究对水泵运行状态的监测方法。汤跃等人在水涡轮监测上将传感技术和无线技术相结合起来，实现对特性参数无线监测[3]。Alvaro Araujo等人设计了一种基于PIC32和ARM9为微处理器的系统，并嵌入Linux操作系统，再利用WiFi无线通信的方法进行数据传输，用于监测人体生命体征的振动监测节点[4]。美新公司MEMSIC提出的一种基于LOTUS无线传感器网络的LPR2400为监测节点的无线传感网络监测系统。在泵的运行状态监测研究领域中，基于无线传感网络[5?7]的远程实时监测与诊断的研究比较少。
在工业生产中，基于无线传感网络技术的监测技术在其他的领域已有更多应用[8?10]，而该技术应用在泵系统的故障监测领域相对其他的技术会有许多优越性。监测装置在水泵上部署的位置灵活，成本低[11?13]，而且弥补了传统监测系统的不足[14]，不需要工作人员现场监测，同时避免了有线传感器的线缆问题[15]。最大程度上解决了系统安置和信号传输的质量等复杂问题，从而实现对水泵振动状态的监测及诊断的可靠性、实时性。
1 系统总体结构
首先对当前水泵振动状态监测系统的现状以及存在的问题进行分析，根据水泵的振动机理和设备状态监测为理论基础，本文提出的无线传感网络监测系统的结构图如图1所示。该系统的设计主要是由微处理器模块、信号采集模块、无线数据传输模块、安卓上位机和电源供电模块共五大模块组成。首先，将信号采集模块放置在水泵的监测节点（悬架轴承座或托架轴承座和泵脚），对振动信号进行高效同步采集，并储存在MESE传感器对应的寄存器中;其次，微处理器模块读取寄存器的振动信号进行模数转换并完成数据分析处理;最后，通过无线数据传输模块将处理数据及结果上传至安卓上位机，并在上位机显示与存储。
2 硬件设计
2.1 微处理器模块
本模块选用功能强大的STM32F407ZGT6芯片作为系统的CPU控制电路，通过芯片的三个I/O口PA4，PA5，PA6读取经信号调理过的MESE传感器相应寄存器的模拟信号，再利用微处理器模块的A/D转换器功能将其转换为离散的数字信号。采用的转换公式为[D=AVref·2n-1]，其中，D为数字信号，A为模拟信号，Vref表示参考电压，n表示模数转换ADC的位数。微处理器模块利用数字信号进行数值分析处理。最后通过微处理器来控制无线数据通信模块NRF24L01的6个引脚CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ的高低电平，即可将结果数据发送至上位机。最小系统的部分电路如图2所示。
微处理器的外围电路分别是复位电路和调试电路。在系统上电后，复位电路使微处理器模块可以快速复位，并处于稳定状态，由于微处理器的各个引脚是低电平复位，所以复位电路设置为低电平复位;调试电路采用标准的四线制接法，将编写好的硬件程序下载到电路板进行仿真与调试，保证系统能正常运行工作。
2.2 信号采集模块
在旋转机械振动监测诊断的研究中，旋转部件的运动量是研究的重点。具体来说，运动量是指旋转部件的位移、速度及加速度，而三者是可以相互换算的。在实际工况中，由于水泵的振动频率比较高，加速度传感器测量值的误差比位移传感器测量值比较小。所以信号采集模块选用了三轴加速度传感器ADXL335，其内置信号调理电路，简化系统布线的复杂性，提供经过信号调理电路输出的模拟信号，再通过微处理器模块的模数转换和积分运算得到位移值。信号采集模块电路图见图3。
2.3 无线数据传输模块
在整个传输过程中，无线数据传输模块只负责对数据进行传输，将微处理器模块的数据与处理结果发送给安卓上位机。无线数据传输模块采用NRF24L01芯片来设计，由于该模块内置高速缓冲存储器，可以减少系统对CPU的存储需求，从而提高整体系统的性能。首先，将NRF24L01配置为发射模式（置PWR_UP为1，PWR_RX为0），把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序分别由SPI口写入NRF24L01缓存区，当CSN为0时，可以将TX_PLD连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可;然后CE置为1并保持至少10 μs后，再延迟130 μs后开始发射数据，等发射成功时，进入空闲模式，从而实现STM32F407与安卓上位机之间的无线（WiFi）数据传输，简化了系统的连接与操作。无线数据传输模块图如图4所示。
3 软件设计
3.1 系统软件的总体设计
首先，在主函数中对系统的各个模块进行初始化程序设计，分别为：I/O口初始化、SPI初始化、ADC初始化及NRF24L01初始化等。然后创建系统的主任务，主要是三个子任务，分别为：采集函数子任务、接口驱动函数子任务及通信协议子任务。其中，数据采集函数需要完成对振动信号的采集、转换、存储及处理等任务;接口驱动函数需要完成各个设备模块间的数据传输与互通任务;通信协议用来完成微处理器模块与上位机之间的无线通信任務。具体的软件系统分块图如图5所示。
3.2 信号采集数据处理
在水泵运行过程中，考虑无线数据传输模块的转输速度比振动采集模块的采样率慢，为了有效解决两者之间的数据传输速度矛盾，解决方案是微处理器模块控制信号采集模块按时采集振动信号，设置无线数据传输模块按时发送处理结果。
采集振动信号方式如下：设置STM32F407的定时时钟TIM3，采用定时中断方式来确定采样时间，具体是1 s进行100次中断，进行1次中断可以采集1 024个数据，即采集频率约为1 MHz，求X，Y，Z三个方向100个数据的位移峰峰值XXK，YXK，ZXK。
采用均方根来表征信号的平均强度，为更好地分析在各个流量下振动信号的稳定情况，X，Y，Z三个方向的均方根TrmsX，TrmsY，TrmsZ表达式为：
振动烈度值Trms为X，Y，Z三个方向的均方根TrmsX，TrmsY，TrmsZ的最大值，当振动烈度值Trms≤0.71，代表叶片泵运行状态优良;当振动烈度值0.71
3.3 安卓上位机系统设计
安卓上位机客户端界面的设计主要是由安卓布局与组件间的协作来完成的。在上位机界面的设计中，控制界面通过线性布局方式来布置，主要包括位移峰峰值和振动烈度值两个文本控件，在线和离线两个Button控件。在位移峰峰值和振动烈度值两个文本控件后分别有一个显示数值的文本控件，此文本控件就是安卓上位机接收到来自无线数据传输模块的数据，实现对位移峰峰值和振动烈度值的更新，从而达到实时更新显示水泵振动状态的目的。另外，控制界面中在线和离线两个Button控件分别代表两种工作模式，即在线表示正常工作，离线表示关闭系统。在安卓上位机开发设计中，指令的下发是通过点击事件监听函数实现的。首先需要对软件中监听函数进行定义，设置按钮按下作为一个开始指令时，安卓上位机的界面执行相应的函数，被点击的文本控件做出响应。
4 系统测试
系统验证试验台是由以下几个主要部分组成：真空泵，进出口不锈钢管内径分别为65 mm和50 mm的压力罐、稳压罐，用于连接不同口径部件的变径管、控制阀，NKG65?50?125/139型单级单吸离心泵，以及一台三相异步电动机，试验泵的设计流量为50 m3/h，最大流量为72 m3/h，试验分别采集15个点的试验数据。试验现场布置如图6所示。
4.1 有线振动采集监测系统
在传统的有线振动采集监测系统中，采集信号模块的传感器选用PCB352A60型压电式加速度传感器，将其通过螺栓连接安置于试验台泵的轴承座处;然后将传感器的输出端与电荷放大器的输入端相连;再经过电荷放大器的调理将输出电信号转化为输出电压信号，通过数据采集卡NI?USB6343对其振动信号进行采集，通过USB端口传输至上位机;最后通过上位机对采集的数值进行处理分析，并显示出水泵实时的振动数据。水泵的振动信号的位移峰峰值和振动烈度值见图7和图8。
4.2 无线振动采集监测系统
无线振动采集监测系统的监测节点是泵的轴承座处，放置的位置与有线振动监测试验中安置位置保持一致，并将其固定后，确定无线数据传输模块加入WiFi网络后，再设置合适的参数并登录安卓上位机系统，然后点击界面上的“开始传输”，即安卓上位机可以对水泵的振动信号进行实时监测。安卓上位机的监控界面将显示接收到的位移峰峰值和振动烈度值，如图9和图10所示。
5 结 论
根据上述实验，可得到结论：本文设计的无线振动采集监测系统采集的位移峰峰值与振动烈度值的数值变化趋势呈随着流量的增大而逐渐减小趋势，与传统的有线振动采集监测系统监测的变化趋势一致。在数值上，无线振动监测系统所测数值普遍略小于有线振动监测系统，原因如下：
1） 有线振动监测系统的干扰因素比较多，外部环境对传感器采样的干扰和线缆破损等。
2） 有线振动监测系统采样数据的数目比无线振动监测系统少，导致有线监测的结果普遍略大于有线振动监测系统。
所以本设计的无线振动监测系统可以满足对水泵振动监测的需求，并可替代传统的有线振动监测系统。
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