駱寅 董健 韓岳江

摘 ?要： 針對傳統(tǒng)的振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、信號干擾等問題，提出一種新型基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水泵振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。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(tǒng)，分別采用傳統(tǒng)的有線振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與該設(shè)計的無線振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來對該離心泵進行試驗。該設(shè)計的無線監(jiān)測系統(tǒng)通過對水泵監(jiān)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(shù)上傳安卓上位機，與傳統(tǒng)的有線振動采集監(jiān)測系統(tǒng)的試驗結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩組結(jié)果整體變化趨勢基本一致，數(shù)值變化都呈隨著流量的穩(wěn)定而逐漸減小趨勢，具體數(shù)值大小差距不大。試驗數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計的無線振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以滿足對水泵振動監(jiān)測的需求，并可取代傳統(tǒng)的有線振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 水泵; 振動監(jiān)測; 無線傳輸; 系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個行業(yè)，被譽為“國民經(jīng)濟的心臟”，因此研究和開發(fā)泵故障診斷的方法和裝置具有十分重要的意義。在機械設(shè)備故障診斷研究領(lǐng)域中，通常是利用設(shè)備運行中產(chǎn)生的振動[1?2]狀態(tài)信號進行監(jiān)測，從而能及時對其運行狀態(tài)進行診斷。因此，對水泵的振動信號進行監(jiān)測分析很有必要?，F(xiàn)有的振動信號監(jiān)測系統(tǒng)由PC機、采集卡和振動傳感器等構(gòu)成，通過傳感器獲取振動信號轉(zhuǎn)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(yè)現(xiàn)場環(huán)境下，由于工業(yè)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(zhì)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(jiān)測并診斷。本文設(shè)計系統(tǒng)大大地降低了依靠振動信號監(jiān)測和診斷泵故障的難度，并實現(xiàn)了遠程實時監(jiān)測的功能。

由于考慮到工業(yè)環(huán)境中線路的老化會導(dǎo)致振動信號傳遞和故障診斷的可靠性下降，專家學(xué)者們開始考慮和研究對水泵運行狀態(tài)的監(jiān)測方法。湯躍等人在水渦輪監(jiān)測上將傳感技術(shù)和無線技術(shù)相結(jié)合起來，實現(xiàn)對特性參數(shù)無線監(jiān)測[3]。Alvaro Araujo等人設(shè)計了一種基于PIC32和ARM9為微處理器的系統(tǒng)，并嵌入Linux操作系統(tǒng)，再利用WiFi無線通信的方法進行數(shù)據(jù)傳輸，用于監(jiān)測人體生命體征的振動監(jiān)測節(jié)點[4]。美新公司MEMSIC提出的一種基于LOTUS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LPR2400為監(jiān)測節(jié)點的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。在泵的運行狀態(tài)監(jiān)測研究領(lǐng)域中，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)[5?7]的遠程實時監(jiān)測與診斷的研究比較少。

在工業(yè)生產(chǎn)中，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)測技術(shù)在其他的領(lǐng)域已有更多應(yīng)用[8?10]，而該技術(shù)應(yīng)用在泵系統(tǒng)的故障監(jiān)測領(lǐng)域相對其他的技術(shù)會有許多優(yōu)越性。監(jiān)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(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的不足[14]，不需要工作人員現(xiàn)場監(jiān)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(tǒng)安置和信號傳輸?shù)馁|(zhì)量等復(fù)雜問題，從而實現(xiàn)對水泵振動狀態(tài)的監(jiān)測及診斷的可靠性、實時性。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

首先對當(dāng)前水泵振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及存在的問題進行分析，根據(jù)水泵的振動機理和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測為理論基礎(chǔ)，本文提出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)的設(shè)計主要是由微處理器模塊、信號采集模塊、無線數(shù)據(jù)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(jiān)測節(jié)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(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)換并完成數(shù)據(jù)分析處理;最后，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將處理數(shù)據(jù)及結(jié)果上傳至安卓上位機，并在上位機顯示與存儲。

2 ?硬件設(shè)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(tǒng)的CPU控制電路，通過芯片的三個I/O口PA4，PA5，PA6讀取經(jīng)信號調(diào)理過的MESE傳感器相應(yīng)寄存器的模擬信號，再利用微處理器模塊的A/D轉(zhuǎn)換器功能將其轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。采用的轉(zhuǎn)換公式為[D=AVref·2n-1]，其中，D為數(shù)字信號，A為模擬信號，Vref表示參考電壓，n表示模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的位數(shù)。微處理器模塊利用數(shù)字信號進行數(shù)值分析處理。最后通過微處理器來控制無線數(shù)據(jù)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(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。最小系統(tǒng)的部分電路如圖2所示。

微處理器的外圍電路分別是復(fù)位電路和調(diào)試電路。在系統(tǒng)上電后，復(fù)位電路使微處理器模塊可以快速復(fù)位，并處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于微處理器的各個引腳是低電平復(fù)位，所以復(fù)位電路設(shè)置為低電平復(fù)位;調(diào)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(diào)試，保證系統(tǒng)能正常運行工作。

2.2 ?信號采集模塊

在旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測診斷的研究中，旋轉(zhuǎn)部件的運動量是研究的重點。具體來說，運動量是指旋轉(zhuǎn)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(nèi)置信號調(diào)理電路，簡化系統(tǒng)布線的復(fù)雜性，提供經(jīng)過信號調(diào)理電路輸出的模擬信號，再通過微處理器模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)傳輸模塊

在整個傳輸過程中，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊只負責(zé)對數(shù)據(jù)進行傳輸，將微處理器模塊的數(shù)據(jù)與處理結(jié)果發(fā)送給安卓上位機。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用NRF24L01芯片來設(shè)計，由于該模塊內(nèi)置高速緩沖存儲器，可以減少系統(tǒng)對CPU的存儲需求，從而提高整體系統(tǒng)的性能。首先，將NRF24L01配置為發(fā)射模式（置PWR_UP為1，PWR_RX為0），把接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序分別由SPI口寫入NRF24L01緩存區(qū)，當(dāng)CSN為0時，可以將TX_PLD連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)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(fā)射數(shù)據(jù)，等發(fā)射成功時，進入空閑模式，從而實現(xiàn)STM32F407與安卓上位機之間的無線（WiFi）數(shù)據(jù)傳輸，簡化了系統(tǒng)的連接與操作。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊圖如圖4所示。

3 ?軟件設(shè)計

3.1 ?系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計

首先，在主函數(shù)中對系統(tǒng)的各個模塊進行初始化程序設(shè)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(chuàng)建系統(tǒng)的主任務(wù)，主要是三個子任務(wù)，分別為：采集函數(shù)子任務(wù)、接口驅(qū)動函數(shù)子任務(wù)及通信協(xié)議子任務(wù)。其中，數(shù)據(jù)采集函數(shù)需要完成對振動信號的采集、轉(zhuǎn)換、存儲及處理等任務(wù);接口驅(qū)動函數(shù)需要完成各個設(shè)備模塊間的數(shù)據(jù)傳輸與互通任務(wù);通信協(xié)議用來完成微處理器模塊與上位機之間的無線通信任務(wù)。具體的軟件系統(tǒng)分塊圖如圖5所示。

3.2 ?信號采集數(shù)據(jù)處理

在水泵運行過程中，考慮無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shè)置無線數(shù)據(jù)傳輸模塊按時發(fā)送處理結(jié)果。

采集振動信號方式如下：設(shè)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(shù)據(jù)，即采集頻率約為1 MHz，求X，Y，Z三個方向100個數(shù)據(jù)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(wěn)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(dāng)振動烈度值Trms≤0.71，代表葉片泵運行狀態(tài)優(yōu)良;當(dāng)振動烈度值0.714.5，代表葉片泵運行狀態(tài)不合格，應(yīng)馬上停止運行，對泵進行安全檢查。

3.3 ?安卓上位機系統(tǒng)設(shè)計

安卓上位機客戶端界面的設(shè)計主要是由安卓布局與組件間的協(xié)作來完成的。在上位機界面的設(shè)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(shù)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(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)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(tài)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(guān)閉系統(tǒng)。在安卓上位機開發(fā)設(shè)計中，指令的下發(fā)是通過點擊事件監(jiān)聽函數(shù)實現(xiàn)的。首先需要對軟件中監(jiān)聽函數(shù)進行定義，設(shè)置按鈕按下作為一個開始指令時，安卓上位機的界面執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，被點擊的文本控件做出響應(yīng)。

4 ?系統(tǒng)測試

系統(tǒng)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(nèi)徑分別為65 mm和50 mm的壓力罐、穩(wěn)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(shè)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(shù)據(jù)。試驗現(xiàn)場布置如圖6所示。

4.1 ?有線振動采集監(jiān)測系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的有線振動采集監(jiān)測系統(tǒng)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(jīng)過電荷放大器的調(diào)理將輸出電信號轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號，通過數(shù)據(jù)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(shù)值進行處理分析，并顯示出水泵實時的振動數(shù)據(jù)。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(jiān)測系統(tǒng)

無線振動采集監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測節(jié)點是泵的軸承座處，放置的位置與有線振動監(jiān)測試驗中安置位置保持一致，并將其固定后，確定無線數(shù)據(jù)傳輸模塊加入WiFi網(wǎng)絡(luò)后，再設(shè)置合適的參數(shù)并登錄安卓上位機系統(tǒng)，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(jiān)測。安卓上位機的監(jiān)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(jié) ?論

根據(jù)上述實驗，可得到結(jié)論：本文設(shè)計的無線振動采集監(jiān)測系統(tǒng)采集的位移峰峰值與振動烈度值的數(shù)值變化趨勢呈隨著流量的增大而逐漸減小趨勢，與傳統(tǒng)的有線振動采集監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的變化趨勢一致。在數(shù)值上，無線振動監(jiān)測系統(tǒng)所測數(shù)值普遍略小于有線振動監(jiān)測系統(tǒng)，原因如下：

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

2） 有線振動監(jiān)測系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的數(shù)目比無線振動監(jiān)測系統(tǒng)少，導(dǎo)致有線監(jiān)測的結(jié)果普遍略大于有線振動監(jiān)測系統(tǒng)。

所以本設(shè)計的無線振動監(jiān)測系統(tǒng)可以滿足對水泵振動監(jiān)測的需求，并可替代傳統(tǒng)的有線振動監(jiān)測系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 夏勇，王春林，楊曉勇，等.雙吸泵作液力透平內(nèi)部流動誘導(dǎo)噪聲數(shù)值分析[J].排灌機械工程學(xué)報，2016，34（6）：483?489.

[2] 李維強，李偉，施衛(wèi)東，等.汽車發(fā)動機冷卻水泵的研究進展[J].排灌機械工程學(xué)報，2016，34（1）：9?17.

[3] 吳晨，湯躍，湯玲迪，等.基于安卓系統(tǒng)的水渦輪特性參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].排灌機械工程學(xué)報，2017，35（4）：362?368.

[4] ARAUJO A， GARCIA?PALACIOS J， BLESA J， et al.Wireless measurement system for structural health monitoring with high time?synchronization accuracy [J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement， 2012， 61（3）： 801?810.

[5] WATT A J， PHILLIPS M R， CAMPBELL E A， et al. Wireless sensor networks for monitoring underwater sediment transport [J]. Science of the total environment， 2019， 667： 160?165.

[6] LI Hongri. An algorithm of wireless sensor monitoring system [J]. International journal of online engineering， 2018， 14（1）： 52?65.

[7] OLATINWO S O， JOUBERT T H. Efficient energy resource utilization in a wireless sensor system for monitoring water quality [J]. EURASIP journal on wireless communications & networking， 2019（1）： 1687?1499.

[8] VARGHESE T， VARGHESE T， BHATELE M. Remote blood pressure monitoring using a wireless sensor network [C]// 2012 Proceedings of All India Seminar on Biomedical Engineering. Bombay： Springer， 2013： 153?158.

[9] BOTTERO M， CHIARA B D， DEFLORIO F P. Wireless sensor networks for traffic monitoring in a logistic centre [J]. Transportation research part C： emerging technologies， 2013， 26（1）： 99?124.

[10] SONG G L， WANG M H， YING X， et al. The application of wireless sensor network in agriculture information collection [J]. Applied mechanics and materials， 2013， 263： 872?877.

[11] 方偉，宋鑫宏.基于Verona圖盲區(qū)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制部署策略[J].物理學(xué)報，2014，63（22）：128?137.

[12] JIG X D， BOA Z H， CHEN X. Power minimization for OFDM modulated two?way amplify?and?forward relay wireless sensor networks [J]. Eurasia journal on wireless communications & networking， 2017（1）： 70?72.

[13] ?KANG Z P， ZENG H， HU H B， et al. Multi?objective optimized connectivity restoring of disjoint segments using mobile data collectors in wireless sensor network [J]. Eurasia journal on wireless communications & networking， 2017（1）： 65?66.

[14] LIM D H， KIM S C， KIM M S. Thermal analysis of an electric water pump for internal combustion engine vehicles [J]. International journal of automotive technology， 2013， 14（4）： 579?585.

[15] MEI B Q， LUCAS J， HOLE S， et al. Origin of frequency difference between damped and sustained modes in vibrating wire sensors [J]. Sensors & actuators a physical， 2016， 241： 66?73.