基于WSNs的電動(dòng)機(jī)故障智能診斷和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高相銘，孫志富，何民會(huì)

（1.安陽(yáng)師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安陽(yáng) 455000；2.中原油田石油化工總廠，濮陽(yáng) 457062）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線方式并采用自組織的形式構(gòu)成的一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中大量的傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，對(duì)處在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)的被監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息實(shí)施監(jiān)測(cè)、感知和采集，然后將被測(cè)信息經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。WSNs所具有的數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)靈活和設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快等特點(diǎn)使其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中嶄露頭角[1]。

長(zhǎng)期以來，處于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的電動(dòng)機(jī)故障時(shí)有發(fā)生。盡管工業(yè)生產(chǎn)中的電動(dòng)機(jī)都配備現(xiàn)場(chǎng)綜合保護(hù)裝置，但是這些裝置只有在電動(dòng)機(jī)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到或超過系統(tǒng)的整定參數(shù)值時(shí)才能夠動(dòng)作，因而并不具有預(yù)防功能?；诖?，我們研究開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與支持向量機(jī)模型的電動(dòng)機(jī)故障智能診斷和保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的早期故障診斷和現(xiàn)場(chǎng)綜合保護(hù)功能的一體化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過分析電動(dòng)機(jī)各類故障的特征，我們最終選擇了如下方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能：實(shí)時(shí)采集三相定子電流，根據(jù)對(duì)稱分量法將其分解為正序、負(fù)序和零序分量，將其和整定值進(jìn)行比較即可判斷是否有定子繞組故障；同時(shí)對(duì)定子電流信號(hào)進(jìn)行小波包分析，提取不同故障時(shí)各頻帶能量作為故障特征向量，利用人工蜂群算法優(yōu)化的支持向量機(jī)模型對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。

基于WSNs的電動(dòng)機(jī)故障智能診斷和保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由三部分構(gòu)成：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和上位計(jì)算機(jī)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)又稱感知節(jié)點(diǎn)，它一方面將采集到電機(jī)定子電流數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；另一方面對(duì)實(shí)時(shí)采集的定子電流信號(hào)利用三相對(duì)稱分量法進(jìn)行分解，并根據(jù)各電流分量的值來判斷故障類型，從而使現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)裝置采取相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)又稱Sink節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)將感知節(jié)點(diǎn)報(bào)送的定子電流數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳給監(jiān)控中心的上位計(jì)算機(jī)。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的早期故障診斷和預(yù)測(cè)，它通過對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解從而提取電機(jī)的故障特征向量，并將此向量輸入人工蜂群算法優(yōu)化后的支持向量機(jī)模型進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成的支持向量機(jī)模型即可用于轉(zhuǎn)子故障的在線實(shí)時(shí)診斷。

由于當(dāng)前的計(jì)算機(jī)都配備了高速的微處理器和大容量?jī)?nèi)存，加上豐富的軟件資源，使其非常有利于進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以對(duì)整個(gè)工廠內(nèi)所有電機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)施在線監(jiān)測(cè)和早期故障的智能診斷。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其性能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和整體性能產(chǎn)生直接影響，不僅如此，傳感器節(jié)點(diǎn)在本系統(tǒng)中還充當(dāng)著電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)綜合保護(hù)模塊的重要角色。它不但負(fù)責(zé)將采集到定子電流數(shù)據(jù)上報(bào)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，而且要對(duì)定子電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算分析，判斷定子繞組是否發(fā)生故障，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)綜合保護(hù)。我們?cè)O(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集單元、微處理器、同步采樣脈沖產(chǎn)生電路、無線數(shù)據(jù)傳輸單元以及報(bào)警顯示模塊等組成。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元主要由電壓互感器和電流互感器及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路組成，負(fù)責(zé)采集電動(dòng)機(jī)的電壓和電流信息，并將互感器輸出的交流電壓或電流信號(hào)調(diào)理為A/D轉(zhuǎn)換器能夠輸入的0～5V的單極性電壓信號(hào)。調(diào)理的方法是：采用精密電阻 R1 和R2分壓的方法使信號(hào)衰減為幅值不超過2.5V的交流電壓信號(hào)，并由電壓基準(zhǔn)電路產(chǎn)生一個(gè)正2.5V的直流信號(hào)，把衰減后的交流信號(hào)與之相加，就得到了在0～5V 內(nèi)變化的反映了交流信號(hào)值的單極性信號(hào)。采樣信號(hào)經(jīng)過分壓、疊加、反相、跟隨、和鉗位進(jìn)入采樣保持器，由采樣保持器將其輸入16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705進(jìn)行數(shù)字化處理。

2.1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計(jì)

在無線數(shù)據(jù)傳輸單元時(shí)，我們采用了CC2420射頻模塊，CC2420是TI公司生產(chǎn)的第一款符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻收發(fā)器。它包含了物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層，具有功耗較低、傳輸速率為250kbps、喚醒時(shí)間15～30ms、CSMA/CA信道狀態(tài)偵測(cè)等特性。此外，CC2420芯片的工作模式是通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)來進(jìn)行設(shè)置、而讀/寫緩存數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器也是通過SPI總線來實(shí)現(xiàn)；發(fā)射/接收緩存器的設(shè)置是通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)來完成；CCA管腳狀態(tài)決定了是否清除信道估計(jì)；SFD管腳狀態(tài)決定了是控制時(shí)鐘輸入還是定時(shí)信息輸入。這些管腳接口通過與微處理器的相應(yīng)管腳相連即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

2.1.3 微處理器選擇

傳感器節(jié)點(diǎn)中的微處理器是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)綜合保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信的核心，因此我們選用了AVR系列的Atmega128L微處理器。它有128kB的系統(tǒng)可編程Flash ROM、4kB的E2PROM、以及4kB的片內(nèi)SRAM，同時(shí)還可以通過I/O進(jìn)行外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展；采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大部分指令都可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；它的通信接口非常豐富，包括了1個(gè)SPI接口、1個(gè)兩線串行接口TWI和2個(gè)通用RS232接口。Atmega128L自身具有掉電檢測(cè)功能，通過軟件設(shè)定，能夠?qū)崿F(xiàn)在電源電壓過低時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存到微處理器的E2PROM內(nèi)，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

2.2 Sink節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

Sink節(jié)點(diǎn)接收感知節(jié)點(diǎn)通過Zigbee協(xié)議發(fā)送的電機(jī)電流數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP上傳給監(jiān)控中心的上位計(jì)算機(jī)。Sink節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了Zigbee和GPRS兩種協(xié)議的直接轉(zhuǎn)換，是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由器和網(wǎng)關(guān)。Sink節(jié)點(diǎn)主要包括CC2420射頻模塊、Atmega128L、DS3231實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、Q2406A等模塊組成。

微處理器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的中心，處理器性能的好壞決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能。因此我們也采用了ATmega128L做為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的微處理器單元。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的射頻收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，接收傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的三相電流數(shù)據(jù)。同傳感器節(jié)點(diǎn)一樣，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也采用了CC2420射頻模塊。GPRS模塊采用法國(guó)Wavecom公司Q2406A通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于WSNs的電動(dòng)機(jī)故障智能診斷和保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送、電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)綜合保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)通訊等功能。上位機(jī)軟件主要對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部是否存在轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

由于傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均是以Atmega128L和CC2420為核心的系統(tǒng)，因此我們采用了ICC AVR結(jié)合Z-Stack 協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)。通過適當(dāng)配置或定義Z-Stack實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層，而網(wǎng)絡(luò)的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)則通過CC2420來實(shí)現(xiàn)。這樣，我們只需通過控制CC2420即可以實(shí)現(xiàn)支持ZigBee協(xié)議的無線通信，從而而構(gòu)建自己的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件程序流程如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用了交互式的C語言開發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI進(jìn)行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)了如下功能：對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；定期對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部是否存在轉(zhuǎn)子斷條故障、定子繞組匝間短路故障、氣隙偏心故障等進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，診斷周期可以自主設(shè)定；如果診斷發(fā)現(xiàn)故障存在，立即通過聲光報(bào)警信號(hào)通知運(yùn)行人員，如果運(yùn)行人員不在現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)在報(bào)警持續(xù)1分鐘后強(qiáng)制切斷故障電機(jī)電源；系統(tǒng)中的支持向量機(jī)故障診斷模型具有在線自學(xué)習(xí)功能，也可通過軟件界面中的“支持向量機(jī)模型訓(xùn)練”菜單手動(dòng)訓(xùn)練模型；支持歷史數(shù)據(jù)查詢和通信設(shè)置。

軟件中的電機(jī)故障特征提取功能和支持向量機(jī)故障診斷模型主要通過LabWindows/CVI調(diào)用MATLAB軟件來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

基于WSNs的電動(dòng)機(jī)故障智能診斷和保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種全新的電機(jī)保護(hù)模式，它是集現(xiàn)場(chǎng)綜合保護(hù)和早期故障智能診斷為一體的無線網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程分布式系統(tǒng)。從系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果可以看出：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方案保證了故障診斷所用數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性和完整性；采用基于小波包分析的方法提取的電動(dòng)機(jī)故障特征明顯；采用支持向量機(jī)結(jié)合人工蜂群算法建立的故障診斷模型具有良好的性能。該系統(tǒng)具有無線化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、準(zhǔn)確診斷電機(jī)的故障類型并實(shí)施有效的綜合保護(hù)，大大降低了電動(dòng)機(jī)的故障停機(jī)率和由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

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