【正文】 第一章 緒論 1. 第一章 緒論 課題背景及意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展以及自動化程度的不斷提高，機械設備本身技術(shù)水平和復雜度也得到大幅提高，生產(chǎn)系統(tǒng)中各設備之間的聯(lián)系也越來越緊密，導致設備故障對生產(chǎn)的影響顯著增加。 已有研究成果證實，技術(shù)過程與工程系統(tǒng)中很多與過程異常變化或系統(tǒng)故障有關(guān)的問題以及可轉(zhuǎn)化成為這類問題的事件，都可以在過程監(jiān)控理論研究框架下得到解決[1]。因此，過程故障檢測及其相關(guān)技術(shù)的研究，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中有著 深刻的 價值和 意義 。 當前的在線診斷系統(tǒng)多依靠傳統(tǒng)的傳感器、工業(yè)以太網(wǎng)等局域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式采集 和傳輸，系統(tǒng)的安裝實施受現(xiàn)場條件的限制，而且信息檢測點不易更改和擴充。人工定時巡檢的方式 又 過多地依靠人的操作準確性，對于惡劣和危險的環(huán)境，特別是在危險化學品生產(chǎn)系統(tǒng)中難以推廣應用 [2]。 而應用無線傳輸技術(shù)可以解決這一難題，實現(xiàn)特殊地區(qū)特別是高危險區(qū)域的設備在線監(jiān)測與診斷，減少或避免設備故障和安全事故的發(fā)生。 將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應用于設備狀態(tài)監(jiān)測的無線傳輸過程，可以有效的擺脫工業(yè)現(xiàn)場的條件限制和環(huán)境威脅，并為狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供準確的診斷數(shù)據(jù)。 機泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展與 現(xiàn)狀 機泵是石油化工生產(chǎn)建設上應用最 廣泛的機械設備。近些年來，隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化的機械設備正朝著大型化、重載化、輕型化和高度自動化等方向發(fā)展。由于復雜度的提高，使得設備在結(jié)構(gòu)、強度、可靠性，以及材料、工藝等方面出現(xiàn)問題的可能性隨之提高，設備損壞事件也時有發(fā)生。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以提高大型旋轉(zhuǎn)機械的安全性，減少突發(fā)性事故，避免重大經(jīng)濟損失。大型旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究已成為國家重點攻關(guān)項目。 從 50 年代起，各種類型的傳感器和測振儀相繼出現(xiàn)，并開始應用于科學研究和實際工程中。之后的幾十年，隨著數(shù)字電路、計算機技術(shù)以及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，進一步推動了振動檢測技術(shù)在機械設備上的應用。 70 年代到 80 年代，許多發(fā)達國家漸漸開始對機械設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)進行研究。 80 年代國內(nèi)一些高校和科研單位開始進行機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的理論研究和小范圍工程實際應用研究 [3]。 并且在冶金、化工、機械、交通、電力及核工業(yè)等部門取得了一批卓有成效的成果，如哈爾濱工業(yè)大學研制的微計算機化旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測故障診斷裝置“ MMMDIII”、哈爾濱電工儀表所等單位聯(lián)合研制的“ 200MW 汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)第一章 緒論 測 /分析及故障診斷系統(tǒng) 2HX10”等，目前全國已有 數(shù)十個單位開展設備故障診斷技術(shù)的研究工作，各行業(yè)都很重視在關(guān)鍵設備上裝備故障診斷系統(tǒng)，特別是具有智能化功能的故障診斷專家系統(tǒng)，并已經(jīng)成功開發(fā)了 20 種以上的機組故障診斷系統(tǒng)。 目前，國內(nèi)外比較典型的狀態(tài)監(jiān)測方式主要有三種 [4]： 離線定期監(jiān)測：測試人員定期到現(xiàn)場利用傳感器對各測點進行測量，并記錄信號，在專用的計算機上進行數(shù)據(jù)處理和分析。 在線檢測離線分析：在設備上多個測點安裝傳感器，由現(xiàn)場微處理器進行各測點的數(shù)據(jù)采集和處理，然后在主機上由專業(yè)人員進行分析和判斷。 自動在線監(jiān)測：該方式不僅實現(xiàn)了自動在線監(jiān)測設備 工作狀態(tài)，及時進行故障預警的功能，而且可以在線進行數(shù)據(jù)處理和分析判斷。 以上三種方式，離線定期監(jiān)測的系統(tǒng)最簡單，但是測試流程繁瑣，需專人進行測試，且無法及時避免突發(fā)性故障。在線檢測離線分析方式應用最廣，較之前者省去了現(xiàn)場的人力，并能及時報警，但數(shù)據(jù)的分析和判斷仍然需要專業(yè)技術(shù)人員的參與。自動在線監(jiān)測是目前最先進的，不需要人為更換測點，不需要專門的測試人員，也不需要專業(yè)技術(shù)人員參與分析和判斷，能夠根據(jù)專家經(jīng)驗和有關(guān)準則進行智能化的分析和判斷。但是軟硬件的研制工作量大。 論文研究的主要內(nèi)容 本課題研究基于 ZigBee 的無線傳感網(wǎng)絡組建和優(yōu)化技術(shù)，研制包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和特征提取識別以及數(shù)據(jù)傳輸多功能集于一體的無線傳感網(wǎng)絡單元。并將該無線傳感器網(wǎng)絡應用于機泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以提供有效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，保障工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)活動能夠高效、安全的進行。 論文研究的難點與創(chuàng)新點 本課題對傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)做了改進與創(chuàng)新，構(gòu)建振動信號的無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)振動信號的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，論文的主要難點及創(chuàng)新點如下： （ 1）通信方案 本課題將基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡應用于機泵故障診斷及在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集。同時，采用 WiFi技術(shù)將 ZigBee 網(wǎng)絡與以太網(wǎng)連接到一起，從而實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與服務器之間的通信。采用無線傳輸方式來構(gòu)建相應的無線傳感器環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，能夠較好地解決人工及有線方式的缺點。由于 ZigBee 網(wǎng)絡具有自適應和自組織的能力，可形成相應的無線傳輸網(wǎng)絡。因此，對于大面積數(shù)據(jù)采集及傳輸應用的現(xiàn)場監(jiān)測，它的優(yōu)勢相當明顯。 （ 2）傳感器設計 第一章 緒論 在石油、化工等過程測量與自動化控制系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，因此 在本課題的設計中傳感器 選擇本安型，以防止爆炸的發(fā)生。 振動信號是旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中非常重要的參量，可以及時有效 的監(jiān)測 機泵 的運行狀態(tài)。 因此，本課題對振動傳感器采用雙傳感器的設計，不僅擴大了加速度的測量范圍，也保證了加速度范圍較低時能有更好的精確度。 （ 3）數(shù)據(jù)分析處理 以往的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通常將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)椒掌?，進行實時的顯示和分析。本系統(tǒng)利用基于 ARM 和 FPGA 的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理模塊，進行數(shù)據(jù)分析和處理，提取信號的特征參數(shù)，并對設備的狀態(tài)進行簡易識別，然后依據(jù)狀態(tài)采取雙工傳輸方式，設備正常時傳輸特征參數(shù)，設備可能出現(xiàn)異常時才傳輸波形數(shù)據(jù)，降低了ZigBee 網(wǎng)絡的傳輸負載和能耗，提高了系統(tǒng)的傳輸效率。 論 文的結(jié)構(gòu)安排 本文共分 5 個章節(jié)，各章節(jié)的內(nèi)容安排如下： 第一章簡述本文的研究背景，介紹了 機泵狀態(tài)監(jiān)測 系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢。 并概括了本課題的主要研究內(nèi)容，相對傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有哪些改進和創(chuàng)新。 第二章 構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡的機泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并闡述了 課題研究中采用的關(guān)鍵技術(shù) —— 基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡，并探討了 ZigBee 和 WiFi 的干擾與共存。 第三章 詳細介紹了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計， 全面而詳盡的描述了各個模塊的設計理念和實現(xiàn)方式。 第四章 結(jié)合實際應用，分析和驗證了基于 ZigBee 的機泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行中的效率。 第 五 章對全文進行總結(jié)，并對后續(xù)應開展的研究工作給出了幾點建議。 第一章 緒論 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 2. 第二章 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概 述 無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由客戶端、現(xiàn)場服務器，以及現(xiàn)場的 數(shù)據(jù)采集處理模塊 和無線通信系統(tǒng)等部分組成 。 數(shù)據(jù)采集處理模塊負責采集傳感器的電壓信號，并對其進行分析處理，提取有效的特征值。無線通信系統(tǒng)由 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡和 WiFi 無線網(wǎng)絡共同組成，其中前者用于各節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，后者用于協(xié)調(diào)器與有線網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場服務器負責存儲和管理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，響應 客戶端的請求，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理等工作。 無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如 圖 21 所示。 圖 21 無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig 21 Structure of wireless monitor system 本課題主要研究無線監(jiān)測智能單元的設計實現(xiàn)，并 組建振動信號的無線傳感網(wǎng)絡。 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點由傳感器、數(shù)據(jù)采集處理模塊和 ZigBee收發(fā)模塊組成，在 ZigBee中心節(jié)點 （即協(xié)調(diào)器） 的組織下構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡。所有 節(jié)點 的數(shù)據(jù)最終匯聚到中現(xiàn)場服務器 客戶端 3 客戶端 4 客戶端 1 客戶端 2 Router 內(nèi)部以太網(wǎng) 外部以太網(wǎng) ?? ? ? 傳感器 數(shù)據(jù)采集 處理模塊 傳感器 數(shù)據(jù)采集 處理模塊 傳感器 傳感器 數(shù)據(jù)采集 處理模塊 數(shù)據(jù)采集 處理模塊 WiFi ZigBee 收發(fā) 模塊 ZigBee 收發(fā) 模塊 ZigBee收發(fā) 模塊 ZigBee 收發(fā) 模塊 ZigBee 中心節(jié)點 無線監(jiān)測智能單元 無線監(jiān)測智能單元 無線監(jiān)測智能單元 無線監(jiān)測智能單元 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 心節(jié)點，通過 WiFi 網(wǎng)絡傳遞給現(xiàn)場服務器。現(xiàn)場服務器也可以 通過 中心節(jié)點 ，向各個節(jié)點發(fā)送指令。多個傳感器網(wǎng)絡可同時存在，每個 ZigBee 中心節(jié)點負責一個網(wǎng)絡，網(wǎng)絡間互不干涉 [5]。 無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡概述 第一代傳感器網(wǎng)絡 可以追溯到 上世紀 70 年代， 它是由 傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸 并 連接傳感控制器而構(gòu)成。隨著相關(guān)學 科的不斷發(fā)展和進步， 逐漸形成了 具 備 信息綜合和處理 的 能力 的 第二代 傳感器網(wǎng)絡。而從上世紀末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應用于智能化傳感器網(wǎng)絡 ，大量多功能傳感器被運用，并 通過 無線技術(shù) 進行 連接，無線傳感器網(wǎng)絡逐漸形成 [6]。 無線傳感器網(wǎng)絡是新一代的傳感器網(wǎng)絡，具有非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領域帶來深遠影響 [7]。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡也 被 列入其中?？梢灶A計，無線傳感器網(wǎng) 絡的廣泛 應用 是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。 雖然由于技術(shù) 、成本 等方面的制約 ，導致 無線傳感器網(wǎng)絡 還無法 大規(guī)模商業(yè)應用，但是 近些年來 ，隨著微處理器體積越來越小 ，計算成本越來越低 ，已經(jīng) 有 為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡投入使用。 目前無線傳感器網(wǎng)絡的應用主要集中在環(huán)境的監(jiān)測和保護 、 醫(yī)療護理 、 軍事 等 領域 。 無線傳感器網(wǎng)絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境 ， 如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測 [8]。它可以大幅降低檢查設備的成本， 并且 由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題， 因此 能夠縮短停機時間，提高效率， 并延長設備的使用時間。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應用階段，但已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的應用價值， 相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進， 必將發(fā)揮更大的 應用 價值 。 基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡 ZigBee 技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡方案。在 ZigBee 方案被提出一段時間后， IEEE 工作組也開始了一種低速率無線通信標準的制定工作。最終 ZigBee 聯(lián)盟和 IEEE 工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準，該協(xié)議標準被命名為“ ZigBee”。 ZigBee 支持 mesh 型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡規(guī)模可以比藍牙設備大得多。 ZigBee 無線設備工作在公共頻段上（全球 ，美國 915MHz，歐洲 868MHz），傳輸距離為 10~75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境以及特定應用條件下的輸出功耗。 ZigBee 的通第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 信速率在 時為 250kbps，在 915MHz 時為 40kbps，在 868MHz 時為 20kbps。 IEEE 主要制定協(xié)議中的物理層和 MAC 層； ZigBee 聯(lián)盟則制定協(xié)議中的網(wǎng)絡層和應用層，主要負責實現(xiàn)組網(wǎng)、安全服務等功能以及一系列 無線家庭、建筑等解決方案，負責提供兼容性認證，市場運作以及協(xié)議的發(fā)展延伸。從而保證消費者從不同供應商處買到的 ZigBee 設備可以一起工作。 完整的 ZigBee 協(xié)議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成 [9]，如 表 21 所示： 表 21 ZigBee 協(xié)議棧組成 Table 21 Structure of ZigBee protocol 應用層 應用匯聚層 網(wǎng)絡層 數(shù)據(jù)鏈路層 LLC MAC 物理層 應用層定義了各種類型的應用業(yè)務，是協(xié)議棧的最上層用戶。 應用匯聚層負責把不同的應用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡層上，包括安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚、設備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務發(fā)現(xiàn)。 網(wǎng)絡層的功能包括拓撲管理、 MAC 管理、路由管理和安全管理。 數(shù)據(jù)鏈路層又可分為邏輯鏈路控制子層（ LLC）和介質(zhì)訪問控制子層（ MAC）。IEEE 的 LLC 子層與 IEEE 的相 同，其功能包括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸。 IEEE MAC 子層通過 SSCS（ ServiceSpecific Convergence Sublayer）協(xié)議能支持多種 LLC 標準，其功能包括設備間無線鏈路的建立、維護和拆除，確認模式的幀傳送與接收，信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理。 物理層采用 DSSS（ Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻）技術(shù)，定義了三種流量等級：當頻率采用 時，使用 16 信道，能夠提 供 250kbps 的傳輸速率；采用 915MHz 時，使用 10 信道，能夠提供 40kbps 的傳輸速率；當采用 868MHz時，使用單信道，