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(shè)備在役狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在保障機組安全、穩(wěn)定運行方面有著重要作用，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的升級日益受到行業(yè)的重視，尤其對反映各重大設(shè)備復(fù)雜運行狀態(tài)信息的振動信號。目前國內(nèi)外已先后推出過上百種在線的分布式和網(wǎng)絡(luò)化的機械振動監(jiān)測系統(tǒng)[1]，同時物聯(lián)網(wǎng)融合4G 通信技術(shù)的應(yīng)用已在電力行業(yè)各個領(lǐng)域悄然興起[2]。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下能夠?qū)⒋髷?shù)據(jù)技術(shù)、區(qū)塊鏈、人工智能密切地關(guān)聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)的成果，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）[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(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)低速業(yè)務(wù)，發(fā)展前景廣闊。為了彌補傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備在線振動監(jiān)測技術(shù)手段的不足，有機結(jié)合NB-IoT 無線傳輸技術(shù)與工業(yè)級加速度傳感檢測技術(shù)，打造了基于NB-IoT 技術(shù)的無線振動監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效解決數(shù)據(jù)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(yōu)勢[5]。

1 總體方案

該系統(tǒng)由監(jiān)測終端（硬件）和軟件系統(tǒng)兩大部分組成（圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成

（1）監(jiān)測終端包括微控制器、采集模塊（A/D 轉(zhuǎn)換及預(yù)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(zé)終端系統(tǒng)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(tǒng)則基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺搭建，先由工業(yè)級加速度傳感器采集機械設(shè)備對應(yīng)的振動信號并經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換和預(yù)處理后，微控制器轉(zhuǎn)由無線通信模塊將采集到的振動信號傳輸?shù)街付ǖ脑破脚_服務(wù)器，最終由云平臺存儲管理、信號處理及結(jié)果展示。

2 硬件設(shè)計

2.1 加速度傳感器

加速度計是工業(yè)現(xiàn)場最常用的振動傳感器，其中壓電式加速度計的優(yōu)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(shù)、低功耗、寬動態(tài)范圍、微機械結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，市場廣泛應(yīng)用。目前部分MEMS 加速度計已經(jīng)具有超低的噪聲和出色的溫度穩(wěn)定性，非常適合應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)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(yōu)勢明顯，但壓電式加速度計的帶寬和噪聲性能明顯更優(yōu)，當(dāng)前在工業(yè)現(xiàn)場的運用更普遍。綜合考慮后，選用常規(guī)工業(yè)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(xiàn)場離線巡檢測試結(jié)果更兼容、更便于比較。

2.2 設(shè)計與選型

2.2.1 NB-IoT 收發(fā)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(shù)，選擇移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

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

（3）部分現(xiàn)場旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備有可能位置偏僻，考慮到當(dāng)前中國移動的網(wǎng)絡(luò)覆蓋是最廣泛、最穩(wěn)定的，所以選取中國移動的NB-IoT 模組[7]。

（4）在物聯(lián)網(wǎng)模塊選型方面，具體元件則采用WH-NB73 進行二次開發(fā)。該模塊硬件集成了基頻芯片、MAC、功率放大器和射頻收發(fā)單元，內(nèi)置超低功耗運行機制，可以有效實現(xiàn)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(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，芯片SRAM 空間大小為320 kB，1 Mflash。

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

（3）采用AD7606 經(jīng)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(shù)轉(zhuǎn)換器對進入系統(tǒng)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(chǎn)品的使用靈活多樣，無線系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)

系統(tǒng)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(shè)計，提高電池利用率；②系統(tǒng)休眠時電壓芯片可控制為關(guān)斷模式，設(shè)置了電池的充電狀態(tài)燈，進入休眠模式后實測系統(tǒng)的電流為2.07 μA；③系統(tǒng)電池供電為2 節(jié)18650 鋰電池，電池容量為6800 mA·h，系統(tǒng)理論待機時間為32 850 h。系統(tǒng)運行時峰值系統(tǒng)測試電流為248.4 mA，系統(tǒng)主動發(fā)送一次時間為12 s，整個系統(tǒng)可以發(fā)送8212 次。按4 h 發(fā)送一次波形，一次充滿電系統(tǒng)可以持續(xù)工作3.7 年。

3 系統(tǒng)運用測試

3.1 系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用網(wǎng)絡(luò)B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）架構(gòu)開發(fā)，采用積木化模塊式的結(jié)構(gòu)，軟件組成有程序、數(shù)據(jù)、文檔等。B/S 結(jié)構(gòu)的特點是，將數(shù)據(jù)分布到某個數(shù)據(jù)服務(wù)器，將程序分布到程序服務(wù)器或Web 服務(wù)器；客戶端只需要加載應(yīng)用服務(wù)器的部分程序，用于數(shù)據(jù)的顯示和命令輸入。Web 瀏覽器是客戶端最主要的應(yīng)用軟件，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，能夠簡化系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用?？蛻魴C只要安裝有Google 或360 極速瀏覽器，就可以通過Web Server 同數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)庫則采用MySQL 開源數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)云平臺的監(jiān)測效果如圖3 所示。

圖3 云平臺監(jiān)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(wěn)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(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)。2022 年9 月21 日的測試結(jié)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(jié)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(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)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(jù)監(jiān)測圖譜，兩者測試結(jié)果基本一致。

根據(jù)計量檢定規(guī)程JJG 676—2019《測振儀》，配接加速度傳感器時幅值頻率響應(yīng)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(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)精度滿足要求。

3.2.2 歷史趨勢對照測試

在工業(yè)現(xiàn)場，針對某旋轉(zhuǎn)設(shè)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(yè)級加速度傳感器，直接接入基于NB-IoT 的振動狀態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)，以驗證監(jiān)測結(jié)果的可靠性。監(jiān)測對比表明，3 個方向的振動趨勢一致，與現(xiàn)場實際測試結(jié)果也一致，因此結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)束語

作為一項新興的無線技術(shù)，NB-IoT 正大量應(yīng)用于新時代不同的工業(yè)和生活場景?；贜B-IoT 物聯(lián)網(wǎng)[8-10]的機械設(shè)備無線振動監(jiān)測系統(tǒng)，將工業(yè)級加速度傳感器檢測技術(shù)結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備運行振動信號采集和無線傳輸中，實時、在線監(jiān)測多臺機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)早期識別蠕變故障，保證機械設(shè)備的正常運行。經(jīng)過測試，精度滿足振動計量檢定規(guī)程，歷史趨勢對照符合現(xiàn)場實際情況。