0 引言
對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效檢測(cè)進(jìn)而進(jìn)行機(jī)械設(shè)備故障診斷，在故障初期發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題。熱電廠輸煤系統(tǒng)設(shè)備繁多且分布離散，所處環(huán)境惡劣，高粉塵、高電磁干擾，對(duì)于輸煤系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)大多是根據(jù)其機(jī)械振動(dòng)情況來(lái)判斷設(shè)備運(yùn)行狀況的好壞。
文中介紹了一種基于Zigbee無(wú)線模塊的低功耗、高可靠性的振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，采用內(nèi)裝Ic壓電加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的采集，采集信號(hào)處理后，一方面通過(guò)Zigbee無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)傳到PC機(jī)上，一方面通過(guò)顯示終端LCD屏顯示當(dāng)前檢測(cè)設(shè)備的振動(dòng)加速度值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積較小，方便攜帶；功耗低，可以直接用電池供電。在檢測(cè)過(guò)程中可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)監(jiān)測(cè)，有效提高了設(shè)備故障診斷的準(zhǔn)確性和效率，從而提高了設(shè)備正常穩(wěn)定工作的安全性；減少了巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使管理更科學(xué)化、人性化。
1 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成，分別是Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)采集、按鍵選擇、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠帧?span lang="EN-US">Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)采集部采用內(nèi)裝Ic壓電加速度傳感器SDl4N14采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信息；數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)核心部分，ATmegal28單片機(jī)為系統(tǒng)主處理器；數(shù)據(jù)顯示部分選用LCDl2864顯示屏作為顯示終端；選用觸發(fā)按鍵作為人機(jī)交互終端；數(shù)據(jù)傳輸采用Zigbee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖
1．1 Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)
選用內(nèi)裝IC式壓電加速度傳感器SDl4N14作為系統(tǒng)信號(hào)Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)采集的終端節(jié)點(diǎn)，內(nèi)裝Ic壓電式傳感器抗干擾能力強(qiáng)，采集信號(hào)靈敏度高；BNC型傳感器接口，一根電源線同時(shí)也是信號(hào)線，一根地線(外殼接地)，接口簡(jiǎn)單且能有效抑制干擾。由傳感器輸出電壓信號(hào)經(jīng)NE5532一級(jí)跟隨后，交流耦合去除直流干擾信號(hào)，后經(jīng)電阻R10、R11分壓抬升2．5 V，以滿(mǎn)足AD轉(zhuǎn)換只采樣正電壓要求，再經(jīng)一級(jí)跟隨后接到TLC2543(AVDC)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)讀取表示當(dāng)前機(jī)械振動(dòng)的數(shù)據(jù)信息，其中耦合電容C0的選擇與采集振動(dòng)頻率范圍有直接關(guān)系。Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)采集電路見(jiàn)圖2。
圖2 信號(hào)采集電路
1．2 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計(jì)
為提高系統(tǒng)的工作性能，使其在檢測(cè)過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)看到檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化，在設(shè)計(jì)時(shí)加入了顯示模塊，選用內(nèi)置ST7920控制器LCDl2864ZB作為系統(tǒng)顯示端口，顯示振動(dòng)加速度值，以及由振動(dòng)加速度值積分得到的速度值、位移值，顯示部分電路設(shè)計(jì)如圖3所示。
圈3 振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)顯示和無(wú)線傳輸電路
PD5、PD6、PD7分別是串行時(shí)鐘線、串行數(shù)據(jù)線、片選線，tV5用來(lái)控制液晶屏背光的亮滅，當(dāng)30 s內(nèi)沒(méi)有任何按鍵操作，則背光自動(dòng)關(guān)閉，達(dá)到降低功耗的目的。
1．3 振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)
由于系統(tǒng)在使用過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)可以隨機(jī)移動(dòng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)而又不影響PC監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的接收，有線傳輸由于布線的原因不能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，運(yùn)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定傳輸。因此，綜合實(shí)際考慮，系統(tǒng)選用Zigbee數(shù)傳模塊傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸振動(dòng)加速度采集的數(shù)據(jù)。文中選用Zigbee無(wú)線模塊 CC2530，它集成了業(yè)界增強(qiáng)8051 CPU，有2路UATR和1路SH通信模式，定時(shí)計(jì)數(shù)等功能，適應(yīng)2．4 GHz IEEE 802．15．4的RF收發(fā)協(xié)議，極高的收發(fā)頻率有效的抑制干擾。TXD、RXD分別與Atmegal28引腳的PD2、PD3相連接，由于Atmegal28是5 V電壓工作，CC2530是3．3 V電壓工作，兩者電壓不匹配，采用R17、R16分壓用于匹配兩者之間通信電平。
在PC機(jī)處設(shè)有接收終端，與PC機(jī)通過(guò)串口線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
1．4按鍵設(shè)計(jì)與信號(hào)處理系統(tǒng)
在工作過(guò)程中有時(shí)需要手動(dòng)完成一些設(shè)置，比如控制采集頻率，是否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋瑸榇嗽O(shè)計(jì)了功能按鍵，按鍵一端接單片機(jī)外部中斷引腳，一端接地，電路簡(jiǎn)單。信號(hào)處理主要分為硬件和軟件上的處理，在硬件上主要有電源的升壓、穩(wěn)壓、濾波，PCB板抗干擾設(shè)計(jì)等；軟件上主要是對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，電壓值轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的振動(dòng)加速度值。
2 軟件設(shè)計(jì)
基于Atmegal28單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)采用AVR Studio，基于CC2530系列無(wú)線傳感模塊集成開(kāi)發(fā)采用IAR for 8051。其軟件流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)軟件主流程圖
在整個(gè)系統(tǒng)中，主要是通過(guò)Atmegal28來(lái)控制A／DC轉(zhuǎn)換和通過(guò)CC2530來(lái)傳輸處理后數(shù)據(jù)。TLC2543轉(zhuǎn)換精度為12位，與單片機(jī)通過(guò)SPI方式通訊，讀取A／D轉(zhuǎn)換速率為20000次／s．為保證最高的轉(zhuǎn)換精度，設(shè)置轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出位數(shù)為2個(gè)字節(jié)，即16位，數(shù)據(jù)的高四位為空。CC2530無(wú)線傳輸主要是傳輸處理后數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)再由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇邮战K端，接收終端也可向發(fā)送終端發(fā)送命令，監(jiān)控發(fā)送終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況。自動(dòng)模式下發(fā)送終端每隔1 s自動(dòng)向接收終端發(fā)送一次存在于Atmegal28緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)；手動(dòng)模式下，巡檢人員根據(jù)要檢測(cè)設(shè)備情況手動(dòng)選擇要發(fā)送的檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的采集在JZK-20型激振平臺(tái)上經(jīng)行測(cè)試。激振平臺(tái)由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)源，經(jīng)YE5872型功率放大器放大后傳送給激振器，激勵(lì)激振器產(chǎn)生豎直方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。SDl4N14傳感器固定在激振器接口上采集激振器振動(dòng)加速度信號(hào)。
圖5 1 g加速度下不同頻率實(shí)驗(yàn)對(duì)比
圖5為l g加速度下不同頻率試驗(yàn)對(duì)比。通過(guò)調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率和幅值和功率放大器的放大倍數(shù)來(lái)控制激振器振動(dòng)的頻率和幅度，圖5是截取部分無(wú)線傳輸?shù)?span lang="EN-US">PC機(jī)上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)Maflab仿真出振動(dòng)加速度傳感器采集處理后的振動(dòng)數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)激振器的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號(hào)對(duì)比圖。由圖5中曲線對(duì)比分析可知，在相同振幅1 g的情況下，振動(dòng)頻率由9．7 Hz到10 kHz振動(dòng)加速度傳感器均可采集到振動(dòng)的峰值，且與理論值相吻合，滿(mǎn)足檢測(cè)準(zhǔn)確度要求。圖5曲線中，虛線表示理論值，實(shí)線表示測(cè)量值。
4 結(jié)束語(yǔ)
文中介紹了一種基于Zigbee無(wú)線模塊的機(jī)械設(shè)備故障預(yù)警中的振動(dòng)信號(hào)Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，該系統(tǒng)可以有效準(zhǔn)確地采集、傳輸振動(dòng)加速度信號(hào)，滿(mǎn)足熱電廠輸煤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備故障診斷的要求。Zigbee數(shù)傳模塊的應(yīng)用提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。同時(shí)，該系統(tǒng)不僅應(yīng)用在熱電廠輸煤系統(tǒng)中，在碼頭等地也有很廣闊的應(yīng)用前景。