基于無線通信的電廠設備的狀態監測與故障診斷

【摘要】文章提出了一種基于ZigBee無線通信技術的電廠設備狀態檢測與故障診斷系統的設計思路。分析了傳統狀態監測系統信號有線傳輸方式的不足和ZigBee技術應用于電廠設備故障診斷系統的優勢，在此基礎上完成了傳感器節點的軟硬件設計.此外文章還重點論述了電廠設備狀態檢測與故障診斷系統方案的設計思路，并分別詳細介紹了該診斷系統中兩大功能模塊的具體實現方案。

【關鍵詞】ZigBee無線通信技術；電廠設備；狀態監測；故障診斷

隨著網絡科技的迅猛發展，電廠日常運行維護對監測設備狀態要求更高。當前的監測系統的監測已經不能滿足電廠安全可靠經濟越來越高的要求。目前，電廠設備狀態監測一般采用較為成熟的有線通信方式進行實時監測，將傳感器安裝到帶監測設備的測量點采集所需數據，并將所采數據通過電纜等有線方式傳輸給監控中進行分析處理，該有線通信容易受到諸如安裝場所和維修等方面的限制，不能保證補數據的實時性、完整性以及可靠性，限制了電廠設備的實時故障監測。現代監測系統是基于無線通信技術的實時監測系統，利用ZigBee無線網絡技術進行無線通信，將有效的實時監測電廠設備運行狀態，保證電廠的高效經濟的生產。

1.無線通信技術

無線通信時利用電磁波信號能夠在自由空間傳播的特性交換信息的通信方式。無線通信具有移動性、廣播性和共享性等優點，無線通信的范圍極為廣泛，因此無線通信系統也有不同分類[1]。

ZigBee是新興的近距離、低功耗、低數據傳輸速率、低復雜度、低成本以及高安全性的雙向無線網絡通信技術，實現一些短距離、復雜場合的參數采集以及實時跟蹤定位。ZigBee無線網絡的硬件結構主要有傳感器節點、路由器節點以及協調器組成，其中協調器主要負責信息傳輸、任務調度、電源監測以及網絡節點調度管理等工作[2]。ZigBee無線網絡分為主節點、路由節點以及終端節點三個節點類型，這些特點使得ZigBee技術極其適合于無線網絡通信系統中，起到短距離的無線接連的功能。在電廠設備故障診斷系統中應用ZigBee無線通信技術有著顯著優勢[3]。

2.前端數據采集模塊

電廠設備故障診斷系統由數據采集系統、數據傳輸系統以及故障診斷系統三部分組成。數據采集系統由傳感器、A/D轉換模塊、數據存儲以及數據發送部分組成，實時采集電廠設備的各部分運行狀態；數據傳輸系統由ZigBee無線模塊構成，實時將電廠設備各種工況數據無線通信傳輸給上位機進行故障診斷；上位利用提前建立的故障診斷軟件對電廠設備運行狀態進行實時工況監測以及故障診斷，并顯示出動態圖形。動態數據庫中存放著當前檢測數據、歷史數據和中間結果。通過應用該系統，可以實現實時監測電廠設備運行狀態以及在線故障診斷。

（1）傳感器網絡節點設計

故障診斷系統的數據采集部分是由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及能量供應模塊四部分組成。傳感器模塊功能主要是：監測區域內數據采集以及數據的模數轉換；處理器模塊功能為控制傳感器節點的操作、存儲和處理所采集的數據以及其他節點傳輸的數據；無線通信模塊功能是與其他傳感器網絡節點進行無線傳輸通信，交換控制信息以及收發采集的數據；能量供應模塊為傳感器網絡節點提供運行所需要的能量，一般情況下該能量模塊采用微型電池供電。傳感器網絡節點的硬件結構圖如圖1所示。

（2）數據傳輸系統

系統各測點采集的數據通過ZigBee無線發送模塊發送至上位機監控中心，利用故障診斷系統對接收的數據進行處理分析，診斷故障并判別故障類型。

（3）傳感器節點的程序流程

傳感器節點的系統程序設計，選擇Metr-werks公司的Code Warrior作為系統開發環境，傳感器節點之間采用串口通信模式，數據的收發利用傳輸中斷方式完成。數據的傳輸采用主從節點方式，采用USB借口與PC機通信，從節點向主節點發送中斷請求。主節點的功能：發送接收本節點的數據；接收處理并轉發從節點數據。系統中的節點一般情況下都處于休眠，當有中斷請求的時候才被激活并進行工作。節點的程序流程如圖2所示：

3.設備狀態監測與故障診斷系統

電廠設備運行狀態檢修的首要問題設備運行監測與診斷，換言之，沒有成熟的狀態監測與故障診斷技術就沒有真正的運行狀態檢修。在設備監測與故障診斷過程中，監測是采集設備各種工況數據的過程，診斷是判斷比較采集的數據與設計值或者經驗值的過程，監測與診斷是掌握設備的性能和健康狀況的過程，可以通過以下兩個方面實現：建立完善的在線監測系統和便攜式監測系統；合理進行靜、動態診斷。其中靜態診斷主要是針對機組停止運行后，進行的諸如大修標準檢查、管壁厚度測量、葉片靜頻測試、軸承磨損檢查、無損探傷、水垢化學分析以及材料性能檢查的預期性檢查項目，動態診斷是電廠設備系統運行過程中，通過在線、離線的監測系統或者人的直觀判斷，獲取設備運行狀態信息的過程，例如：絕緣過程在線監測、紅外溫度監測、溫度在線監測、四管爆漏在線監測、振動離線和在線監測、油液離線和在線監測以及點檢管理系統[4]。系統主要監測設備狀態、狀態分析和預測狀態變化趨勢以及診斷判別故障類型和原因。監測和診斷電廠設備過程中，往往可以依據多方面判別設備是否運行正常，像邏輯框圖、國家或者行業標準、系統定值以及設備運行規程等各種依據。因此實現狀態檢修的關鍵是建立設備管理規范和可靠的設備狀態監測與診斷系統。

電廠設備幾乎都是復雜的機電設備，由于工作環境和使用壽命的限制，電廠設備中的部件不可避免會出現一些故障，這些故障常常表現為強烈的非線性、非Gauss以及非平穩性，而且常常會并發多種故障。故障診斷模塊不僅包含傳統的穩態分析方法，而且有現代的非平穩信號處理技術，為非平穩故障的診斷提供了強有力的工具。狀態監測與故障診斷系統結合建立設備專家統知識庫和故障診斷軟件，該軟件具有強大的信號分析能力，從時頻域、幅值域等角度提供直觀圖譜，通過對信號的分析處理實現對設備工況監測與故障診斷，并顯示動態圖形。

4.結論

電廠設備的自動化程度和故障診斷能力直接影響了電廠的經濟效益，因此提高設備的監控水平特別重要。ZigBee網絡無線通信技術作為無線通信的關鍵技術，具有部署速度快、監測精度高、覆蓋區域大等優點，能夠很好的解決有線傳輸的一系列問題。將ZigBee無線通信技術應用到電廠設備的故障診斷系統中，實現對電廠設備的運行狀態的在線監測與故障診斷，能夠很好的提高電廠的經濟效益。

參考文獻

[1]孫偉.基于無線通信的數據采集及故障診斷系統研究[D].浙江大學碩士學位論文，2010（1）：5-8.

[2]盛平，王玉秀，郭洋洋，王雷強.基于ZigBee和3G的多污水處理廠監控系統設計[J].2011（29）：504-505.

[3]劉濤濤，潘宏俠，姜旭剛.基于ZigBee技術的采煤機狀態監測與故障診斷系統設計[J].2013（10）：240-242.

[4]石峰.基于可靠性和成本的熱電廠設備檢修管理的研究[D].2012（5）：11-17.

作者簡介：尚振宏（1974—），男，山西萬榮人，大學本科，中級工程師，研究方向：計算機科學與技術。