賴為民，佘啟軍，郝 倩 ，鄭建新，錢國義，成 兵

（1.武漢鋼鐵股份有限公司，湖北 武 漢 4 30080；2.北京工業(yè)大學，北京 1 00124；3.武漢昊海立德科技有限公司，湖北 武 漢 4 30080；4.武漢蜂網(wǎng)科技公司，湖北 武 漢 4 30083）

一、應用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)開發(fā)的無線傳輸系統(tǒng)有兩個顯著特點：第一，采用無線短程網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，再通過無線網(wǎng)絡及有線網(wǎng)絡的網(wǎng)關送入上位計算機存儲和處理；第二，針對一臺設備只要設一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，生產(chǎn)現(xiàn)場即使有很多設備同時作業(yè)，只要每臺設備設一個采集終端，所有數(shù)據(jù)都能夠經(jīng)由部署在生產(chǎn)現(xiàn)場的無線網(wǎng)絡的路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關節(jié)點，可靠地送入計算機。而無線網(wǎng)絡又分為兩個層面：現(xiàn)場網(wǎng)絡和工廠網(wǎng)絡?，F(xiàn)場網(wǎng)絡包括測量儀表和控制設備，工廠網(wǎng)絡則包括移動終端、人員設備跟蹤設備、移動通信工具、視頻監(jiān)控等。在無線工廠網(wǎng)絡中，用戶可以通過無線移動終端來訪問控制設備管理信息。使用跟蹤設備還可以對工作人員和設備進行無線定位，工作安全性得以提高。在無線工廠網(wǎng)絡中，一般使用的是工業(yè)WiFi技術。在無線現(xiàn)場網(wǎng)絡中，一般使用WirelessHART技術、ZigBee技術?，F(xiàn)場的無線設備組成一個自組織網(wǎng)絡，設備之間的通信可以自由選擇路徑，設備數(shù)量可以任意擴展。

無線測振系統(tǒng)的設計采用了ZigBee通信模塊，并配置成mesh網(wǎng)絡拓撲結構，每個測振儀在網(wǎng)絡中就等同于一個網(wǎng)絡節(jié)點，既可作為網(wǎng)絡的終端節(jié)點，也能作為網(wǎng)絡的路由中繼節(jié)點。網(wǎng)絡存在ZigBee主控節(jié)點，并與控制中心的PC機或工控機連接，轉發(fā)發(fā)送控制采集命令給測振儀，接收各測振儀送回的振動數(shù)據(jù)信息，對此進行分析和處理，從而實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的遠程振動信息監(jiān)控。武鋼冷軋總廠現(xiàn)采用該類無線測振技術對電機的狀況進行檢測并取得良好效果。安裝工程只需幾天，就可以連續(xù)提供精確的振動數(shù)據(jù)，測振裝置可對機械設備進行振動監(jiān)測，并經(jīng)由無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，將測量數(shù)據(jù)傳送到上位機中分析軟件進行分析和處理，預先發(fā)現(xiàn)和確定問題所在，以適時安排維護工作。

二、工廠中無線技術的應用領域

無線技術在工廠中的應用范圍很廣，它可以幫助用戶解決很多實際問題，如延長設備使用壽命、優(yōu)化工藝裝置效率、減少維護工作量和滿足安全及環(huán)保要求等。

1.延長設備壽命。設備故障和相關的維護工作既費時又費錢，同時也影響工廠的產(chǎn)量和效率。故障不及時排除也將縮短設備使用壽命。無線技術可以有效監(jiān)測這些設備，省去繁瑣的布線工作，有效延長設備壽命。

2.優(yōu)化工藝裝置的效率。很多工藝設備現(xiàn)在都缺乏有效監(jiān)測，帶故障運行會降低生產(chǎn)效率。無線方案以經(jīng)濟的方式提供額外的測量數(shù)據(jù)，對這些設備進行有效的在線監(jiān)測，以提高生產(chǎn)效率。這些測量點包括以前無法實現(xiàn)的測量點，如在移動或旋轉設備上的測量點，或是在危險場合的測量點。

3.減少維護工作量。大多數(shù)工廠仍然采用被動式的維護方式，無線測振方案可以對設備進行在線監(jiān)測，用戶只需對有故障預警的設備進行及時維護，真正實現(xiàn)預測性和前瞻性維護。

三、測量系統(tǒng)實現(xiàn)

1.解決問題的必要條件。解決問題的必要條件是開發(fā)具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的嵌入式數(shù)采器和規(guī)劃實用的遠程診斷系統(tǒng)，采用明晰、合理的系統(tǒng)結構。常見系統(tǒng)結構如圖1、2所示。

圖1 樹形網(wǎng)絡

圖2 星形網(wǎng)絡

一個ZigBee個人局域網(wǎng)（PAN）包括一個協(xié)調(diào)器、一個或多個終端設備。每個網(wǎng)絡中必須要有一個協(xié)調(diào)器，它是整個網(wǎng)絡的中心，負責網(wǎng)絡的維護和協(xié)調(diào)；路由器負責網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包的路由選擇，并用來拓展網(wǎng)絡范圍；終端設備是實現(xiàn)具體功能的單元。在無線測振系統(tǒng)中通常是加速度及位移傳感器。

2.從節(jié)點硬件設計。從節(jié)點作為傳感器節(jié)點是振動測量的基本單元，主要完成對監(jiān)控設備的速度、加速度信號的測量。從節(jié)點的結構框圖見圖3。

3.無線傳輸電路。圖4采用的是美國某公司的XBee-PRO2ZigBeeOEM無線射頻模塊，它具有部署快、接口簡單、擴展性強和功耗低等優(yōu)點。

4.系統(tǒng)軟件設計。軟件設計分為主節(jié)點與從節(jié)點兩部分，具體軟件流程如圖5所示。主節(jié)點的任務通過基于VB/LabVIEW等開發(fā)環(huán)境開發(fā)的上位機操作界面完成，主要完成兩部分內(nèi)容：（1）網(wǎng)絡初始化與通信鏈路的建立，這部分工作主要由開發(fā)上位機在底層完成。搜索成功可以搜集網(wǎng)絡節(jié)點信息，包括節(jié)點狀態(tài)和網(wǎng)絡地址等；（2）網(wǎng)絡成功建立后，用戶可以發(fā)出監(jiān)測指令，選擇目的從節(jié)點，啟動速度、加速度測量，操作界面實時顯示測量數(shù)據(jù)與監(jiān)測時間。測量間隔根據(jù)具體要求進行設定，即主節(jié)點定時發(fā)送速度加速度測量指令，啟動定時測量。主節(jié)點的軟件流程如圖5a所示。從節(jié)點的軟件流程如圖5b所示，從節(jié)點主要完成指令接收，讀取速度、加速度傳感器數(shù)據(jù)并記錄測量時間。數(shù)據(jù)采集需要單片機嚴格按照讀取時序操作，以確保數(shù)據(jù)可靠準確。數(shù)據(jù)采集后單片機一方面送液晶屏幕實時顯示，另一方面通過監(jiān)測網(wǎng)絡傳送給主節(jié)點。由此實現(xiàn)了對目標區(qū)域的無線速度、加速度實時監(jiān)測。

四、工業(yè)標準——WirelessHARTTM

到目前為止，世界上只有WirelessHART是已經(jīng)正式發(fā)布的適合于過程控制行業(yè)使用的無線國際標準。該標準具有以下特點。

1.自組織、自適應網(wǎng)狀結構。它不要求用戶具有無線技術方面的專門知識，設備在網(wǎng)中會自動查找最佳的通信路徑；網(wǎng)絡具有連續(xù)監(jiān)視通信路徑的功能，當某個節(jié)點通信性能下降時，它能自行修復；網(wǎng)絡具有自適應功能，無需人員干預就可以可靠運行，網(wǎng)絡的擴展和重組能力強；支持星形和網(wǎng)狀拓撲結構。

2.符合工業(yè)標準，帶信道跳頻。它符合IEEE 802.15.4無線標準；采用2.4GHz通用頻率，可細分成16信道；信道間可以連續(xù)跳頻，避免干擾和提高可靠性；增加了擴展跳頻〔FHSS〕技術，具有極高的可靠性。

3.具有自修復功能。如果網(wǎng)狀網(wǎng)絡出現(xiàn)障礙，設備將自動尋找其他最佳替換通信路徑，創(chuàng)建新的通信路徑以保證信息暢通。

4.與現(xiàn)有主機系統(tǒng)可以實現(xiàn)無縫連接。網(wǎng)關和主機控制系統(tǒng)的集成是透明和無縫的；主機控制系統(tǒng)無需升級和特別軟件；網(wǎng)關的接入采用標準的接口協(xié)議。

五、結束語

基于無線網(wǎng)絡技術的測振系統(tǒng)可同時對多個區(qū)域進行監(jiān)測，而且開發(fā)成本較低，性價比高，安裝維護簡單，只需安裝一次就可以進行長期的監(jiān)測工作，因而具有傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢。能較好地解決傳統(tǒng)測振監(jiān)測系統(tǒng)中存在的布線搬遷等問題，非常適用于復雜工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測應用?？傊?，采用無線傳感器網(wǎng)絡進行設備振動檢測，無需布線、節(jié)省安裝時間和安裝費用，可大大提高檢測效率，具有很好的應用前景。

在無線測振技術的工業(yè)應用上，目前國內(nèi)外都在探索適合當前無線技術發(fā)展狀況，又能實現(xiàn)無線技術特點的應用。設備振動狀態(tài)監(jiān)控中無線技術大有可用之處。在使用電纜相當費時費錢或工業(yè)現(xiàn)場比較復雜惡劣的場合可方便地利用無線技術替代常規(guī)方法，無線傳感器及其網(wǎng)絡系統(tǒng)由于其小型化、集成化、低維修費用、少安裝時間等特點而成為近年來結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究熱點。如監(jiān)控旋轉機械設備或移動機械設備內(nèi)的某些參數(shù)時，利用無線傳輸可避免采用不可靠的滑環(huán)接觸傳輸信號；在沒有可供電纜敷設的地方，或是距離較長而檢測點很分散的地方，無線傳輸?shù)慕鉀Q方案既節(jié)省費用，又能快捷地實現(xiàn)。

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