新型電氣設備運輸振動監控系統

翟子楠，南亞明，代克杰

（平頂山學院，平頂山 467000）

0 引言

電力系統中的變壓器、電抗器、高壓開關等某些重要設備對機械振動具有敏感性，在裝卸、吊掛、道路運輸過程中由于機械振動對這些設備可能造成損壞或特性偏移，變壓器、電抗器內部線圈固定芯可能因為振動發生變形，高壓開關可能因為機械振動造成部件錯位或密封能力下降[1]。這些設備還可能共同面對因部件移動的刮碰造成絕緣能力下降，為將來運行埋下隱患。例如，某些GIS設備要求在運輸中如果出現振動超出一定閾值幾次后就要將設備返廠重新檢測密閉性。生產這些設備的廠家也希望不因為運輸時的損壞給自己帶來不必要經濟損失。這就需要對設備運輸時的狀態和運輸行為實時監測。

目前，新型物聯網概念的相關設計應用在電氣設備道路運輸領域出現的并不多見。設備制造商主要利用兩種方法監測運輸中的振動情況，一是采用加速度計進行測量，該方法最大的問題在于它無法連續記錄，無法給出越限次數、越限程度、越限時間等信息，無法給現場安裝人員提供準確的設備運輸狀態信息，對由于運輸對設備造成的損壞或安全隱患無法做出評估；二是振動800，1100等設備采用碰撞記錄儀進行振動測量，這種方法采用在壓敏紙上記錄沿途振動的方法將波形記錄下來，但它的缺陷主要體現在兩方面，其一是該設備僅僅忠實的記錄了波形，對司機的駕駛行為沒有提示作用，無法在崎嶇的道路上給司機提示，從而在運輸過程中主動避免產生大的振動，其二是記錄的波形無法電子化，無法對波形進行進一步的量化分析，從而給現場安裝人員提供決策輔助，評估開關設備受到損害的程度[2,3]。

考慮到以上要解決的問題，論文提出了一種基于無線網絡的振動記錄方案。其出發點是一方面實時給駕駛人員提供越限提示，從而避免返廠重新檢測，另一方面可以實現在運輸中各設備通過基于ZigBee的無線網絡實時傳輸、記錄振動數據及錄波，為設備損壞評估及分清事故責任提供依據。

1 系統設計方案

系統主機（主節點）安裝在駕駛室內，每個電氣設備放置一個設備采集端（從節點）。安裝位置如圖1所示。從節點由EMZ3048C和一個三軸加速度傳感器構成，EMZ3048C將接收的水平及垂直方向加速度數據通過ZigBee無線網絡協議發送給駕駛室內的主機。根據運輸設備的多少，新增無線節點可實現自動加入網絡。通過系統設定的分析、處理算法, 生成設備的狀態數據。將此值與系統設定值比較，若越限則顯示器閃爍報警,提醒司機減速或停車檢查物品狀態。同時將系統測得的大于設定值的數據存入存儲單元, 配合實時時鐘記錄芯片使用,獲取開關設備運輸和裝卸過程中接近開關設備的振動加速度和對應的時間信息, 為司機駕駛和和事后分析提供數據。

圖1 節點布置圖

2 主從網絡節點設計

2.1 從節點結構設計

從節點主控芯片與主節點相同，使用EMZ3048C作為主控芯片。EMZ3048C基于最新的射頻微控制器STM32W，內嵌IEEE802.15.4標準的無線網絡協議棧。多種天線可供選擇[4]。利用I2C接口連接一個意法半導體公司的三軸6D加速度傳感器。從節點集成了大量的智能功能，包括省電模式、自動喚醒功能、自由落體檢測和6D方位檢測，以及一個標準的SPI/I2C數字接口。加速傳感器沿三條軸(x,y,z)向上或向下運動，6D識別電路就會發出信號。日歷時鐘芯片主要用來記錄振動發生的時間。通過ZigBee模塊及設計的無線通訊協議，可以實現從節點的自由組網；狀態指示燈主要用來指示當前網絡連接狀態和電池信息。從節點結構如圖2所示。

圖2 從節點結構圖

圖3 從節點部分電路

系統設置了1g喚醒閾值，加速度數值小于1g時，傳感器處于低功耗休眠模式。如果沿任意方向的加速度數值超過1g時，傳感器將從低功耗休眠模式喚醒，通過INT1引腳輸出中斷信號給EMZ3048C，如圖3所示。此時主控芯片將讀取傳感器測量數據并發送給主節點。當主節點收到超出4g（設定值可修改）的數據時記錄超出的次數并發出報警指示提示駕駛人員。為了保證雨雪天氣時節點的正常運行，從整體密封性能角度，還設計了鋰電池的無線充電方案，限于篇幅，此處不再介紹。

2.2 主節點結構設計

主控節點設計了接收并存儲從節點數據功能，人機交互功能，組網功能，數據存儲的設計部分主要的難點是文件系統的的移植問題。將SD卡設計成符合FAT32規范的可移植文件系統，采集到的數據會以標準文件的格式記錄到SD卡上，便于文件的統一管理讀寫[5]。在相應的軟件設計中，通過自編SPI寫命令函數和讀寫數據函數改寫了底層的驅動函數，實現了文件系統的移植。

主控芯片和下位選擇一致；狀態指示燈提示運輸設備振動狀態，其中包括正常、警告、越限，“警告燈”亮的時候即提示司機當前振動幅度過大，謹慎駕駛，當“越限燈”亮的時候即提示當前振動已超過限度，同時相應越限計數器會累積數字。USB接口用來將上位機儲存的振動波形輸送給PC機。主節點結構如圖4所示。

圖4 主節點結構圖

3 組網設計

主從節點間的數據通訊是基于ZigBee協議，ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。其近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低成本的特點使其成為近年來構建近距無線數據網絡時采用的流行技術[6]。按照ZigBee支持的網絡拓撲結構，本設計屬于星型放射式網絡，需要考慮的問題主要在于一個新加入的從節點如何自動的被主節點識別。

在ZigBee組網之前，用戶可以通過USB接口，將可以加入ZigBee網絡的節點的物理地址寫入到主節點內部存儲器中，在組網時，主節點首先建立網絡，然后等待從節點加入。從節點待機情況下，每隔大約30s自動開機，檢測網絡是否存在，如果存在則請求加入網絡，否則繼續進入休眠。主節點接收到從節點的請求后，查詢其物理地址是否同之前寫入的地址相同，如果相同則同意該節點加入網絡，如果不同則拒絕其同主節點通信。抓取的實際握手過程通信數據包如圖5所示。

圖5 主從節點通信包

4 實驗結果

為了驗證系統的有效性和可靠性，對所設計的系統進行了實驗測試和路況測試，實驗測試時對兩個從節點外加振動，然后通過USB口將所記錄的數據讀入計算機，如圖6所示?？煽吹礁鶕O定閾值呈現的3軸加速度波形及數值變化情況。

通過設計的系統測試軟件獲得的實際路況振動波形如圖7所示。多次測試得到的振動數據可以清晰的判別三個軸振動發生的次數和幅度，越限提示情況與所得數據吻合。

5 結論

圖6 實驗波形

圖7 實際波形

根據實驗及實測數據，為電氣設備在運輸時的監測設計的基于ZigBee的無線網絡數據終端，實現了對振動的實時測量，實時錄波，實時記錄數據。能夠及時對駕駛人員提供越限提醒。無線節點的自由組網實現了靈活方便的應用操作。系統設計功能能夠充分滿足電氣設備制造商的使用要求。

[1] 張國兵,張文亮.特高壓變壓器運輸沖擊加速度控制與安全裕度評估[J].高電壓技術,2010,36(1):290-295.

[2] 張思,振動測試與分析技術[M].北京:清華大學出版社,1992.

[3] 趙丹.適用于振動信號監測的無線傳感器網絡研究[D].太原:太原理工大學,2011

[4] 杜孟超,谷立臣.基于ZigBee技術的塔機無線傳感網絡的設計[J].自動化與儀表,2011,26(7):33-37

[5] 楊云,張勇.基于ARM7的μC/OS-Ⅱ移植分析與實現[J].計算機工程與設計.2009(03):539-541

[6] 江甜甜,楊占勇.地下管線安全監測系統[J].儀表技術與傳感器,2012,(5):55-57.