物聯(lián)通信系統(tǒng)在電機溫度在線監(jiān)測中的應用

曹勝華，徐大可，張 雷

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210003)

0 引 言

物聯(lián)通信系統(tǒng)是物體與物體之間、物體與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信橋梁。物聯(lián)系統(tǒng)或物聯(lián)網(wǎng)由采集被監(jiān)控物體的傳感與感知部分、傳感通信網(wǎng)絡部分以及智能處理部分組成。物聯(lián)通信系統(tǒng)就是傳感通信網(wǎng)絡部分，它采用Zigbee無線通信技術(shù)為核心技術(shù)，具有成本低、功耗低以及通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性;可實現(xiàn)多設備間的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。國內(nèi)馬祖長［1］、孫雨耕［2］等較早開展這方面研究工作。

過熱和振動是最常見的電機故障。由于過熱而導致電機燒毀的故障，要比振動故障多得多。振動故障比較直觀，故障的惡化相對緩慢，直接或間接反映的故障有限。過熱故障原因較多，表觀性差，故障惡化較快，過熱現(xiàn)象能夠直接或間接反映的故障也是電機最多見和所占比例相當大的故障。因此，監(jiān)測溫度對于保證電機正常運行、分析故障原因尤為重要。隨著科技發(fā)展，電氣系統(tǒng)的安全要求越來越高，物聯(lián)網(wǎng)也得到了飛速發(fā)展，物聯(lián)通信系統(tǒng)更加成熟，國內(nèi)徐志［3］、鄧鰲［4］等已開展了無線傳感網(wǎng)絡和電氣設備在線監(jiān)測相結(jié)合的應用研究工作。同時電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)作為重要的電機在線狀態(tài)檢測技術(shù)得到快速發(fā)展，為此結(jié)合技術(shù)發(fā)展以及應用需要開展物聯(lián)通信系統(tǒng)在電機溫度在線監(jiān)測中的應用研究十分必要。

1 物聯(lián)通信系統(tǒng)介紹

物聯(lián)通信系統(tǒng)采用Zigbee無線通信技術(shù)為核心技術(shù)，ZigBee采取了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點;ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術(shù)的一致化，利于產(chǎn)品的互連互通;適用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸與控制的場合。ZigBee協(xié)議棧示意圖如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧示意圖

物聯(lián)通信系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器組成。終端節(jié)點負責用戶系統(tǒng)的信息采集數(shù)據(jù)的傳輸與控制數(shù)據(jù)的輸送;路由節(jié)點負責無線信號的中繼傳輸;網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責與上位機的監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

1.1 基本功能

物聯(lián)通信系統(tǒng)負責建立用戶系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的通道，并保證該傳輸?shù)耐ǖ兰皶r性和可靠性，包括無線網(wǎng)絡的建立、維護、自組織、路由、拓撲等。

1.2 基本特點

(1)功耗低:發(fā)射功率為3 dBm左右，如果采用了休眠模式，功耗將更低;

(2)成本低:由于協(xié)議棧的復雜度不高，協(xié)議免專利費，頻段也無需付費;

(3)時延短:節(jié)點設備接入通信網(wǎng)絡的時延非常短，只需30 ms;節(jié)點設備從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)的時延也非常短，只需15 ms;

(4)網(wǎng)絡容量大:最多可容納65 000個設備;

(5)可靠:解決發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突問題方面采取了碰撞避免策略，并預留了專用時隙來滿足固定帶寬的通信業(yè)務需要;解決發(fā)送數(shù)據(jù)包的丟失問題方面采取了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，確保每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須得到接收方的確認信息，假如出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失問題將會進行數(shù)據(jù)包重發(fā);

(6)安全:數(shù)據(jù)包完整性檢查方面采用了循環(huán)冗余校驗(CRC)技術(shù)，數(shù)據(jù)包加密方面采用了AES－128的加密技術(shù)，數(shù)據(jù)包內(nèi)容方面采用獨有的通信協(xié)議;

(7)數(shù)據(jù)傳輸速率:250 kB/s，專注于低速傳輸應用;

(8)網(wǎng)絡自組織，自愈能力強，通信可靠;

(9)工作頻段:2.4 GHz免執(zhí)照頻段。

2 電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

電機設備的可靠性是確保生產(chǎn)建設正常運行的重要前提，大型、高速、強載、連續(xù)運轉(zhuǎn)電機設備的可靠性更為重要。當電機設備發(fā)生故障時，輕者影響整個生產(chǎn)過程和造成經(jīng)濟損失，重者造成嚴重的災難。電機大多都工作在高溫高壓環(huán)境下，溫度過高會導致絕緣老化，縮短電機的使用壽命，甚至會使絕緣損壞而發(fā)生燒毀電機的事故，故必須連續(xù)實時地監(jiān)控其溫度。因此電機設備一般都安裝了電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由溫度傳感器、現(xiàn)場采集裝置、遠程采集系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)采用有線方式組網(wǎng)。目前對于較大容量的電機，在軸承、繞組等部位安裝不同類型鉑熱電阻傳感器，并引出到電機外殼上的傳感器接線盒中，再通過信號電纜送至現(xiàn)場采集裝置，然后通過現(xiàn)場總線傳送到遠程采集系統(tǒng)測取數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)需要在電機設備及其周圍布置大量信號、通信、供電電纜。當電機設備進行小修、大修時將面臨十分繁雜的安裝拆卸工作，同時各種電纜長期工作在高溫、強腐蝕等工作環(huán)境下可靠性將受到嚴重影響，給系統(tǒng)帶來可靠性降低、監(jiān)測精度下降等一系列問題。

鑒于傳統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的不足，提出一種基于物聯(lián)通信系統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，該方案不需要任何固定網(wǎng)絡的支持，安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護性好、可擴展性好。

3 解決方案

物聯(lián)通信系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)為核心技術(shù)，適用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸與控制的應用場合。

ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz頻段、以及美國的915 MHz頻段。ZigBee在2.4 GHz的頻段上具有16 個信道，從2.405 ～2.480 GHz間分布，信道間隔是5 MHz，具有很強的信道抗串擾能力，因此選用2.4 GHz頻段為工作頻段。

ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡。特別是MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和可靠性。MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡采用多跳式路由通信，網(wǎng)絡容量很大，適合距離較遠或比較分散的復雜系統(tǒng)通信，同時網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能。因此電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)選用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。圖2為MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。

圖2 MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由溫度傳感器、現(xiàn)場采集裝置、遠程采集系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)采用由一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、多個路由節(jié)點和多個終端節(jié)點組成物聯(lián)通信系統(tǒng)來完成通信功能。

一個系統(tǒng)只有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，它是整個網(wǎng)絡的中心節(jié)點，它負責協(xié)調(diào)建立和管理網(wǎng)絡。它完成發(fā)送網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、搜尋節(jié)點間路由、控制遠程采集與控制信息的傳遞工作。它與遠程采集系統(tǒng)進行有線連接，協(xié)助遠程采集系統(tǒng)通過無線方式完成遠程采集與控制功能。

一個系統(tǒng)可以有多個路由節(jié)點和多個終端節(jié)點，路由節(jié)點無線通信使用含路由功能和簡單通信功能的全功能設備，終端節(jié)點無線通信使用只有簡單通信功能的精簡功能設備。當一個現(xiàn)場采集裝置與一個全功能設備進行有線連接后就成為了物聯(lián)通信系統(tǒng)中一個路由節(jié)點，即協(xié)助本地現(xiàn)場控制裝置完成與遠程采集系統(tǒng)無線通信，也協(xié)助其它節(jié)點完成無線通信。當一個現(xiàn)場采集裝置與一個精簡功能設備進行有線連接后就成為了物聯(lián)通信系統(tǒng)中一個終端節(jié)點，協(xié)助本地現(xiàn)場控制裝置完成與遠程采集系統(tǒng)無線通信。

工作過程如下:

系統(tǒng)按分配地址方式進行設備識別通信。系統(tǒng)中遠程采集系統(tǒng)和現(xiàn)場采集裝置都分配有唯一的32位2機制地址碼，其中0XFFFF屬于廣播地址，遠程采集系統(tǒng)分配了唯一的地址碼0，每個現(xiàn)場采集裝置都有屬于自己的唯一的地址碼(1～0XFFFE);

現(xiàn)場采集裝置和溫度傳感器通過有線進行連接，實時感知現(xiàn)場的溫度并轉(zhuǎn)換為標準攝氏溫度值保存在現(xiàn)場采集裝置中，同時現(xiàn)場采集裝置和全功能設備或精簡功能設備通過有線進行連接，成為物聯(lián)通信系統(tǒng)中的路由節(jié)點或終端節(jié)點;

遠程采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通過有線進行連接，遠程采集系統(tǒng)將帶地址碼的查詢報文傳送給網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器將接收的查詢報文按透明方式無線廣播出去;

現(xiàn)場每個路由節(jié)點或終端節(jié)點利用全功能設備或精簡功能設備通過無線接收查詢報文，查詢報文再通過有線傳送給現(xiàn)場采集裝置，現(xiàn)場采集裝置進行地址碼識別和命令識別后，如果需要應答，將組織好應答報文通過有線傳送給全功能設備或精簡功能設備，這些設備將應答報文按透明方式無線廣播;

網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通過無線接收應答報文，再通過有線傳送給遠程采集系統(tǒng)，遠程采集系統(tǒng)進行地址碼識別和命令識別后，將相應采集數(shù)據(jù)進行實時處理和保存，判斷電機運行狀態(tài)，如有異常進行報警。遠程采集系統(tǒng)也可以通過以太網(wǎng)和其它監(jiān)測系統(tǒng)相連，及時將電機溫度信息發(fā)布到網(wǎng)絡上。

4 結(jié) 語

物聯(lián)通信系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，是當今無線通信技術(shù)領(lǐng)域應用的熱點。本文詳細描述了基于物聯(lián)通信系統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，重點闡述了系統(tǒng)構(gòu)成和工作過程。基于物聯(lián)通信系統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決了電機設備監(jiān)測布線的繁雜與困難，安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護性好、可擴展性好。隨著未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于物聯(lián)通信系統(tǒng)的電機溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)將融合到物聯(lián)網(wǎng)中。

［1］ 馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網(wǎng)絡綜述［J］.通信學報，2004，25(4):115 －124.

［2］ 孫雨耕，張靜，孫永進，等.無線自組傳感器網(wǎng)絡［J］.傳感技術(shù)學報，2004(2):331－ －335.

［3］ 徐志，楊永明，王波，等.電機定子溫度在線監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(7):78 －80.

［4］ 鄧鰲.無線傳感網(wǎng)絡在大型機電系統(tǒng)健康監(jiān)測中的應用［J］.武漢理工大學學報，2006，28(11):125－127.