[旋转机械实时监测的研究] 全国空气质量实时监测

　　摘要：旋转机械是许多大型生产设备系列中不可缺少的关键设备，必须对设备进行实时监控。把传感器节点布置在旋转机械的有利测量点上采集数据，通过软硬系统平台搭建，实现无线传感器网络传输，在监控诊断中心由专家系统进行诊断，然后实现远程和本地控制，达到对设备进行及时维护和更换。通过系统仿真到达设计要求。
　　关键词：旋转机械 无线传感器网络 GAINZ节点
　　中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0024-02
　　
　　Research on Real-time Monitoring of Rotating Machinery
　　
　　CHENG Yue-ping
　　(Mechanical and electrical institute, Wuhan institute of technology, City Wuhan, 430074,China)
　　
　　Abstract: Rotating machinery is the key to many large production equipment is an indispensable device for real-time monitoring of the equipment must be. Arrangement enabling measurement of rotating machine sensor node point to data, through the soft and hard system platform structures, the transmission in wireless sensor networks, monitoring Diagnostic Center expert system for diagnosis and realization of remote and local control, to equipment maintenance and replacement in a timely manner. By system simulation to design requirements.
　　Keywords: Rotating machinery Wireless sensor networks GAINZ node
　　
　　在许多重工业工厂，旋转机械是许多大型生产设备系列中不可缺少的关键设备，对旋转机械的运行情况进行经常的检测是一个必需的工作，有利于预先发现旋转机械的潜在问题，从而对设备进行及时维护和更换等，而不影响正常生产。以前普遍的且较方便的方案是：、在工业厂房，把传感器节点布置在旋转机械的有利测量点上采集振动、噪声、温度、湿度等数据，然后采用有线通信方式把相关数据传送到控制中心的处理系统，从而实现对旋转机械进行监测与故障诊断。这种方案要在现场布置电缆、开关等设备，这对于在工厂生产现场相对较恶劣的环境来说并不是最佳方案，而且电缆、开关等设备处在这种较恶劣的环境下存在严重的安全隐患，比如电缆容易磨损折断、开关会出现接触不良等问题。解决的方法就是通过利用无线传感器网络来对旋转机械进行状态监测与故障诊断的。
　　1、旋转机械远程监测服务平台
　　旋转机械监测与故障诊断系统的网络布置示意图如图1所示。把具有不同特定功能的传感器节点布置在旋转机械的若干方便有利的测量点上，对旋转机械的运行环境进行数据的采集，具有较强的通信、数据存储和处理能力的基站接收来自布置在旋转机械设备上的传感器节点所采集和感测得到的有关振动、噪声、温度、湿度等数据，基站对数据进行融合等处理后，通过无线局域网把数据发送至监测控制中心和本地监控处。控制中心根据专家系统数据库对数据进行综合分析、诊断。如果发现异常则发出警告信号，基站就根据信号迅速下达相关指令，采取相对应的措施，比如中止旋转机械的运行等。
　　在正常的旋转机械状态监测中，采集数据的周期一般都比较长，为了节省能耗，在间隔时间内，部分传感器节点可以设置在休眠状态。当传感器节点采集到的数据经过专家系统分析为异常时，处于工作状态的传感器节点根据收到的来自基站的指令类信号则进入突发事件处理模式，并唤醒其他处于休眠状态的节点，对旋转机械的相关数据进行持续的采集和记录，以便收集更全面的数据，从而为系统做出更准确的分析结果提供保证。
　　2、旋转机械硬件平台
　　在考虑系统功能及整体结构，比较国内外传感器节点的优缺点后，选择GAINZ节点作为无线传感器网络部分实现平台。GAINZ节点具有如下特点。
　　(1)支持IEEE 802.15.4／zigbee规范；
　　(2)使用Chipcon CC2420 RF收发器支持2.4GHz频带；
　　(3)支持简化功能设备(Reduced Function Device，RFD)和协调器；
　　(4)高达512KB的低功耗Flash存储器；
　　(5)支持无时隙和带时隙的星形网络、网状网络以及混合网络；
　　(6)事件驱动低功耗传感器网络操作系统；
　　(7)提供串口和JTAG口用于调试和扩展应用范围；
　　(8)易于添加或删除特定模块的模块化设计。
　　GAINZ节点传输距离编程可调0～50m，有效距离可达50m以上；功耗低，睡眠状态电流仅为5mA，节能模式则达到110A；另外还有软件资源丰富，技术支持完备等特点。其硬件总体结构如图2所示。
　　3、旋转机械软件平台
　　本系统的无线传感器网络在GAINZ平台软件基础上修改，将传感器节点进行分组，并设置各个节点所能通信的网络分组，将传感器节点划分为不同的网络组。
　　3.1 数据采集
　　数据采集模块中的传感器采用简单的电阻应变式传感器、热敏电阻及湿敏电阻等，在不同的振动、温度及湿度下产生不同的电压，再经过AD转换读取相应的信息。ADC驱动实现传感器数据的采集，主要实现以下接口。
　　(1)硬件初始化接口，主要负责对ADC的控制寄存器进行设置，将ADC配置为预期的工作模式，在系统初始化时调用；参考电压选择；ADC使能，ADC中断使能等。
　　(2)采集数据接口，主要负责选择输入通道，并启动一次AD转换，供其他需要AD转换数据的模块调用。
　　3.2 数据传输
　　数据传输中的射频模块采用Chipcon公司的2．4GHz支持802．15．4／Zigbee的CC2420芯片。在系统上电时，对CC2420进行初始化，设置工作频率、工作模式、节点ID、网络ID等并初始化数据包，之后每5000个时钟周期发送一次数据。发送数据的载荷为传感器所读取的数据，为10次读数所获得的值，每发送一次数据序列号字段值加1。
　　地址字段Address包括源地址、目的地址、源网络和目的网络，其格式如表1。
　　每个节点设置一个IEEE 64位长地址demo_ieee_address及一个16位短地址shortaddress，并且每个节点属于一个网络，拥有一个网络编号SPAN。
　　uint8_t demo_ieee_address[8]；／／IEEE64位长地址
　　uintl6_t shortaddress；／／16位短地址
　　uintl6_t source_pan；／／网络编号SPAN
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　由于GAINZ平台编程麻烦，通过对GAINZ节点进行修改，采用节点的Bootloader程序，实现对节点进行远程重编程。
　　ATMEGAl28片内具有128K的FLASH程序存储器，Bootloader功能将其分为应用程序区(Apphcation Section)和引导加载区(Bootloader Section)，通过设置BOOTSZ熔丝位来配置其大小，并可以设置不同的加密级别。
　　3.3 程序更新
　　(1)SINK节点程序更新。SINK节点通过串口进行应用程序的更新。Bootloader程序主要实现串口数据的接收、发送，Hash的读写及验证等功能。Bootloader程序通过JTAG接口烧写到Hash的引导加载区，JTAG一端与计算机串口相连，另外一端与SINK节点连接。应用程序通过串口写入Flash的应用程序区， SINK节点直接通过串口与计算机相连。
　　(2)传感器节点程序更新。传感器节点通过2.4GHz无线射频收发芯片接收数据并通过SPI接口来实现应用程序的升级。Bootloader程序主要实现无线接口数据的收发、Flash的读写及验证等功能。其程序流程图如图3所示。编译选项及熔丝位配置同SINK节点。
　　PC机通过串口与SINK节点相连，传感器节点与SINK节点之间采用无线通信方式传输数据，PC机将更新程序的编程数据发送给SINK节点，再由SINK节点传输给传感器节点。
　　3.4 网络分组
　　将传感器节点分为不同的网络组，并设置节点所属的网络分组，以及每个节点发送数据的目标节点、目标网络，需要设置的信息见表2。
　　4、结语
　　在对旋转机械进行实时监测与故障诊断中，通过布置尽量多的传感器节点来获取更准确、更全面的数据，为系统提供了较强的容错能力。同时，传感器节点都布置在旋转机械设备的近距离范围内，对感测到的振动方面的数据更准确。并且大大降低了监测设备的成本，可以预先发现旋转机械中的可能存在的潜在问题，方便对设备进行提前的、必要的维护等，延长了设备的使用寿命。通过OPNET网络仿真软件的仿真，结果显示达到了设计要求。
　　参考文献
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　　作者简介
　　程月平(1974.6-)，女(汉)，湖北省天门，讲师，硕士，主要研究方向：控制理论与控制工程.
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