CN114719958A - 一种基于wia-pa与4g双无线技术的振动监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于WIA‑PA与4G双无线技术的振动监测系统及方法，包括：上位控制层的上位机、服务器，上位机中存储有程序，当加载程序时执行方法步骤，实现对采集振动监测数据进行故障等级评定和预警，以及判别是否转换WIA‑PA或4G网络模式进行振动监测；数据通信层的网关，用于连接物理采集层与上位控制层，上传振动监测数据给服务器、上位机；物理采集层的振动监测设备，用于采集振动监测数据。本发明适合作为旋转型机械设备的故障诊断，不仅可以在技术上使得WIA‑PA与4G互相弥补，同时在应用上更为简洁、易用。
Description
技术领域
本发明涉及振动监测技术领域，具体是涉及大型旋转型机械设备的振动监测系统。
背景技术
对大型旋转型机械设备而言，绝大多数故障都是与机械运动或振动密切联系的，振动监测具有直接、实时和故障类型覆盖范围广的特点。因此，振动监测是针对旋转型机械设备的各种预测性维修技术中的核心部分，其它预测性维修技术：如红外热像、油液分析、电气诊断等则是振动监测技术的有效补充。
大型旋转型机械设备，其故障频率在1Khz以上的占大部分，若要覆盖旋转型机械设备95％以上的故障需要10kHz频响范围的加速度传感器，这样对于采样率和AD精度都需要高规格才能满足这样的频率范围，同样对于大数据量的网络传输和实时性都有一定的要求。
目前，振动监测设备主要有两种方案，一种是有源供电振动实时监测方案；另一种则是电池供电无线监测方案。第一种方案的优势在于，实时监测旋转型机械设备的振动数据，通过大数据进行故障分析和趋势性分析可有效监测旋转型机械设备的健康状况，对大型关键机组类设备起到一定程度的预警作用；其缺点在于，价格高昂，连续采集产生非常巨大的数据量，后台分析需要专业人士值班监测，给出诊断结论，并且现场安装复杂，增加供电线缆及数据传输线缆。第二种方案的优势在于，价格低，体积小，便于安装，采取低功耗数据采集方式，通过优化无线网络等方式提高其续航时长，可大面积应用于各类旋转机组上；其缺点也非常明显，那就是要考虑低功耗方面，所以无法进行实时数据传输，仅能定时采集，定时发送常规数据，大数据请求发送，其他时间休眠方式来进行。这样监测的效果并不理想，不能真实反映机组的健康状况，会产生延迟、偏差、漏判等状况。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，该系统可提供宽带频响测试范围，解决大数据、长波形持续实时传输需求，提供无源供电解决方案。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测方法，包括以下步骤：
监测系统启动：网关和监测设备上电启动，进入WIA-PA网络模式，设置常规数据发送间隔，其余时间进入休眠状态；
组建星型网络：多个振动监测设备可作为WIA-PA网络子节点与网关进行组网，网关广播发送时间戳与安装在待测旋转型机械设备驱动轴上的振动监测设备子节点进行时钟同步，子节点入网时自动分配时隙；
振动数据监测：根据工作模式判断是否进行WIA-PA网络模式下常规振动数据监测或4G网络模式下长波形密集振动数据监测，以及故障等级分类；或在常规振动数据监测过程中按照故障等级自动转换为4G网络模式下长波形密集振动数据监测。
WIA-PA网络模式下常规振动数据监测过程中，实时采集振动监测设备上传的振动速度有效值、位移峰值、加速度峰值，参考中石化大型旋转型机械设备的振动烈度标准等级设置、及其报警阈值范围。
所述在WIA-PA网络模式下常规振动数据监测过程中按照故障等级自动转换为4G网络模式下长波形密集振动数据监测为：当故障等级达到预先设置的参数时，切换工作模式为4G网络模式的数据采集，获取长波形大数据。
一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，包括：
上位控制层的上位机、服务器，上位机中存储有程序，当加载程序时执行如上任意一项所述的方法步骤，实现对采集振动监测数据进行故障等级评定和预警，以及判别是否转换WIA-PA或4G网络模式进行振动监测；
数据通信层的网关，用于连接物理采集层与上位控制层，上传振动监测数据给服务器、上位机；
物理采集层的振动监测设备，用于采集振动监测数据。
所述振动监测设备安装在待测旋转型机械设备驱动轴上，包括：
电源系统单元，包括充电锂电池、振动发电电路，所述振动发电电路包括发电模组、调理电路、电压转换电路，发电模组安装在待测旋转型机械设备轴位置，获取电能后经过电压等级转换后给锂电池充电；
振动感知单元，为振动传感器，采集三个方向上的振动数据；
信号处理单元，用于对锂电池的输出电能进行降压管理，对采集的三个方向的振动数据进行处理得到振动特征值发送给无线网络单元；
无线网络单元，用于转发数据给上位机。
所述振动传感器为：压电加速度传感器采集主轴(Z轴)振动数据，两个双轴MEMS加速度传感器采集前端分轴(X、Y轴)振动数据。
所述信号处理单元包括：
AD模块，用于对采集的振动数据进行AD数模转换，输出模拟量数据；
ARM单片机模块，包括：a.对三个方向的模拟数据进行分类；b.对数据进行滤波去噪、提取振动特征值；c.将数据打包封装成无线网络单元协议格式输出；
PMU电源管理模块，连接锂电池获取电能，用于通过电压转换芯片向振动监测设备的其他器件提供不同等级电源；
存储模块，用于存储数据。
所述振动特征值包括：振动速度有效值、位移峰值、加速度峰值。
所述无线网络单元包括：
WIA-PA模块，用于提供2.4G网络进行组网以及常规数据的收发；
4G模块，用于提供4G网络，进行长波形、大数据连续实时传输。
所述常规数据：需要连续在两个时隙内发送两包报文，报文内容包括3组X、Y、Z三个方向的9个振动特征值数据；
长波形大数据：连续采集大于等于2M长波形大数据，包括采集点位置当前时段振动速度、位移和加速度的多组连续数据波形。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明振动监测设备选择WIA-PA无线2.4G与无线4G双结合，提供了一种宽带频响测试范围，解决大数据、长波形持续实时传输需求，和无源供电的解决方案，有效实现了旋转型机械设备故障精密分析和诊断的功能。采用WIA-PA网络具有数据传输安全、可靠、功耗低等优点，通过定时采集振动数据特征值并上传，适合作为旋转型机械设备的故障预警。而4G网络具有大数据量传输、低延迟等优点，可将连续采集的振动数据实时上传，适合作为旋转型机械设备的故障诊断。所以本发明不仅可以在技术上使得WIA-PA与4G互相弥补，同时在应用上更为简洁、易用。
附图说明
图1为本发明的振动监测系统总体构成；
图2为本发明的振动监测设备硬件构成；
图3为本发明的报警阈值设定标准；
图4为本发明的振动监测系统流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，本发明所述的基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，如附图1所示，包括物理采集层——振动监测设备，数据通信层——接收WIA-PA和4G网的网关，上位控制层——上位机和服务器。
物理采集层。系统前端，主要用于采集旋转型机械设备(例如：电机、泵、蒸汽涡轮机、离心式分离机、车床等)振动特征数据，并将数据通过WIA-PA网络模式或4G网络模式上传至网关；
数据通信层。主要通过WIA-PA和4G网接收系统前端采集的数据；
上位控制层。主要用于智能分析传上来的振动特征数据，可分析常规数据，可下发大数据采集指令，也可连续监测振动数据。通过设置报警阈值来作故障初步处理，再通过大数据进行故障诊断来判断旋转型机械设备健康状况，即运行状态是否正常，是否出现故障，以及根据振动烈度等级来判断告警等级。
本发明所述的振动监测设备硬件构成如附图2所示，由电源系统单元、振动感知单元、信号处理单元、无线网络单元组成。
电源系统单元
该电源系统单元由充电锂电池+充电电路组成。充电电路设计为振动发电电路，由发电模组、调理电路、电压转换电路组成。振动监测(设备)安装在旋转型机械设备轴位置，通过高频振动，内部的发电模组(采用领普PM4150)采集动能，并将动能转化为电能，再通过调理电路将采集的电能稳定输出，最后通过电压转换电路给锂电池充电。
振动感知单元
通用的MEMS加速度传感器的频响范围均在10～1kHz，要完成旋转型机械设备的振动监测，需要在其设备关键轴向安装压电加速度传感器，其频响范围在2-20kHz，满足其故障诊断监测的频响范围。该系统的振动感知单元采用压电加速度传感器采集主轴(Z轴)振动数据，两个双轴MEMS加速度传感器用于前端分轴(X、Y轴)振动数据采集。
信号处理单元
信号处理单元包括：ARM单片机、PMU电源管理(电源系统单元出来的电压是3.6V，PMU电源管理即将3.6V转换成3V和3.3V，3V给传感器和ADC供电，3.3V给单片机和Memory供电)电路，AD数模转换电路，Memory数据存储。该单元主要是将前端传感器采集的数据进行AD数模转换，运算(将AD转换完成的数字量加速度数据，进行分类，即将三个加速度传感器分别对应的X、Y、Z轴采集的数据进行分类；再进行滤波；然后将数据进行特征值(振动速度有效值、位移峰值、加速度峰值)计算；最后将数据打包封装，常规格式即可)，存储，唤醒(与无线网络模块双向唤醒)。
无线网络单元
无线网络单元包括：WIA-PA模块和4G模块。WIA-PA模块提供2.4G网络，可完成大规模组网，进行常规数据的收发应用；而4G模块则提供4G网络，可完成长波形、大数据连续实时传输。
常规数据：需要连续在两个时隙内发送两包报文，共9个特征值数据，3组X,Y,Z三个方向数据，分别为振动速度有效值、位移峰值、加速度峰值。
长波形大数据：密集连续采集大于等于2M长波形大数据，数据包括采集点位置当前时段振动速度、位移和加速度的多组连续数据波形。
本发明所述的振动监测方法流程如图4所示，步骤如下：
监测系统启动
将振动监测设备安装于旋转型机械设备轴的测点，网关和监测设备上电启动，进入WIA-PA网络模式，在上位机设置常规数据发送间隔，其余时间进入休眠状态。
组建星型网络
多个振动监测设备可作为WIA-PA网络子节点与网关进行组网，网关发广播时发送时间戳与子节点进行时钟同步，子节点入网时自动分配时隙，完成多个振动监测设备与网关的数据交互。
设置报警阈值
在上位机界面设置监测旋转型机械的振动报警阈值，可参考中石化大型旋转型机械设备的振动烈度标准设置其报警阈值范围，如附图3所示，设置四级报警阈值范围，分别为初级、中级、高级、严重四个等级。初级为观察，中级为预警，高级为停机检修，严重为即将损坏。
工作模式切换
当系统处于WIA-PA网络模式时，定时上传常规数据至上位机，上位机智能分析并判断设备故障情况。若设备振动出现高级报警，则下发大数据请求命令，振动监测设备自动切换至4G网络模式，开启连续密集采集振动数据动作，完成2M长波形采集并通过4G网络上传网关并存储在服务器，上位机对该大数据进行诊断分析，若该长波形确实反映振动烈度异常，可连续下发采集命令，振动监测设备完成连续采，连续发送动作。若长波形无异常，则切换至WIA-PA网络模式，继续上传定时常规数据。
以上实施例详细说明了本发明的构造、特征、作用效果，以上仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所做的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
本发明所述的基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，选择WIA-PA无线2.4G与无线4G双结合，提供了一种宽带频响测试范围，解决大数据、长波形持续实时传输需求，和无源供电的解决方案，有效实现了旋转型机械设备故障精密分析和诊断的功能。采用WIA-PA网络具有数据传输安全、可靠、功耗低等优点，通过定时采集振动数据特征值并上传，适合作为旋转型机械设备的故障预警。而4G网络具有大数据量传输、低延迟等优点，可将连续采集的振动数据实时上传，适合作为旋转型机械设备的故障诊断。所以本发明不仅可以在技术上互相弥补，同时在应用上更为简洁、易用。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
监测系统启动：网关和监测设备上电启动，进入WIA-PA网络模式，设置常规数据发送间隔，其余时间进入休眠状态；
组建星型网络：多个振动监测设备可作为WIA-PA网络子节点与网关进行组网，网关广播发送时间戳与安装在待测旋转型机械设备驱动轴上的振动监测设备子节点进行时钟同步，子节点入网时自动分配时隙；
振动数据监测：根据工作模式判断是否进行WIA-PA网络模式下常规振动数据监测或4G网络模式下长波形密集振动数据监测，以及故障等级分类；或在常规振动数据监测过程中按照故障等级自动转换为4G网络模式下长波形密集振动数据监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，其特征在于，WIA-PA网络模式下常规振动数据监测过程中，实时采集振动监测设备上传的振动速度有效值、位移峰值、加速度峰值，参考中石化大型旋转型机械设备的振动烈度标准等级设置、及其报警阈值范围。
3.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，其特征在于，所述在WIA-PA网络模式下常规振动数据监测过程中按照故障等级自动转换为4G网络模式下长波形密集振动数据监测为：当故障等级达到预先设置的参数时，切换工作模式为4G网络模式的数据采集，获取长波形大数据。
4.一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，其特征在于，包括：
上位控制层的上位机、服务器，上位机中存储有程序，当加载程序时执行如权利要求1-3任意一项所述的方法步骤，实现对采集振动监测数据进行故障等级评定和预警，以及判别是否转换WIA-PA或4G网络模式进行振动监测；
数据通信层的网关，用于连接物理采集层与上位控制层，上传振动监测数据给服务器、上位机；
物理采集层的振动监测设备，用于采集振动监测数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，其特征在于，所述振动监测设备安装在待测旋转型机械设备驱动轴上，包括：
电源系统单元，包括充电锂电池、振动发电电路，所述振动发电电路包括发电模组、调理电路、电压转换电路，发电模组安装在待测旋转型机械设备轴位置，获取电能后经过电压等级转换后给锂电池充电；
振动感知单元，为振动传感器，采集三个方向上的振动数据；
信号处理单元，用于对锂电池的输出电能进行降压管理，对采集的三个方向的振动数据进行处理得到振动特征值发送给无线网络单元；
无线网络单元，用于转发数据给上位机。
6.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，其特征在于，所述振动传感器为：压电加速度传感器采集主轴(Z轴)振动数据，两个双轴MEMS加速度传感器采集前端分轴(X、Y轴)振动数据。
7.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括：
AD模块，用于对采集的振动数据进行AD数模转换，输出模拟量数据；
ARM单片机模块，包括：a.对三个方向的模拟数据进行分类；b.对数据进行滤波去噪、提取振动特征值；c.将数据打包封装成无线网络单元协议格式输出；
PMU电源管理模块，连接锂电池获取电能，用于通过电压转换芯片向振动监测设备的其他器件提供不同等级电源；
存储模块，用于存储数据。
8.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测设备，其特征在于，所述振动特征值包括：振动速度有效值、位移峰值、加速度峰值。
9.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测设备，其特征在于，所述无线网络单元包括：
WIA-PA模块，用于提供2.4G网络进行组网以及常规数据的收发；
4G模块，用于提供4G网络，进行长波形、大数据连续实时传输。
10.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA与4G双无线技术的振动监测设备，其特征在于，所述常规数据：需要连续在两个时隙内发送两包报文，报文内容包括3组X、Y、Z三个方向的9个振动特征值数据；
长波形大数据：连续采集大于等于2M长波形大数据，包括采集点位置当前时段振动速度、位移和加速度的多组连续数据波形。
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