鄔春明,楊繼紅

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

基于ZigBee的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄔春明*,楊繼紅

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

針對(duì)目前風(fēng)電機(jī)組有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝、維護(hù)不便和監(jiān)測(cè)點(diǎn)有限等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于ZigBee的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、3G網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成。傳感器節(jié)點(diǎn)采集機(jī)組各部位的振動(dòng)參數(shù)并發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處理的信息通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,此設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間通信良好,系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高,數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好,及時(shí)給出報(bào)警信息,故障診斷正確率達(dá)到95.5%。

故障監(jiān)測(cè);無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);ZigBee技術(shù);3G網(wǎng)絡(luò)

目前風(fēng)電場(chǎng)主要通過(guò)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和定時(shí)巡視檢查的方式對(duì)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-2]。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是確保機(jī)組設(shè)備安全可靠運(yùn)行,只有當(dāng)機(jī)組設(shè)備發(fā)生大型故障時(shí),傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才會(huì)給出故障提示并報(bào)警;而人工巡查方法,受風(fēng)電場(chǎng)分布范圍廣和環(huán)境條件差等影響,難以發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期故障[3-4]。在這樣的背景下,提出了基于ZigBee的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并結(jié)合3G技術(shù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的使用可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組部件早期故障,能夠判斷故障原因以及故障部位,及時(shí)進(jìn)行維修和更換,從而減少甚至避免臨時(shí)檢修行為。采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低功耗、自組網(wǎng)、自修復(fù)等特點(diǎn),此設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性并具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的研究潛力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由終端采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、3G網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心4部分組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用CC2530處理器、智能傳感器、3G無(wú)線接入技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),建立起一套完整的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái),完成整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全可靠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。

終端采集節(jié)點(diǎn)部署在風(fēng)電機(jī)組設(shè)備相關(guān)部位,負(fù)責(zé)采集機(jī)組設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)信號(hào)并將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn);協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、收集、融合等功能,并且將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心;3G模塊將接收到的數(shù)據(jù)打包成IP包,通過(guò)3G空中接口將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送至3G網(wǎng)絡(luò);遠(yuǎn)程監(jiān)控中心客戶端程序?qū)P包解包,數(shù)據(jù)還原,對(duì)終端采集網(wǎng)絡(luò)采集到的信息進(jìn)行匯總、分析和顯示[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端采集節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

終端采集節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),也是不可或缺的模塊,終端采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊、電源模塊4部分組成,其框圖如圖2所示。傳感器節(jié)點(diǎn)散布在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi),這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中需要的信息,實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間任意地點(diǎn)信息的采集、處理和分析。

圖2 終端采集節(jié)點(diǎn)框圖

終端采集節(jié)點(diǎn)用ADXL345芯片[6]采集機(jī)組振動(dòng)信號(hào),ADXL345是一款具高分辨率(12位)、低功率、小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì),其電路如圖3所示;處理器采用CC2530芯片,其內(nèi)部存在RF射頻寄存器并且無(wú)繁瑣的外圍匹配電路。

圖3 ADXL345芯片電路圖

CC2530最小系統(tǒng)一般由復(fù)位電路、濾波電路、時(shí)鐘電路和射頻電路等幾部分基本電路組成。晶振電路由32 MHz和32.678 kHz的晶振電路構(gòu)成,以保證串口波特率的準(zhǔn)確性[7-8],其中主時(shí)鐘晶振采用32 MHz無(wú)源晶振,而XTAL2是一個(gè)可選的32.768 kHz晶振,它有要求非常低的睡眠電流消耗和精確喚醒時(shí)間兩種應(yīng)用。CC2530是51內(nèi)核并且它是2.4 GHz的高頻信號(hào)通道,因此采用了多級(jí)旁路電容進(jìn)行濾波,防止電路中出現(xiàn)干擾雜波影響ZigBee的通信距離。為增加無(wú)線傳輸性能,實(shí)際中會(huì)采用CC2530芯片+CC2591芯片,增加通信距離,使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信距離達(dá)500 m以上,其電路圖如圖4所示。

圖4 CC2530+CC2591電路圖

2.2 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的管理者,主要擔(dān)任無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置,是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的匯聚節(jié)點(diǎn),將匯聚來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)合了ZigBee技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù),其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)框圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要包括3部分,第1部

分為無(wú)線接收模塊,第2部分為存儲(chǔ)器以及處理器模塊,第3部分為3G無(wú)線通信模塊。無(wú)線接收模塊和處理器模塊采用CC2530芯片(具有RF射頻接收模塊),而3G無(wú)線通信模塊采用華為的EM770W芯片[9],具體電路圖如圖6所示,CC2530和EM770W兩個(gè)芯片的輸出電壓都是3.3 V電壓,因此不需要電平轉(zhuǎn)換電路。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)Zig Bee自組織網(wǎng)絡(luò)基于Z-Stack協(xié)議棧,Zig Bee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),組成星型網(wǎng)絡(luò)。

3.1 終端采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集機(jī)組設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)并處理和發(fā)送數(shù)據(jù)。在ZigBee模塊啟動(dòng)電源后,初始化CC2530芯片并且將其加入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),入網(wǎng)成功后,終端采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài);當(dāng)CC2530芯片中的定時(shí)器發(fā)生中斷請(qǐng)求時(shí),則CC2530進(jìn)入工作模式,通過(guò)加速度傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù),當(dāng)定時(shí)時(shí)間到,將振動(dòng)數(shù)據(jù)向上層傳輸。發(fā)送成功后,CC2530芯片則進(jìn)入休眠狀態(tài)等待定時(shí)喚醒,發(fā)送失敗則重新發(fā)送,其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 終端采集節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心部分,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分配,以及數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是首先建立一個(gè)新的空閑網(wǎng)絡(luò),接收各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò),之后將這些信息傳輸?shù)?G網(wǎng)絡(luò)模塊。其軟件過(guò)程為先初始化協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(包括處理器、中斷、串口等);然后建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽和等待狀態(tài),判斷是否有入網(wǎng)的請(qǐng)求,有請(qǐng)求并成功入網(wǎng)則為子節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)之間相互協(xié)議地址。成功接收到振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到3G網(wǎng)絡(luò)模塊,其軟件流程圖如圖8所示。

圖8 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖

3.3 3G模塊軟件設(shè)計(jì)

3G模塊的TCP/IP協(xié)議棧,支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集,并具備通過(guò)PPP協(xié)議撥號(hào)上網(wǎng)以及通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。采用EM770W芯片的3G模塊程序設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)步驟:通過(guò)AT指令初始化EM770W芯片、用PPP協(xié)議撥號(hào)的方式接入3G網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸[10]。

3G模塊將采集到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行以下幾種處理:由應(yīng)用層傳送命令報(bào)文、傳輸層打包成TCP數(shù)據(jù)包、網(wǎng)絡(luò)層封裝IP包頭、數(shù)據(jù)鏈路層封裝成PPP幀,通過(guò)3G模塊登錄GGSN成功后,將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至Internet網(wǎng)絡(luò)。3G模塊在接收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送的控制指令時(shí),分別完成PPP包、IP包和TCP包解析,將讀取的監(jiān)控指令傳送至處理器進(jìn)行處理。EM770W芯片利用TCP/IP協(xié)議棧發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1 ZigBee組網(wǎng)測(cè)試

選用基于CC2530的ZigBee開發(fā)組件完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)測(cè)試工作。開發(fā)套件包括多功能協(xié)調(diào)模塊和簡(jiǎn)單的終端模塊,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用CC2530的ZigBee無(wú)線通信模塊,其組網(wǎng)實(shí)物如圖10所示。

圖10 ZigBee模塊實(shí)物圖

4.2 系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控中心的功能是將接收到的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示以及給出故障報(bào)警提示,其監(jiān)控中心界面如圖11所示,圖中顯示了機(jī)組各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),如發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),會(huì)對(duì)異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示,報(bào)警提示信息如圖12所示。登入系統(tǒng)后,將進(jìn)入監(jiān)測(cè)界面,系統(tǒng)除能顯示所有機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)外,還增加了管理員、角色管理、修改密碼和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能,圖13給出了振動(dòng)數(shù)據(jù)查詢曲線圖。

圖11 監(jiān)控中心界面

圖12 報(bào)警提示信息

圖13 數(shù)據(jù)曲線圖

圖14 中間軸水平加速度時(shí)域波形

4.3 故障診斷實(shí)例

這里選用位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)的布爾津風(fēng)電場(chǎng)中型號(hào)為GW50-750的機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。僅以采用加速度傳感器采集齒輪箱中間軸水平加速度數(shù)據(jù)為例。

圖14為中間軸水平加速度時(shí)域波形,圖中顯示中間軸時(shí)域波形存在沖擊,沖擊頻率為6.8 Hz,接近中間軸轉(zhuǎn)頻。圖15為中間軸水平加速度頻域波形,加速度頻譜顯示中間級(jí)嚙合頻率為131 Hz及其倍頻附近存在能量峰,能量峰在1、3、5倍頻處較明顯,能量峰成分為間隔6.8 Hz頻率,說(shuō)明中間軸齒輪損傷。

圖15 中間軸水平加速度頻譜

5 結(jié)束語(yǔ)

此系統(tǒng)結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、3G技術(shù)和傳感器等技術(shù),搭建了軟硬件平臺(tái),構(gòu)建基于ZigBee的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以成熟的 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,通過(guò)短距離無(wú)線通信技術(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組參數(shù)進(jìn)行采集,最終通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處監(jiān)控中心,進(jìn)行故障監(jiān)測(cè),并且當(dāng)發(fā)生安全隱患時(shí),給出報(bào)警信息,保證風(fēng)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

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Wind Turbine Vibration Fault Monitoring System Design Based on ZigBee*

WUChunming*,YANGJihong

(Department of Information Engineering,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012,China)

For the current,the problems which are the inconvenience of installation,maintenance and limited monitoring points of the wind turbine monitoring system,a wind turbine vibration fault monitoring system has been designed based on ZigBee.The system mainly consists of sensor nodes,the coordinator node,3G network and monitoring center node. Sensor nodes collect vibrational state parameters of the wind turbine and send them to the coordinator node.The processed information by the coordinator node are sent to the remote monitoring center by 3G networks. The design improves the reliability and real-time performance of the system.Test results show that the system can perform a good communication between nodes,high system stability,excellent real-time data transmission,and give timely alarm information,the diagnostic accuracy of 95.5%.

fault monitoring;WSN;ZigBee technology;3G network

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61301257);吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013020605GX);吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2015])

2016-04-14 修改日期:2016-05-02

TN92

A

1005-9490(2017)03-0656-06

C:8620

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.028