CN108377261A - 一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统及方法，系统包括无线传感器节点、协调器节点以及上位机；无线传感器节点安装在电机设备上，无线传感器节点和协调器节点组成无线传感器网络，每个无线传感器节点检测电机设备的特征参数，将各个电机设备的参数汇聚于协调器节点，所述协调器节点与上位机平台连接，上位机平台集中处理各个电机设备的参数并且监测设备状态本发明通过工业无线传感网的传感器准确获得电机设备运行时的工作状态和信息构建故障诊断系统，可以及时的发现电机的故障类型，并进行报警。从而延长电机的使用寿命，减少了设备维修成本。

Description

一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统及方法，属于水电水利工业等项目中电机故障诊断领域。

背景技术

随着信息化控制在工业生产领域的广泛应用，人们提出了在保证企业计划产能的前提下，利用智能化的故障诊断方式对工业生产设备进行状态监测、故障诊断和系统维护，提高生产管理过程的高安全性和高可靠性。在现代化标准厂房的生产现场中，广泛部署有各类大型机组，机组具有“三大”(体积大、功率大、流量大)、“三高”(转速高、压力高、运行检修及时性要求高)的特点，其工作环境兼具高温、高压(超高压)、磨蚀等特点，这些因素极易导致设备突发故障的发生，对工业设备安全、连续、可靠的运行造成威胁。此外，为提高生产效率，工业生产要求形成紧密的生产链，连续性很强，因此，一旦设备发生故障，即会导致生产线全面停滞，严重影响安全生产，大大降低经济效益。网络化是装备故障诊断技术的发展方向，通过无线传感器网络对设备状态的监测，可以完成对设备运行信息的采集，为设备运行状态监测和故障诊断提供最原始的资料，这大大提高了设备故障诊断的效率。

经过对现有的文献检索发现张炜等人提出的《一种电机故障诊断系统》中采用的通信模块为无线WIFI、GPRS或者蓝牙。无线WIFI、GPRS在传输距离虽然达到了工业环境的要求，但其研发成本较高；蓝牙的传输距离只有10米左右，对于复杂的工业环境，所需要的节点数量将会增加，随之成本也会增加。本发明提出的工业无线传感网络是基于zigbee技术的无线传感网。在无线网络通信中，zigbee技术具有高容量、低成本、免执照频段、短时延、低功耗、低速率等优点，而传输距离视发射功率而定，有几百到几千米不等。根据王斌等人提出的《一种风力发电机故障诊断系统》，其中对于无线传感网的故障诊断未曾详细说明，使得系统的稳定性不高。

利用工业无线传感器网络来构建无线、分布式电机设备故障诊断和监测系统，弥补有线诊断系统在某些应用中布线复杂、部署成本较高、维护性和扩展性差等缺点。

发明内容

为了解决传统有线网络在电机设备故障诊断中布线复杂、部署成本高、维护性和拓展性差等缺点，本发明提出了一种基于工业无线传感网的电机故障诊断系统及方法，有效的降低了维护时间和成本。

为解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统，包括无线传感器节点、协调器节点以及上位机；

所述无线传感器节点安装在电机设备上，所述无线传感器节点和协调器节点组成无线传感器网络，每个无线传感器节点检测电机设备的特征参数，将各个电机设备的参数汇聚于协调器节点，所述协调器节点与上位机平台连接，所述上位机平台集中处理各个电机设备的参数并且监测设备状态。

上述无线传感器网络基于zigbee技术的cc2530实现，无线传感器节点和协调器节点之间的通信协议采用zigbee协议。

上述无线传感器节点之间采用沿节点逐跳的方式传输数据，各个无线传感网节点的数据直接或者沿节点逐跳传输至协调器节点。

上述上位机平台通过Labview2014实现，通过labview平台对采集到的数据进行处理，得到的实时的参数与特征参数进行比较，得到电机的运行状态。

上述无线传感器节点包括传感器模块、供电模块、射频模块、处理模块；

所述传感器模块用于监测的电机对象的参数的采集和数据转换；所述处理模块为无线传感器节点的中央处理器，处理各个传感器采集数据的处理和控制，协调整个无线传感器节点各个模块的工作；所述射频模块用于与其他传感器节点以及协调器节点通信；所述供电模块负责给整个无线传感器节点各个模块提供电源。

上述传感器模块包括霍尔电流传感器、ds18b20温度传感器，sp-1080w振动传感器。

一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断方法，利用上述的系统，其步骤如下：

(1)、首先根据电机正常运行的参数建立特征库，根据工程项目实际情况在电机上安装无线传感器节点，用来采集电机运行中的参数，利用检测到的参数对电机的工作状态进行评定，无线传感器节点与协调器节点组建无线传感器网络；

(2)、无线传感器节点和协调器节点之间的通信连接，将将各个电机设备的参数汇聚于协调器节点，协调器节点通过串口与上位机平台进行通信；

(3)、上位机平台对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理；

(4)、根据特征库和阈值进行诊断，进行故障判断，若发生故障，报警处理；若没发生故障时，存储数据。

上述步骤(1)所述无线传感器节点与协调器节点通过采用zigbee协议组建无线传感器网络，包括初始化网络和无线传感器节点加入网络两个步骤；

初始化网络：

zigbee网络的建立过程由协调器节点发起，无线传感器节点能够建立网络必须满足：节点是全功能设备节点，具有协调器功能；无线传感器节点还没有和其他网络连接，一个PAN网络只允许存在一个协调器；具体步骤如下：

a、选定网络协调器：无线传感器节点上电激活后，首先判断是否为全功能设备节点，即判断其是否具有成为zigbee协调器的功能，接着判断此节点是否已经加入到其他网络，通过主动扫描，节点发送一个信标请求命令，然后设置扫描期限时间，在扫描期内，如果没有检测到信标，那么证明这个全功能设备能够建立zigbee网络；若果检测到信标，它就加入这个协调器设备建立的网络；

b、信道扫描：包括能量扫描和主动扫描；能量扫描能够避免可能存在的干扰，收到能量扫描结果后，网络层将以递增的方式对所测的能量值进行信道排序，并且抛弃能量超出允许的信道，主动扫描找到一个相对较好的信道，即该信道中现有的网络数目最少，且最好不存在网络设备；

c、设置网络ID和协调器地址；

无线传感器节点加入网络：

首先无线传感器节点需要和协调器建立关联关系，才能加入网络；无线传感器节点上电激活后，会向协调器提出关联请求；协调器收到无线传感器节点的关联请求后，根据协调器资源和网络配置等情况决定是否允许其关联，然后会响应无线传感器节点的关联请求；无线传感器节点必须与协调器建立关联以后，才能加入网络并进行数据通信。

上述步骤(2)中无线传感器节点故障诊断的方法如下：

两相邻无线传感器节点S_i与S_j,根据它们各自所感知的数据,产生一个测试结果C_ij；因为两节点相邻、距离很近,某时刻t各自感知的数据应非常接近,其差不超过某一阈值θ₁；且在另一时刻t+1,两相邻节点所感知的数据之差与的差值也不会相差太大,即不超过某一阈值θ₂；若上述两条件中有一个未满足,则认为S_i与S_j中至少有一个发生故障；若该节点与其所有邻居节点检测出来发生故障概率数大于或等于其邻居节点数的一半，则该节点被认定为可能故障节点，将发出警报。

上述步骤(4)中上位机平台对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理的步骤如下：

(10-1)、原始数据采集；

(10-2)、数据分析处理；

(10-3)、根据特征库或阀值进行状态判断；

(10-4)、当符合故障标准,则报警提示,并反馈至无线传感器节点；

(10-5)、当不符合故障标准时，存储数据，以供查询。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种基于工业无线传感网的电机故障诊断方法，通过工业无线传感网的传感器准确获得电机设备运行时的工作状态和信息构建故障诊断系统，可以及时的发现电机的故障类型，并进行报警。从而延长电机的使用寿命，减少了设备维修成本。

附图说明

图1是本发明的整体系统结构图；

图2是本发明无线传感器节点分布示意图；

图3是本发明无线传感器节点模块结构示意图；

图4是本发明整个系统诊断方法的工作流程图。

图5是无线传感器网络初始化的流程图；

图6是本发明无线传感网络节点故障诊断流程图；

图7是发明的上位机平台对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图2所示，一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统，包括无线传感器节点、协调器节点以及上位机；

所述无线传感器节点安装在电机设备上，所述无线传感器节点和协调器节点组成无线传感器网络，每个无线传感器节点检测电机设备的特征参数，将各个电机设备的参数汇聚于协调器节点。

所述协调器节点与上位机平台连接，所述上位机平台集中处理各个电机设备的参数并且监测设备状态。

上述无线传感器网络基于zigbee技术的cc2530实现，无线传感器节点和协调器节点之间的通信协议采用zigbee协议。

上述无线传感器节点之间采用沿节点逐跳的方式传输数据。各个无线传感网节点的数据直接或者沿节点逐跳传输至协调器节点。协调器节点为增强数据处理功能的传感器节点或仅带有无线通信接口的网关设备。协调器节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比无线传感器节点要强,协调器节点连接无线传感器网络与工等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时发布管理无线传感器节点的监测任务,并把收集的数据转发到外部网络上。

上述上位机平台通过Labview2014实现，通过labview平台对采集到的数据进行处理，得到的实时的参数与特征参数进行比较，得到电机的运行状态。

如图3所示，上述无线传感器节点包括传感器模块、供电模块、射频模块、处理模块；

所述传感器模块用于监测的电机对象的参数的采集和数据转换；所述处理模块为无线传感器节点的中央处理器，处理各个传感器采集数据的处理和控制，协调整个无线传感器节点各个模块的工作；所述射频模块用于与其他传感器节点以及协调器节点通信；所述供电模块负责给整个无线传感器节点各个模块提供电源。

上述传感器模块包括霍尔电流传感器、ds18b20温度传感器，sp-1080w振动传感器。

如图4所示，一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断方法，利用上述的系统，其步骤如下：

(1)、首先根据电机正常运行的参数建立特征库，根据工程项目实际情况在电机上安装无线传感器节点，用来采集电机运行中的参数，电机参数包括电机运行时的电流、电压、温度、振动等，利用检测到的参数对电机的工作状态进行评定，无线传感器节点与协调器节点组建无线传感器网络；

(2)、无线传感器节点和协调器节点之间的通信连接，将将各个电机设备的参数汇聚于协调器节点，协调器节点通过串口与上位机平台进行通信；

(3)、上位机平台对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理；

(4)、根据特征库和阈值进行诊断，进行故障判断，若发生故障，报警处理；若没发生故障时，存储数据。

上述步骤(1)所述无线传感器节点与协调器节点通过采用zigbee协议组建无线传感器网络，zigbee网络只支持全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)两种设备。FFD设备可充当任何类型的节点，它不仅能够收发数据，接纳子节点，还具有路由功能。RFD设备只能充当子节点，只负责将采集数据发送给协调器和路由节点，不具有路由功能，不能接纳子节点。RFD设备之间的通信只能通过FFD设备进行，组建zigbee网络包括初始化网络和无线传感器节点加入网络两个步骤；

初始化网络：

如图5所示，zigbee网络的建立过程由协调器节点发起，无线传感器节点能够建立网络必须满足：节点是全功能设备节点，具有协调器功能；无线传感器节点还没有和其他网络连接，一个PAN网络只允许存在一个协调器；具体步骤如下：

a、选定网络协调器：无线传感器节点上电激活后，首先判断是否为全功能设备节点，即判断其是否具有成为zigbee协调器的功能，接着判断此节点是否已经加入到其他网络，通过主动扫描，节点发送一个信标请求命令，然后设置扫描期限时间，在扫描期内，如果没有检测到信标，那么证明这个全功能设备能够建立zigbee网络；若果检测到信标，它就加入这个协调器设备建立的网络；

b、信道扫描：包括能量扫描和主动扫描；能量扫描能够避免可能存在的干扰，收到能量扫描结果后，网络层将以递增的方式对所测的能量值进行信道排序，并且抛弃能量超出允许的信道，主动扫描找到一个相对较好的信道，即该信道中现有的网络数目最少，且最好不存在网络设备；

c、设置网络ID和协调器地址；

无线传感器节点加入网络：

首先无线传感器节点需要和协调器建立关联关系，才能加入网络；无线传感器节点上电激活后，会向协调器提出关联请求；协调器收到无线传感器节点的关联请求后，根据协调器资源和网络配置等情况决定是否允许其关联，然后会响应无线传感器节点的关联请求；无线传感器节点必须与协调器建立关联以后，才能加入网络并进行数据通信。

如图6所示，上述步骤(2)中无线传感器节点故障诊断的方法如下：

两相邻无线传感器节点S_i与S_j,根据它们各自所感知的数据,产生一个测试结果C_ij；因为两节点相邻、距离很近,某时刻t各自感知的数据应非常接近,其差不超过某一阈值θ₁；且在另一时刻t+1,两相邻节点所感知的数据之差与的差值也不会相差太大,即不超过某一阈值θ₂；若上述两条件中有一个未满足,则认为S_i与S_j中至少有一个发生故障；若该节点与其所有邻居节点检测出来发生故障概率数大于或等于其邻居节点数的一半，则该节点被认定为可能故障节点，将发出警报。

如图7所示，上述步骤(4)中上位机平台对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理的步骤如下：

(10-1)、原始数据采集；

(10-2)、数据分析处理；

(10-3)、根据特征库或阀值进行状态判断；

(10-4)、当符合故障标准,则报警提示,并反馈至无线传感器节点；

(10-5)、当不符合故障标准时，存储数据，以供查询。

本发明主要针对的是水电水利工业等项目中电机故障诊断。本发明提供了一种基于工业无线传感网的电机故障诊断系统以及方法，通过工业无线传感网的传感器准确获得电机设备运行时的工作状态和信息构建故障诊断系统，可以及时的发现电机的故障类型，并进行报警。从而延长电机的使用寿命，减少了设备维修成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统，其特征在于包括无线传感器节点、协调器节点以及上位机；

所述无线传感器节点安装在电机设备上，所述无线传感器节点和协调器节点组成无线传感器网络，每个无线传感器节点检测电机设备的特征参数，将各个电机设备的参数汇聚于协调器节点，所述协调器节点与上位机平台连接，所述上位机平台集中处理各个电机设备的参数并且监测设备状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统，其特征在于：所述无线传感器网络基于zigbee技术的cc2530实现，无线传感器节点和协调器节点之间的通信协议采用zigbee协议。

3.根据权利要求1所述的一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统，其特征在于：所述无线传感器节点之间采用沿节点逐跳的方式传输数据，各个无线传感网节点的数据直接或者沿节点逐跳传输至协调器节点。

4.根据权利要求1所述的一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统，其特征在于：所述上位机平台通过Labview2014实现，通过labview平台对采集到的数据进行处理，得到的实时的参数与特征参数进行比较，得到电机的运行状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统，其特征在于：所述无线传感器节点包括传感器模块、供电模块、射频模块、处理模块；

所述传感器模块用于监测的电机对象的参数的采集和数据转换；所述处理模块为无线传感器节点的中央处理器，处理各个传感器采集数据的处理和控制，协调整个无线传感器节点各个模块的工作；所述射频模块用于与其他传感器节点以及协调器节点通信；所述供电模块负责给整个无线传感器节点各个模块提供电源。

6.根据权利要求5所述的一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断系统，其特征在于：所述传感器模块包括霍尔电流传感器、ds18b20温度传感器，sp-1080w振动传感器。

7.一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断方法，其特征在于利用权利要求1-6所述的系统，其步骤如下：

(1)、首先根据电机正常运行的参数建立特征库，根据工程项目实际情况在电机上安装无线传感器节点，用来采集电机运行中的参数，利用检测到的参数对电机的工作状态进行评定，无线传感器节点与协调器节点组建无线传感器网络；

(2)、对无线传感器节点进行故障诊断，若有故障，报警处理，若无故障，则进行以下步骤；

(3)、无线传感器节点和协调器节点之间的通信连接，将各个电机设备的参数汇聚于协调器节点，协调器节点通过串口与上位机平台进行通信；

(4)、上位机平台对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理；根据特征库和阈值进行诊断，进行故障判断，若发生故障，报警处理；若没发生故障时，存储数据。

8.根据权利要求7所述的一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述无线传感器节点与协调器节点通过采用zigbee协议组建无线传感器网络，包括初始化网络和无线传感器节点加入网络两个步骤；

初始化网络：

zigbee网络的建立过程由协调器节点发起，无线传感器节点能够建立网络必须满足：节点是全功能设备节点，具有协调器功能；无线传感器节点还没有和其他网络连接，一个PAN网络只允许存在一个协调器；具体步骤如下：

(8-1)、选定网络协调器：无线传感器节点上电激活后，首先判断是否为全功能设备节点，即判断其是否具有成为zigbee协调器的功能，接着判断此节点是否已经加入到其他网络，通过主动扫描，节点发送一个信标请求命令，然后设置扫描期限时间，在扫描期内，如果没有检测到信标，那么证明这个全功能设备能够建立zigbee网络；若果检测到信标，它就加入这个协调器设备建立的网络；

(8-2)、信道扫描：包括能量扫描和主动扫描；能量扫描能够避免可能存在的干扰，收到能量扫描结果后，网络层将以递增的方式对所测的能量值进行信道排序，并且抛弃能量超出允许的信道，主动扫描找到一个相对较好的信道，即该信道中现有的网络数目最少，且最好不存在网络设备；

(8-3)、设置网络ID和协调器地址；

无线传感器节点加入网络：

首先无线传感器节点需要和协调器建立关联关系，才能加入网络；无线传感器节点上电激活后，会向协调器提出关联请求；协调器收到无线传感器节点的关联请求后，根据协调器资源和网络配置等情况决定是否允许其关联，然后会响应无线传感器节点的关联请求；无线传感器节点必须与协调器建立关联以后，才能加入网络并进行数据通信。

9.根据权利要求7所述的一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(2)中无线传感器节点故障诊断的方法如下：

两相邻无线传感器节点S_i与S_j,根据它们各自所感知的数据,产生一个测试结果C_ij；因为两节点相邻、距离很近,某时刻t各自感知的数据应非常接近,其差不超过某一阈值θ₁；且在另一时刻t+1,两相邻节点所感知的数据之差与的差值也不会相差太大,即不超过某一阈值θ₂；若上述两条件中有一个未满足,则认为S_i与S_j中至少有一个发生故障；若该节点与其所有邻居节点检测出来发生故障概率数大于或等于其邻居节点数的一半，则该节点被认定为可能故障节点，将发出警报。

10.根据权利要求7所述的一种基于工业无线传感网络的电机故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(4)中上位机平台对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理的步骤如下：

(10-1)、原始数据采集；

(10-2)、数据分析处理；

(10-3)、根据特征库或阀值进行状态判断；

(10-4)、当符合故障标准,则报警提示,并反馈至无线传感器节点；

(10-5)、当不符合故障标准时，存储数据，以供查询。