泵站机组轴承监测的无线传感器网络系统设计

王宏

（华中科技大学同济医学院附属同济医院，湖北武汉43000）

泵站机组轴承监测的无线传感器网络系统设计

王宏

（华中科技大学同济医学院附属同济医院，湖北武汉43000）

为提高同济医院中型泵站卧式机组水导轴承使用寿命，减少因轴承破损导致的异物压入缺陷，分析扇形段轴承失效的原因，提出了树形双汇聚节点的分簇无线传感器网络总体拓扑结构，并在此基础上对类节点进行硬件的选型与设计，完成了监测系统硬件平台的搭建。

轴承；故障诊断；无线传感器网络

改造前同济医院泵站机组额定静水头为105.8 m，最大扬程130.4 m，轴承的额定转速为200 r/min，水轮机主轴轴领处直径φ1350 mm，主要参数线速度指标在立式机组中已属高速。水泵是旋转机械，转子不平衡、不对中，部件的润滑和密封等都会导致机组故障。磨损、腐蚀、疲劳、老化、汽蚀等失效形式，机组部件材料的性能、安装质量和运行条件都可能是水泵机组及其关键部件故障的原因。轴承故障还具有潜在性、渐发性、耗损性、模糊性和多样性等特性［1-2］。

轴承的故障诊断方法有很多，根据状态信号的物理性质分主要有温度法、振动法、油液分析法、油膜厚度分析法等。综合分析以上各种诊断方法，基于振动信号采集的轴承故障诊断方法具有检测早期故障的能力，同时该方法运用广泛、处理方法成熟，因此，选择振动信号作为轴承状态监测的信号源［3］。本文设计的泵站机组轴承监测无线传感器网络系统旨在及早探测轴承可能存在的危险，实现对泵站运行的自动控制，保证机组运行的正常平稳。

1　需求分析与总体设计目标

对于轴承的故障状态诊断，一般需对振动信号进行简易诊断和精密诊断两个层次的分析以便得出诊断结论。在已有的振动监测系统中，为了对设备的运行状况进行分析需将能够反应设备故障信息的全部振动信号进行分析，而机械振动信号的采集频率较高（不低于1 kHz）、数据位数较长（为提高振动数据分辨率一般为12位以上），因此需要进行传输的数据量大。无线传感器网络在进行大数据量传输时容易造成节点能量消耗的提高、数据丢包率和误码率的增加以及传输时效性的降低［4］。

针对上述问题，旨在设计能够适应轴承状态监测与故障诊断的无线传感器网络系统，对于该系统的架构设计，需要在重点考虑各类节点的数据处理能力和传输能力的基础上进行节点硬件设计和软件设计。对于同济医院中型泵站卧式机组水导轴承无线振动监测系统的设计主要考虑以下几个方面：

（1）稳定性

系统的稳定性主要体现在两个方面：一是系统中各类节点硬件的稳定性。机械设备的工作环境往往比较恶劣，智能监测节点需要安装在设备上，这就要求监测节点所选用的各个元器件都能够在湿度大、温度高、振动强的环境下正常工作。二是系统无线数据传输的稳定性，主要考虑在工业现场恶劣的射频通讯环境下，容易导致数据包的丢失，同时由于振动信号数据量大，实时性高，对网络的稳定性也有较高的要求。

（2）实时性

由于轴承状态监测特别是重要位置轴承的状态监测对实时性的要求很高，及时采集振动数据并对其进行处理、传输、形成诊断结论对状态监测才有意义，因此系统在设计时需要提高监测的实时性，包括数据采集、处理和传输的实时性。

（3）微处理器性能

基于振动的状态监测要求采集的频率高、数据量大、实时性强，处理器需要处理的任务也相应增加。对于智能监测节点处理器而言，节点需要完成振动数据采集、振动信号的初步分析处理以及振动特征值或振动数据的无线传输等多项任务，对节点处理器的处理能力和存储量提出了较高要求。

（4）信道容量

智能监测节点的采样速率较高，一般不低于1 kHz，并通过无线方式对振动特征值或振动数据进行传输，针对振动监测中有进行大量数据传输需求这一情况，无线传感器网络在进行无线通讯模块选择时，需要选择传输速率较高的传输方式。

2　高效传输无线传感器网络的设计

2.1基于多汇集点的无线传感器网络拓扑结构

适用于轴承的无线监测网络采用人工布点的方式，且布点的位置也相对固定，因此无线信道线路相对稳定，设计中可以对设计传输信道的通信质量进行测试，一般不需要考虑无线传输信道不断变化造成的数据传输失败［5］。在无线传感器网络系统中，基本的网络架构有两种：一种是基于静态路由的Star型结构单跳无线传输模式，另一种为基于动态路由的Mesh型结构多跳无线传输模式［6］。

如图1（a）所示为单跳无线传输的星型无线传感器网络结构，其网络结构简单，容易实现，且整个网络中各个监测节点的能量消耗平均，同时数据包的网络延时较小。Mesh网络拓扑结构如图1（b）所示，此拓扑结构从设计上较为复杂，具有网络容量大、传输范围广、数据传输可靠性高等优点［7］。

图1　基本类型拓扑结构图

针对需要设计的轴承的无线传感器网络监测系统，Mesh型无线传感器网络能够体现出各个节点能量消耗均匀、数据及时上传的优势，这是系统准确完成监测和诊断的前提条件，同时，可以通过增加中继节点的方式来拓展网络的覆盖范围。因此，设计的无线传感器监测网络采用Mesh基本拓扑结构。

考虑到单跳网络传输范围的有限性，这里对Mesh拓扑结构进行改进。在工业现场，监测节点的安装位置由设备和生产线的具体状况决定，虽然在工业现场监测节点数量相对有限，但是由于设备分布具有高度集中性和高度分散双重特性，因此监测节点的分布也具有同样具有这样的性质，为了避免单跳传输范围的局限性本系统采用添加中继节点的方式增加数据的传输距离。同时，为了提高数据传输的时效性及故障节点数据上传的全面性，采用正常节点与故障节点监测数据分通道传输的工作模式，当节点所监测的轴承处于正常工作状态时，监测节点通过主网络上传其计算得到的时域和频域特征参数；当监测节点处于异常工作状态时，监测节点通过系统报警网络上传其采集得到的轴承振动数据的全部内容。通过以上两部分改进，最终形成了双汇聚节点的树形网络拓扑结构。

图2为无线传感器网络测振系统的拓扑构成，WSN协议设计采用树形双汇聚节点的分簇网络拓扑结构，即整个网络中有两个汇聚节点，分别为主汇聚节点和报警汇聚节点。网络具有二级和三级两种模式，分别为智能测振节点—汇聚节点两级模式或者智能测振节点—中继节点—汇聚节点三级模式。测振节点进行振动数据的采集、处理和分析，将需要上传的数据上传至相应的汇聚节点；汇聚节点则统一控制网络中各个节点的时序，一方面将来自于服务器端的控制指令发送给测振节点，另一方面收集智能监测节点上传的数据，并发送到服务器端，服务器对现场采集的信号进行处理、存储，并进行故障分析及诊断，同时，服务器还可以向测振节点发送指令以获得预期的效果，如改变特征值类型、报警值以及进行数据的实时采集。

振动信号数据采集系统的各个节点需实现以下三方面的主要功能：振动信号的采集、振动信号的处理和振动信号的传输。设计的节点要能够满足数据高速采集、数据高速传输、组网方便、抗干扰能力强、易安装以及供电便捷等要求。

为了将采集得到的振动信号及时有效地传递给最终的客户端，得出诊断结论，针对无线传感器网络传输大数据量的困难这一问题，增加了汇聚节点的数量。为了在现有的条件下实现大量监测数据的及时上传，基于无线传感器网络的机械振动监测模式中提出了基于多汇集点的网络拓扑结构，其监测架构如图3.将Mesh网络中的节点分布在监测点上，由传感器接入无线节点完成信号的获取，同时通过无线网络将输出传送给Sink节点，最终将数据传送给数据终端。

图3　多聚集节点监测构架图

基于多汇聚集点的传输模式从本质上可以理解为监测数据的多通道传输，这种传输模式减缓了只有一个Sink节点传输时造成的数据传输瓶颈，但是这种传输方式并没有减少采集节点的数据发送量，同样不能减少数据发送带来的能量消耗以及数据传输的误码率、丢包率，同时Mesh网络结果虽然有助于数据稳定传输到Sink节点，但会导致近Sink节点转发数据包的任务加重，使近Sink节点过早失效。

2.2基于特征提取方案的监测数据传输策略

从轴承的失效形式、机理和故障特点出发，通过智能监测节点进行数据分析和特征提取，并以计算结果为诊断依据，从而达到减少数据发送量的目标。将采集得到的轴承振动信号从时域和频域两个层面进行分析，时域分析中主要考虑数据的有效值、峰值指标、脉冲指标、峭度指标等参数，并将其作为故障诊断中的主要依据；从频域的角度考虑，对比多种处理方法后最终确定使用共振变换方法进行数据特征提取，通过智能监测节点处理将得到信号的低频包络信息，在此基础上进行fft变换就可以得到轴承的低频故障信息。

通过特征提取的方法对轴承的故障信息进行处理可以大幅度减少需要传输的监测数据量，以1kHz的采样频率采样1 s为例，设采样长度为16位，则需要传输的数据量为2048个字节，进行特征值转化之后，综合考虑时域参数和故障频率后需要传输的数据总量约为100个字节，不足振动信号字节总量的5%，当采集频率提高或采样时间延长后，传送字节量占振动信息总量的百分比将进一步降低。

3　无线传感器网络通信协议设计

在双汇聚节点的树形网络拓扑结构的基础上，采用基于主汇聚节点轮询的时分多址访问与跳频通信相结合的通信协议进行数据传输，通过汇聚节点循环向智能监测节点或中继发送指令的方式来调度整个网络协同合作。由于绝大多数情况下监测设备处于正常工作的状态，此时无需进行精密故障分析，只需获得设备的部分特征值即可，因此单个节点数据传输量较小；实际应用中监测设备处于故障状态的情况较少，但这种情况下需要获得设备较完备的信息，用作之后故障精密分析，因此需要传输的数据量大。考虑到上述因素，为了降低网络的传输压力，提高系统的实时性，将无线监测网络分为两个频道，分别对应主汇聚节点、报警汇聚节点，每个汇聚节点负责其对应节点的调度。

图4为无线传感器网络轴承状态系统的数据交互及其时隙分配示意图，为了简化，图中只画出一个汇聚节点，此节点从功能上既可以代表主汇聚节点，也可以代表报警汇聚节点。从示意图中可以看到数据不只有从智能监测节点向服务器一个流向，服务器也可以通过汇聚节点向智能监测节点发送指令。对于整个系统而言，汇聚节点以上的功能模块均为服务器程序，而汇聚节点及其以下的功能模块均为无线传感器网络程序，汇聚节点是实现无线传感器网络与服务器信息交互功能的节点。向下的箭头表示系统由上层向下层发送各种指令，向上的箭头则表示收到指令的节点对指令的响应而回复的数据包。时序模块是汇聚节点调度振动节点的时间分布情况，一般情况下，汇聚节点会先发送邀请节点加入网络的信号，之后对加入网络的节点进行轮询，而主动查询模块特指在网络运行的过程中，服务器实时对指定的节点进行采样而不受原时序的限制。

图4　数据交互及其时隙分配示意图

4　调试与系统开发环境

对于硬件开发而言，一个性能良好的调试环境能够大大提高程序编写的效率，有助于程序员发现并解决问题。J-LINK是SEGGER公司为支持仿真ARM内核芯片设计的JTAG仿真器，适合多种ARM内核芯片的开发；KEIL公司的μVison3软件开发工具能够与J-LINK相配合，能够实现单步、连续单步、断点、支持寄存器/存储器的观察和修改，下载程序到Flash存储器等功能，适合节点编程使用。

4.1硬件环境

调试过程中，使用J-Link作为适配器连接PC机与目标板，实现目标板与PC机的通信。J-Link是SEGGER公司为支持仿真ARM内核芯片设计的JTAG仿真器。配合IAR EWARM、ADS、KEIL、WINARM、RealView等集成开发的，支持所有ARM7/ARM9内核芯片的仿真，通过RDI接口和各集成开发环境无缝连接，对于ARM7下载速度高达600 KB/s.如图5所示为J-LINK下载器实物图，J-LINK一端为USB接口，另一端为20针扁平线JTAG接口。

图5　J-INK下载器实物图

系统硬件调试连接图如图6所示，在进行程序下载之前需要在PC机端安装驱动装置，同时调试软件，通过调试生成目标板能够识别的可执行文件，J-Link将目标板需要的文件直接下载到Flash中。

图6　系统硬件调试

4.2软件环境

节点编程采用KEIL公司的μVison3软件开发工具，支持ARM7、ARM9等多种处理器，能够自动配置启动代码、集成Flash烧写模块，同时具有强大的Simulation设备模拟、性能分析等功能。其编程界面如图7所示。

图7　μVison3软件界面

μVison3集成开发环境软件界面主要有以下窗口：

输出窗口：用于输入调试命令和输出调试信息。

存储器窗口：可以显示系统内存中的各种数值，包括代码的存储空间、直接寻址的片内存储空间、间接寻址的片内存储空间、扩展的外部RAM空间中的响应值。

工程窗口寄存器页：包括当前的工作寄存器组合系统寄存器。

观察窗口：可以观察到工程窗口中观测不到的寄存器值或者高级语言编程时需要直接观察的变量。

反汇编窗口：该窗口可以显示反汇编后的代码、源程序和相应反汇编代码的混合代码、源程序和相应反汇编代码的混合代码，可以在该窗口进行在线汇编、利用该窗口跟踪代码。

5　结束语

（1）同济医院中型泵站卧式机组水导轴承无线检测系统运行之后，并通过配备声音、图像传感器在其周围，用来及早探测轴承可能存在的危险，实现了对泵站运行的自动控制，保证了机组运行正常平稳。同济医院中型泵站卧式机组水导轴承无线检测系统的成功应用，为其它同类型机组的设计和改造提供了宝贵的经验。

（2）基于特征值提取的监测数据传输方案，该方案降低了节点能量消耗、减少了数据丢包数量和误码数量、并提高了传输时效性。

［1］汤宝平，贺超，陈仁祥，等.基于无线传感器网络的机械振动监测模式［J］.中国机械工程，2009，20（22）：2737-2741.

［2］Ramamurthy H，Prabhu B S，Gadh R，et al.Wireless Industrial Monitoring and Control Using a Smart Sensor Platform［J］.Sensors Journal，IEEE，2007，5（7）：611-618.

［3］万亚东，李英奇，樊勇，等.针对冶金企业设备监测的WSN协议设计［J］.小型微型计算机系统，2008，29（2）：257-260.

［4］Liqun H，Bergmann N W.Novel Industrial Wireless Sensor Networks for Machine Condition Monitoring and Fault Diagno sis［J］.Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions on，2012，10（61）：2787-2798.

［5］蒋冬梅，李晔，李必文.基于无线传感器网络的机械振动监测系统设计［J］.南华大学学报（自然科学版），2011，25（1）：556.

［6］许同乐，陈武勤.基于专家系统滚动轴承故障诊断研究［J］.煤矿机械，2010，31（11）：234-236.

［7］杨康鹏.一种改进的滚动轴承故障诊断方法［J］.机械制造，2012，50（5）：886.

Wireless Sensor Network System Design of Pumping Station Bearing Detection

WANG Hong
（Tongji Hospital Affiliated to Tongji Medical College of Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430040，China）

To improve the Wuhan Iron and Steel slab caster segments bearing life，reduce the damage caused by foreign bodies bearing pressed into the defect，analyze the reasons for the failure of the bearing segments proposed clustering wireless sensor network topology overall double sink node of the tree，and on this basis，the class node hardware selection and design，to build a complete monitoring system hardware platform.

bearing；fault diagnosis；wireless sensor network

TP277

A

1672-545X（2016）08-0099-04

2016-05-25

王宏（1969-），男，湖北武汉人，技师，本科，研究方向：机械维修、自动化设备。