高相銘，孫志富，何民會

（1.安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安陽 455000；2.中原油田石油化工總廠，濮陽 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)點通過無線方式并采用自組織的形式構(gòu)成的一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中大量的傳感器節(jié)點協(xié)同工作，對處在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)的被監(jiān)測對象的相關(guān)信息實施監(jiān)測、感知和采集，然后將被測信息經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心計算機。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)快等特點使其在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用中嶄露頭角[1]。

長期以來，處于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的電動機故障時有發(fā)生。盡管工業(yè)生產(chǎn)中的電動機都配備現(xiàn)場綜合保護裝置，但是這些裝置只有在電動機相關(guān)運行參數(shù)達(dá)到或超過系統(tǒng)的整定參數(shù)值時才能夠動作，因而并不具有預(yù)防功能?；诖耍覀冄芯块_發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與支持向量機模型的電動機故障智能診斷和保護系統(tǒng)，實現(xiàn)了電動機的早期故障診斷和現(xiàn)場綜合保護功能的一體化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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

基于WSNs的電動機故障智能診斷和保護系統(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)和上位計算機。

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)由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點和大量的傳感器節(jié)點組成。傳感器節(jié)點又稱感知節(jié)點，它一方面將采集到電機定子電流數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點；另一方面對實時采集的定子電流信號利用三相對稱分量法進行分解，并根據(jù)各電流分量的值來判斷故障類型，從而使現(xiàn)場保護裝置采取相應(yīng)的保護動作。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點又稱Sink節(jié)點，它負(fù)責(zé)將感知節(jié)點報送的定子電流數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實時上傳給監(jiān)控中心的上位計算機。上位機主要實現(xiàn)電機的早期故障診斷和預(yù)測，它通過對電流信號進行3層小波包分解從而提取電機的故障特征向量，并將此向量輸入人工蜂群算法優(yōu)化后的支持向量機模型進行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成的支持向量機模型即可用于轉(zhuǎn)子故障的在線實時診斷。

由于當(dāng)前的計算機都配備了高速的微處理器和大容量內(nèi)存，加上豐富的軟件資源，使其非常有利于進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算和分析，因此一臺計算機可以對整個工廠內(nèi)所有電機的工作狀態(tài)實施在線監(jiān)測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

2.1 傳感器節(jié)點硬件電路設(shè)計

傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其性能對整個網(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)點在本系統(tǒng)中還充當(dāng)著電動機現(xiàn)場綜合保護模塊的重要角色。它不但負(fù)責(zé)將采集到定子電流數(shù)據(jù)上報給協(xié)調(diào)器節(jié)點，而且要對定子電流和電壓數(shù)據(jù)進行實時運算分析，判斷定子繞組是否發(fā)生故障，實現(xiàn)電機的現(xiàn)場綜合保護。我們設(shè)計的傳感器節(jié)點由數(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)傳輸單元以及報警顯示模塊等組成。傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

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)的信號調(diào)理電路組成，負(fù)責(zé)采集電動機的電壓和電流信息，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。調(diào)理的方法是：采用精密電阻 R1 和R2分壓的方法使信號衰減為幅值不超過2.5V的交流電壓信號，并由電壓基準(zhǔn)電路產(chǎn)生一個正2.5V的直流信號，把衰減后的交流信號與之相加，就得到了在0～5V 內(nèi)變化的反映了交流信號值的單極性信號。采樣信號經(jīng)過分壓、疊加、反相、跟隨、和鉗位進入采樣保持器，由采樣保持器將其輸入16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705進行數(shù)字化處理。

2.1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計

在無線數(shù)據(jù)傳輸單元時，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、喚醒時間15～30ms、CSMA/CA信道狀態(tài)偵測等特性。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；SFD管腳狀態(tài)決定了是控制時鐘輸入還是定時信息輸入。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)點中的微處理器是實現(xiàn)電動機現(xiàn)場綜合保護和現(xiàn)場數(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，同時還可以通過I/O進行外部存儲器擴展；采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，大部分指令都可以在一個時鐘周期內(nèi)完成；它的通信接口非常豐富，包括了1個SPI接口、1個兩線串行接口TWI和2個通用RS232接口。Atmega128L自身具有掉電檢測功能，通過軟件設(shè)定，能夠?qū)崿F(xiàn)在電源電壓過低時，系統(tǒng)自動將關(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)點硬件設(shè)計

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

微處理器是整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的中心，處理器性能的好壞決定了整個節(jié)點的性能。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)點進行通信，接收傳感器節(jié)點上傳的三相電流數(shù)據(jù)。同傳感器節(jié)點一樣，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點也采用了CC2420射頻模塊。GPRS模塊采用法國Wavecom公司Q2406A通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于WSNs的電動機故障智能診斷和保護系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機軟件和下位機軟件的開發(fā)設(shè)計。下位機軟件主要實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送、電動機現(xiàn)場綜合保護、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點與GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)通訊等功能。上位機軟件主要對電動機內(nèi)部是否存在轉(zhuǎn)子故障進行實時診斷。

3.1 下位機軟件設(shè)計

由于傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點均是以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)議棧進行開發(fā)。通過適當(dāng)配置或定義Z-Stack實現(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來實現(xiàn)。這樣，我們只需通過控制CC2420即可以實現(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)點的軟件程序流程如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點程序流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用了交互式的C語言開發(fā)平臺LabWindows/CVI進行開發(fā)，主要實現(xiàn)了如下功能：對電機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測；定期對電動機內(nèi)部是否存在轉(zhuǎn)子斷條故障、定子繞組匝間短路故障、氣隙偏心故障等進行實時診斷，診斷周期可以自主設(shè)定；如果診斷發(fā)現(xiàn)故障存在，立即通過聲光報警信號通知運行人員，如果運行人員不在現(xiàn)場，系統(tǒng)在報警持續(xù)1分鐘后強制切斷故障電機電源；系統(tǒng)中的支持向量機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“支持向量機模型訓(xùn)練”菜單手動訓(xùn)練模型；支持歷史數(shù)據(jù)查詢和通信設(shè)置。

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

4 結(jié)束語

基于WSNs的電動機故障智能診斷和保護系統(tǒng)實現(xiàn)了一種全新的電機保護模式，它是集現(xiàn)場綜合保護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)的實際運行結(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)的實時性、可靠性和完整性；采用基于小波包分析的方法提取的電動機故障特征明顯；采用支持向量機結(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，能夠?qū)崟r監(jiān)測電機運行狀態(tài)參數(shù)、準(zhǔn)確診斷電機的故障類型并實施有效的綜合保護，大大降低了電動機的故障停機率和由此帶來的經(jīng)濟損失。

[1]孫利民, 梁江濤, 魏然.基于GPRS與ZigBee的遠(yuǎn)程分散多點監(jiān)控系統(tǒng)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2012, 33(1):24～27.

[2]肖蕙蕙, 熊雋迪, 李川等.基于定子電流監(jiān)測方法的電機故障診斷[J].電機與控制應(yīng)用, 2008, 35(1): 54～57.

[3]張征平, 楊楚明, 任震.電動機轉(zhuǎn)子故障在線監(jiān)測誤判率高的原因及其改進方法[J].電力自動化設(shè)備, 2003,23(6): 21～24.

[4]高相銘, 楊世鳳, 胡瑜.ZigBee技術(shù)在城市管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動, 2012, 42(1): 49～52.