无线传输技术在工业测振中的应用和发展

赖为民，佘启军，郝 倩 ，郑建新，钱国义，成 兵

（1.武汉钢铁股份有限公司，湖北 武 汉 4 30080；2.北京工业大学，北京 1 00124；3.武汉昊海立德科技有限公司，湖北 武 汉 4 30080；4.武汉蜂网科技公司，湖北 武 汉 4 30083）

一、应用现状

目前国内开发的无线传输系统有两个显著特点：第一，采用无线短程网采集数据，再通过无线网络及有线网络的网关送入上位计算机存储和处理；第二，针对一台设备只要设一个数据采集节点，生产现场即使有很多设备同时作业，只要每台设备设一个采集终端，所有数据都能够经由部署在生产现场的无线网络的路由节点和协调器及网关节点，可靠地送入计算机。而无线网络又分为两个层面：现场网络和工厂网络。现场网络包括测量仪表和控制设备，工厂网络则包括移动终端、人员设备跟踪设备、移动通信工具、视频监控等。在无线工厂网络中，用户可以通过无线移动终端来访问控制设备管理信息。使用跟踪设备还可以对工作人员和设备进行无线定位，工作安全性得以提高。在无线工厂网络中，一般使用的是工业WiFi技术。在无线现场网络中，一般使用WirelessHART技术、ZigBee技术。现场的无线设备组成一个自组织网络，设备之间的通信可以自由选择路径，设备数量可以任意扩展。

无线测振系统的设计采用了ZigBee通信模块，并配置成mesh网络拓扑结构，每个测振仪在网络中就等同于一个网络节点，既可作为网络的终端节点，也能作为网络的路由中继节点。网络存在ZigBee主控节点，并与控制中心的PC机或工控机连接，转发发送控制采集命令给测振仪，接收各测振仪送回的振动数据信息，对此进行分析和处理，从而实现无线网络的远程振动信息监控。武钢冷轧总厂现采用该类无线测振技术对电机的状况进行检测并取得良好效果。安装工程只需几天，就可以连续提供精确的振动数据，测振装置可对机械设备进行振动监测，并经由无线网络进行数据传输，将测量数据传送到上位机中分析软件进行分析和处理，预先发现和确定问题所在，以适时安排维护工作。

二、工厂中无线技术的应用领域

无线技术在工厂中的应用范围很广，它可以帮助用户解决很多实际问题，如延长设备使用寿命、优化工艺装置效率、减少维护工作量和满足安全及环保要求等。

1.延长设备寿命。设备故障和相关的维护工作既费时又费钱，同时也影响工厂的产量和效率。故障不及时排除也将缩短设备使用寿命。无线技术可以有效监测这些设备，省去繁琐的布线工作，有效延长设备寿命。

2.优化工艺装置的效率。很多工艺设备现在都缺乏有效监测，带故障运行会降低生产效率。无线方案以经济的方式提供额外的测量数据，对这些设备进行有效的在线监测，以提高生产效率。这些测量点包括以前无法实现的测量点，如在移动或旋转设备上的测量点，或是在危险场合的测量点。

3.减少维护工作量。大多数工厂仍然采用被动式的维护方式，无线测振方案可以对设备进行在线监测，用户只需对有故障预警的设备进行及时维护，真正实现预测性和前瞻性维护。

三、测量系统实现

1.解决问题的必要条件。解决问题的必要条件是开发具有无线数据传输功能的嵌入式数采器和规划实用的远程诊断系统，采用明晰、合理的系统结构。常见系统结构如图1、2所示。

图1 树形网络

图2 星形网络

一个ZigBee个人局域网（PAN）包括一个协调器、一个或多个终端设备。每个网络中必须要有一个协调器，它是整个网络的中心，负责网络的维护和协调；路由器负责网络中数据包的路由选择，并用来拓展网络范围；终端设备是实现具体功能的单元。在无线测振系统中通常是加速度及位移传感器。

2.从节点硬件设计。从节点作为传感器节点是振动测量的基本单元，主要完成对监控设备的速度、加速度信号的测量。从节点的结构框图见图3。

3.无线传输电路。图4采用的是美国某公司的XBee-PRO2ZigBeeOEM无线射频模块，它具有部署快、接口简单、扩展性强和功耗低等优点。

4.系统软件设计。软件设计分为主节点与从节点两部分，具体软件流程如图5所示。主节点的任务通过基于VB/LabVIEW等开发环境开发的上位机操作界面完成，主要完成两部分内容：（1）网络初始化与通信链路的建立，这部分工作主要由开发上位机在底层完成。搜索成功可以搜集网络节点信息，包括节点状态和网络地址等；（2）网络成功建立后，用户可以发出监测指令，选择目的从节点，启动速度、加速度测量，操作界面实时显示测量数据与监测时间。测量间隔根据具体要求进行设定，即主节点定时发送速度加速度测量指令，启动定时测量。主节点的软件流程如图5a所示。从节点的软件流程如图5b所示，从节点主要完成指令接收，读取速度、加速度传感器数据并记录测量时间。数据采集需要单片机严格按照读取时序操作，以确保数据可靠准确。数据采集后单片机一方面送液晶屏幕实时显示，另一方面通过监测网络传送给主节点。由此实现了对目标区域的无线速度、加速度实时监测。

四、工业标准——WirelessHARTTM

到目前为止，世界上只有WirelessHART是已经正式发布的适合于过程控制行业使用的无线国际标准。该标准具有以下特点。

1.自组织、自适应网状结构。它不要求用户具有无线技术方面的专门知识，设备在网中会自动查找最佳的通信路径；网络具有连续监视通信路径的功能，当某个节点通信性能下降时，它能自行修复；网络具有自适应功能，无需人员干预就可以可靠运行，网络的扩展和重组能力强；支持星形和网状拓扑结构。

2.符合工业标准，带信道跳频。它符合IEEE 802.15.4无线标准；采用2.4GHz通用频率，可细分成16信道；信道间可以连续跳频，避免干扰和提高可靠性；增加了扩展跳频〔FHSS〕技术，具有极高的可靠性。

3.具有自修复功能。如果网状网络出现障碍，设备将自动寻找其他最佳替换通信路径，创建新的通信路径以保证信息畅通。

4.与现有主机系统可以实现无缝连接。网关和主机控制系统的集成是透明和无缝的；主机控制系统无需升级和特别软件；网关的接入采用标准的接口协议。

五、结束语

基于无线网络技术的测振系统可同时对多个区域进行监测，而且开发成本较低，性价比高，安装维护简单，只需安装一次就可以进行长期的监测工作，因而具有传统监测系统所不具备的优势。能较好地解决传统测振监测系统中存在的布线搬迁等问题，非常适用于复杂工业现场环境的参数监测应用。总之，采用无线传感器网络进行设备振动检测，无需布线、节省安装时间和安装费用，可大大提高检测效率，具有很好的应用前景。

在无线测振技术的工业应用上，目前国内外都在探索适合当前无线技术发展状况，又能实现无线技术特点的应用。设备振动状态监控中无线技术大有可用之处。在使用电缆相当费时费钱或工业现场比较复杂恶劣的场合可方便地利用无线技术替代常规方法，无线传感器及其网络系统由于其小型化、集成化、低维修费用、少安装时间等特点而成为近年来结构健康监测系统的研究热点。如监控旋转机械设备或移动机械设备内的某些参数时，利用无线传输可避免采用不可靠的滑环接触传输信号；在没有可供电缆敷设的地方，或是距离较长而检测点很分散的地方，无线传输的解决方案既节省费用，又能快捷地实现。

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