波紋補償器無線監(jiān)測系統(tǒng)的研制

倪洪啟， 趙亞文， 金馳

（沈陽化工大學(xué)機械工程學(xué)院，沈陽110142）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段（Internet of things，IoT）。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)[1]，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。隨著社會經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國在各個領(lǐng)域?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用也隨之增加，這使得我國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，而以物聯(lián)網(wǎng)為媒介，可以使我國對工業(yè)設(shè)備的診斷與監(jiān)測進入到以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實時進行監(jiān)測與診斷的新紀元[2-3]。本文所設(shè)計的系統(tǒng)是為了降低在現(xiàn)代管道系統(tǒng)中的生產(chǎn)事故的發(fā)生概率，提高安全系數(shù)，從而保障工業(yè)設(shè)備能夠更穩(wěn)定地工作。但是，在工業(yè)設(shè)備的維護過程中，設(shè)備維修員需要快速檢查和修復(fù)因溫度、位移、壓力等外界因素而引起的設(shè)備故障，這大大降低了生產(chǎn)效率[4]。雖然在設(shè)備維護中安排了大量人員進行定期的檢查，當發(fā)生故障時，通常現(xiàn)場會有許多經(jīng)驗豐富的維護人員，依靠自己以往的經(jīng)驗來判斷事故的發(fā)生原因，并提出解決辦法，從而對設(shè)備進行維修。但是，這樣豐富的經(jīng)驗是需要長期的磨練來形成，為此需要投入大量的人力和物力，這不僅增加了成本，而且還會存在著安全隱患[5]。另一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，一種基于物聯(lián)網(wǎng)的波紋補償器無線監(jiān)測系統(tǒng)就可以很好地解決這些問題，實時監(jiān)測工業(yè)設(shè)備可以有效地解決時間和地點對工作人員的約束，可以把分布在各個地點的終端節(jié)點組織起來，從而把采集數(shù)據(jù)、遠距離無線傳輸、應(yīng)用服務(wù)等功能通過嵌入式系統(tǒng)組成一個物聯(lián)網(wǎng)體系。在終端監(jiān)測的設(shè)備發(fā)生失效時，能夠快速發(fā)現(xiàn)并實時處理，使得維修人員能夠迅速提出解決方案，提升了維修的效率和延長設(shè)備的壽命[6-7]。本文是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來遠程監(jiān)測波紋補償器的工作狀態(tài)，利用各種傳感器來實測波紋補償器的工作狀態(tài)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

1.1 波紋補償器的結(jié)構(gòu)

波紋補償器是一種補償性元件，在工業(yè)上也稱膨脹節(jié)，它安裝在管道上，吸收因溫度、壓力變化而引起的位移，以保障管道安全運行。波紋補償器工作原理是波紋補償器的主要彈性元件為不銹鋼波紋管，依靠波紋管伸縮、彎曲來對管道進行軸向、橫向、角向補償。其作用可以起到補償管道軸向、橫向、角向熱變形，吸收設(shè)備振動，減少設(shè)備振動對管道的影響，吸收地震、地陷對管道的變形量。圖1為波紋管的裝配圖。

圖1 波紋補償器的裝配結(jié)構(gòu)圖

1.2 ZigBee發(fā)射和接收模塊的選擇

物聯(lián)網(wǎng)可以看作是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的再開發(fā)，利用各種傳感器來采集外界事物的信息，之后可以通過互聯(lián)網(wǎng)與人進行接觸，實現(xiàn)人與事物的連接。為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的正常運轉(zhuǎn)，必須集成其他方面的技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常作物聯(lián)網(wǎng)的感知層，能夠完美契合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)的智能化、數(shù)字化、信息化，為此將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于物聯(lián)網(wǎng)是目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要組成部分。基于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)下，可以用在波紋管的無線監(jiān)測網(wǎng)有藍牙、Wi-Fi、紅外技術(shù)、ZigBee、Home RF、UWB等，經(jīng)過一系列的優(yōu)缺點比較，發(fā)現(xiàn)最適合搭建對波紋補償器的無線檢測系統(tǒng)就是ZigBee技術(shù)[8-10]。

圖2 CC2530的芯片實物圖

圖3 CC2530的芯片電路圖

1.3 系統(tǒng)硬軟件的組成

本文完成了對系統(tǒng)的硬件設(shè)計與開發(fā)。其主要包括無線通訊模塊、傳感器和外部連線，無線通訊模塊選用CC2530的芯片，圖2是CC2530芯片實物圖，圖3是CC2530芯片電路圖。

用戶界面就是將Zigbee模塊中接收的來自終端節(jié)點中的壓力、位移、溫度等信息實時顯示在用戶電腦上，并且將處理后的數(shù)據(jù)，以折線圖的形式顯示在電腦上，同時保存數(shù)據(jù)。可以設(shè)置警戒值，超出警戒值時發(fā)出警報。

本文采用VB技術(shù)對用戶界面進行設(shè)計，使用窗口以及控件等可視化界面進行程序設(shè)計。一方面，VB擁有圖形用戶界面和快速應(yīng)用程序開發(fā)系統(tǒng)；另一方面它可以輕松地創(chuàng)建Active X控件。界面設(shè)計如圖4所示。

圖4 用戶界面的設(shè)計

2 系統(tǒng)的調(diào)試與信號采集

1）系統(tǒng)的調(diào)試。首先，將已經(jīng)編寫好的程序分別寫入帶有發(fā)射和接收功能的Zigbee模塊，按照上面所述的硬件進行連接，將溫度、位移、壓力傳感器連接到下位機底板上，并且通過電源統(tǒng)一給它們供電。然后將路由器連接電源，將協(xié)調(diào)器與計算機相連，打開用戶軟件，開啟通信，調(diào)試成功。

圖5 采集實物圖

2）溫度、位移、壓力信號的采集。在實驗室里完成了對溫度、壓力和位移的信號采集，下面具體介紹其測量方法。首先把波紋補償器平放在試驗臺上，由于溫度傳感器的末端具有磁性，可直接吸附在膨脹節(jié)上。溫度、位移、壓力傳感器的另一端和ZigBee模塊相連接，電源可以直接用USB線給模塊供電。打開個人電腦，開啟ZigBee模塊自帶的信號采集軟件，將溫度、位移、壓力傳感器的接收和發(fā)送信號的程序分別寫入2個ZigBee模塊里，設(shè)置好一些參數(shù)，開啟通信，同時用工業(yè)上的加熱電風筒放在波紋管內(nèi)，進行加熱，叉車部分可以直接插入波紋管內(nèi)，給予振動，波紋管倒放在打壓實驗臺上，進行打壓，并采集和保存數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟，溫度、位移、壓力傳感器分別放在膨脹節(jié)不同的位置上，多測幾組數(shù)據(jù)。溫度、位移、壓力采集的實物如圖5所示。

3 信號的分析與處理

3.1 溫度、位移壓力信號的數(shù)據(jù)分析

溫度、位移、壓力傳感器多次測量波紋管的溫度位移、壓力，可以得到圖6～圖8數(shù)據(jù)趨勢。

圖6 溫度測試曲線

圖7 位移測試曲線

圖8 壓力測試曲線

從圖6分析可知，將補償器的溫度上限設(shè)定為100℃，此時保持位移、壓力不變，只改變波紋補償器的溫度，開啟系統(tǒng)進行溫度測試，當測試溫度到達100℃時，系統(tǒng)將報警。從圖7分析可知，將補償器的位移上限設(shè)定為150 mm，此時保持溫度、壓力不變，開啟系統(tǒng)進行溫度測試，當測試位移到達150 mm時，系統(tǒng)將報警。從圖8分析可知，將補償器的壓力上限設(shè)定為3.7 MPa，此時保持溫度、位移不變，只改變波紋補償器的壓力，開啟系統(tǒng)進行溫度測試，當測試壓力達到3.5 MPa時，系統(tǒng)將報警。

3.2 溫度、位移、壓力信號的誤差分析

在實驗室進行多次溫度的測試，將系統(tǒng)檢測到的溫度和用溫度計實測的溫度進行了對比，結(jié)果兩者基本一致，說明系統(tǒng)測量的溫度是準確的，而測量的位移、壓力數(shù)據(jù)曲線中可以看出，系統(tǒng)測量的位移、壓力數(shù)值和實測的位移數(shù)值存在一定的誤差。測量的誤差值如圖9、圖10所示。

對圖9所示的測試數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生系統(tǒng)測量的位移數(shù)值和實測的位移數(shù)值存在誤差的根本原因是：波紋管補償器在變形過程中，沒有均勻地發(fā)生變形，而是在變形過程中產(chǎn)生了彎曲，致使測量結(jié)果產(chǎn)生了一定的誤差，產(chǎn)生誤差的大小和彎曲的程度及彎曲的方向有關(guān)。對圖10所示的測試數(shù)據(jù)進行認真分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生系統(tǒng)測量的壓力數(shù)值和實測的壓力數(shù)值存在誤差根本原因是由于波紋管補償器的密封效果不好。為了消除因彎曲而產(chǎn)生的誤差，在波紋管補償器上安裝2個位移傳感器，而對于消除因壓力造成的誤差，可以在波紋補償器上安裝密封圈，也可以用電焊的方式來密封。

圖9 測試位移的誤差

圖10 測試壓力的誤差

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的波紋補償器無線監(jiān)測系統(tǒng)，解決了目前波紋補償器安裝后不能及時監(jiān)測的問題，并對波紋管補償器的監(jiān)測系統(tǒng)進行了測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)測試的溫度值和實測的溫度值之間基本一致；而系統(tǒng)測試的位移值、壓力值和實測數(shù)值之間存在一定的誤差。本文分析了產(chǎn)生誤差的原因，并給出解決辦法，為消除工業(yè)管道的安全隱患提供了合理方案。