基于无线传感器网络的核电站故障诊断与状态监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的核电站故障诊断与状态监测系统，涉及核电站自动控制技术领域。

背景技术：

在核电站中，主要设备包括压力容器，蒸汽发生器，主氦风机，热气导管，堆内构件，汽轮机，控制仪表及电源等，完成从核能到热能，到机械能，最后到电能的转换。整个过程涉及的系统很多，不同系统之间相互关联，很多设备在高温、高压、高速旋转下工作，所以对核电站进行故障诊断与状态监测十分必要。而传统的分布式控制系统(以下简称DCS)是将布置在很多被监测对象上的传感器有线连接，带来的不仅是仪控系统更高的造价以及核电站内所有厂房更加复杂的总体布置，还有大量的桥架设计及电缆敷设工作并要防止在监测过程中数据传输线受到破坏。因此，目前的DCS系统只是根据保证核电站正常运行和核安全的原则对不到半数的设备进行监控，而其中只有少数重要设备例如主泵，进行了全方位监控，并未重点考虑绝大多数设备的自身安全和精细化运行维护的需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种基于无线传感器网络的核电站故障诊断与状态监测系统，以克服现有的DCS系统高造价、复杂总体布局、大量的电缆桥架设计和敷设工作的缺点，以便实时监控更多的设备和更多的实时运行参数，尤其是那些不在DCS监控范围内，或DCS仅监控少数参数的设备，可以在第一时间发现这些设备的运行异常情况，防止设备损坏，确保核电站的安全运行，提高故障诊断效率，节约运行成本。

本发明提出的一种基于无线传感器网络的核电站故障诊断与状态监测系统，包括：布设在核电站的每个被监测区域的若干个无线传感器网络节点、1个汇聚节点，以及位于主控制室的1个上位机监控单元；所述每个无线传感器网络节点由集成在1个单片机上的传感器模块、无线微处理器模块、无线通信模块和能量供应模块构成，所述每个汇聚节点由集成在1个单片机上的串口模块、无线微处理器模块、无线通信模块和能量供应模块构成；其中，每个被监测区域的各无线传感器网络节点之间以及无线传感器网络节点和汇聚节点之间均通过其内的无线通信模块进行数据的双向无线传输，各被监测区域的汇聚节点均通过其内的串口模块与上位机监控单元进行数据的双向有线传输。

所述上位机监控单元包括内嵌有操作员界面模块的图形显示器，内嵌有数据库模块、串口通信模块和故障诊断模块的工控机，以及由光报警装置和蜂鸣器组成的报警模块；其中，操作员界面模块通过串口通信模块与数据库模块相连，故障诊断模块分别与数据库模块、图形显示器及报警模块相连。

本实用新型提出的基于无线传感器网络的核电站故障诊断与状态监测系统，其优点是不仅能节省核电站仪控系统、电缆和桥架的设计和材料成本，以及大量电缆敷设的人工成本，有效缩短工期，而且能防止在监测过程中数据传输线被人为破坏和更全面地监测传统DCS系统不能监测的地方，及早发现故障，提高故障诊断的效率，降低误判率和漏判率，保证核电站的运行安全。

附图说明

图1是本实用新型提出的基于无线传感器网络的核电站故障诊断与状态监测系统的结构框图。

图2是本实用新型故障诊断与状态监测系统中上位机监控单元的结构框图。

具体实施方式

本实用新型提出的基于无线传感器网络的核电站故障诊断与状态监测系统，其结构框图如图1所示，包括：布设在核电站的每个被监测区域的若干个无线传感器网络节点、1个汇聚节点，以及位于核电站主控制室的1个上位机监控单元(所述被监测区域可包括核电站的电气厂房、核反应堆厂房、核辅助厂房、乏燃料厂房及常规岛各辅助建筑物子项等区域)；所述每个无线传感器网络节点由集成在1个单片机上的传感器模块、无线微处理器模块、无线通信模块和能量供应模块构成，所述每个汇聚节点由集成在1个单片机上的串口模块、无线微处理器模块、无线通信模块和能量供应模块构成；其中，每个被监测区域的各无线传感器网络节点之间以及无线传感器网络节点和汇聚节点之间均通过其内的无线通信模块进行数据的双向无线传输，各被监测区域的汇聚节点均通过其内的串口模块与上位机监控单元进行数据的双向有线传输。

本实用新型各个器件的具体实现方式及功能分别说明如下：

所述无线传感器网络节点或汇聚节点的无线微处理器模块，用于处理所在节点内其它模块的控制和各项任务的调配，存储和转换本身采集的数据以及其他节点发来的数据；可选用处理能力强、低功耗的常规微处理器实现，如果微处理器内部拥有定时器、程序存储器、AD转换器、时钟等很多外设资源，就可以减少外部元件，使得微处理器外围电路简单化；本实施例的无线微处理器模块采用ATmega128L处理器，ATmega128L是基于RISC结构的8位低功耗CMOS,AVR系列处理器，工作速度可达8MIPS，工作电压是2.7V到5.5V，具有128kB的系统内可编程Flash编程器、4kB的EEPROM、4kB的SRAM、53个通用I/O端口、工作时钟源、4个定时器/计数器、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、1个同步串行端口；工作时钟源采用两个外部晶振，分别为7.3728MHz和32.768kHz，前者为工作时钟，后者为实时时钟源；相对于其他通用的8位微控制器来说，ATmega128L具有更加丰富的资源以及极低的能耗，凭借其先进的指令集和单周期指令执行时间，ATmega128L的数据吞吐量可以达到8MIPS/MHz，大大减缓了系统处理速度和功耗间的矛盾。

所述无线传感器网络节点的传感器模块，包括测量温度、压力、流量、湿度的各个状态参数传感器，采集振动频率、加速度、声音、视频，无线射频识别的各个原始物理量信息传感器，不仅用于监测目标对象的温度、压力、流量、湿度等状态参数，还可以通过监测振动频率、加速度、声音、视频，无线射频识别(RFID)等进行原始物理量信息的采集；本实施例的各个状态参数传感器可选择常规的传感器产品实现，振动加速度计选择美国Analog Devices公司研制的三轴加速度计—ADXL330；自带电路进行信号调理，可以输出模拟电压，还可直接连在采集电路上；能耗特别低，当输入电压2V时，典型电流值会低于200mA；工作区域为±3G；所选芯片级封装为4×4×1.45mm的16引脚架构封装；各个传感器的芯片焊有8个插针，各个传感器芯片和对应无线传感器网络节点内的单片机通过插针和底座连接，温度传感器选择热电阻CulOO，电阻温度系数比较大，并且近乎与温度成线性关系，通电流不变时，温度不同，对应产生不同电压，通过放大电路后和无线微处理器模块的I/O端口相连。

所述无线传感器网络节点或汇聚节点的能量供应模块，用于为所在的无线传感器网络节点或汇聚节点提供运行所需的能量，可采用微型电池，电源电压通常选为3.3V，保证能量供应模块工作在正常工作电压范围内，进而保证本系统能正常工作、准确地采集数据信息；此外，由于电池携带的能量有限而导致无法长时间运行工作,并且节点经常被布设在恶劣、复杂以及人员不能到达的环境中,且数量较多,因此更换电池的成本非常高，因此该能量模块还可采用超级电容和锂电池组成的多级能量存储结构，能够自主从环境中采集能量，并为本系统提供能量；本实施例的能量供应模块所在单片机外围电路由基于能量收集芯片LTC-3588的能量收集电路，和基于LM2621芯片的电池供应电路组成。

所述无线传感器网络节点或汇聚节点的无线通信模块，用于与其他无线传感器网络节点或汇聚节点进行无线通信，交换无线微处理器模块的控制信息和收发采集的物理量数据；本实施例基于Zigbee网络协议，选择Chipcon公司的射频收发器CC2420，它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。

所述汇聚节点的串口模块，是无线传感器网络中汇聚节点与上位机监控单元通信的模块；本实施例采用RS-232c标准实现串行通信，采用Maxim公司的Max3232接口芯片，可在3.0-5.5V电压下正常工作，符合Rs-232协议，在Rs-232输出标准下数据速率可以达到120Kbps，只需接4个0.1uF电容就可以工作，引脚与工业标准MAX232和MAX242芯片引脚兼容，符合ESD(静电释放)规范；串口模块通过主板与子板的形式与单片机I/O端口连接，该串口模块通过RS-232c标准串行总线与上位机监控单元内的串口通信模块连接。

所述上位机监控单元的结构框图如图2所示，包括：内嵌有操作员界面模块的图形显示器，内嵌有数据库模块、串口通信模块和故障诊断模块的工控机，以及由光报警装置和蜂鸣器组成的报警模块；其中，操作员界面模块通过串口通信模块与数据库模块相连，向数据库模块传输采集的数据，故障诊断模块分别与数据库模块、图形显示器及报警模块相连，对数据库模块中的所有数据进行分析，并通过图形显示器显示故障类型、通过报警模块发出声光报警信号。所述上位机监控单元，是操作员与被监测系统进行信息交流的平台；图形显示器可以提供可视化界面，操作员通过该图形显示器了解被监测系统和设备的实时状态，通过工控机内置的故障诊断模块及时发现故障并诊断出故障类别；上位机监控单元与汇聚节点串口通信，初始化节点设备名称和节点网络，实时查询显示设备状态参数，对检测出的故障及诊断出的类别给予报警，修复网络节点失效等状况造成的网络链路故障。

所述操作员界面模块，主要包括串口设置界面、节点设置界面、数据采集界面，其中，串口设置界面中串口、波特率、数据位、停止位、校验位等初始值一般设好后不允许修改；节点设置界面中操作员选择节点后可以对网络节点、汇聚节点编号等信息进行修改；数据采集界面中操作员可以选择开始接收和发送采集数据或退出；本实施例的操作员界面模块在C++Builder5.O环境下通过常规编程技术开发而成。

所述数据库模块，用于方便地实现正常和故障状态下各网络节点、汇聚节点信息和各设备状态参数数据的存储、添加、修改、删除、查询和浏览，相当于存储、组织和管理数据的电子仓库；本实施例的数据库模块采用Access2003数据库。

所述串口通信模块，主要负责上位机监控单元与汇聚节点之间的通信；本实施例采用CportLib控件库；CportLib控件库是一个串口的通信控件存储库，其使用大大简化了节点与上位机的通信过程；其控件还可以将串口通信中的底层操作屏蔽，只要设置好控件属性，调用控件适当方法和事件就能很简单地让网络节点与上位机监控单元交换数据。

所述故障诊断模块，通过得到的对象过程正常数据和故障数据，做标准化、白化处理后转换成对应格式的核矩阵，通过设置主成分贡献率选择核矩阵的特征值和特征向量，根据正常状态下的数据训练统计模型，通过设置置信区间得到统计量的控制限；再根据故障状态下的数据测试统计模型，若特征统计量的值超过控制限，则认为有故障发生；然后通过采集大量的训练样本量纲化、标准化处理后训练相关向量机模型，更新先验参数、权重向量矩阵、辅助变量等，此时若有故障发生，将此故障状态下的测试样本输入相关向量机模型，通过输出该样本属于各个故障类别的后验概率来判断此故障的类型；本实施例的故障诊断模块在C++环境下通过常规编程技术开发而成；本实施例中内嵌数据库模块、串口通信模块、故障诊断模块的工控机采用研华工控机IPC-610。

所述图形显示器，可以将某一状态下的网络节点和状态参数数据通过故障诊断模块处理后得到的不同统计量图形输出，然后直观地看到统计量是否超过统计量的控制限，进而判断是否发生故障；在发现有故障发生时，再通过输出的后验概率图形诊断故障的类型，从而实现了故障诊断与状态监测；本实施例的图形显示器采用一台42寸的可触摸的液晶显示屏。

所述报警模块，当在某一状态下测量样本数据的统计量超过控制限时，故障诊断模块则发出脉冲信号，报警模块收到后发出声光报警信号，报警模块通过信号线与故障诊断模块相连；本实施例的报警模块采用常规的光报警装置和蜂鸣器。

本实用新型的工作流程为：上位机监控单元在C++Builder中可以直接调用Access数据库，创建数据库后在C++Builder 5.0中通过微软提供的用于访问数据库的接口Active Data 0bject(ADO)对象实现对数据库的访问。操作员设置完串口、波特率、校验位、停止位、节点等信息后，通过串口通信模块与汇聚节点通信，然后将正常状态和故障状态下的变量数据存储在数据库模块，再通过故障诊断模块诊断故障发生与否及故障的类别，最终通过图形显示器和报警模块实现故障发生时的显示和报警。无线传感器网络采用网状拓扑结构，传感器模块采集设备状态参数，经处理后，由无线射频芯片按照特定的路由协议将数据以无线多跳的方式发送给网络节点，再到汇聚节点，完成数据的无线传输，最后汇聚节点以RS232的通信方式将数据传送给上位机，通过监测软件实现核电站的状态监测与故障诊断。

上位机监控单元中的故障诊断模块的工作流程如下：采集到正常运行状态下的数据后，做标准化、白化处理。计算核矩阵，然后计算核矩阵的特征值和特征向量，将特征值从大到小排列，通常设置主成分贡献率为95％来选择主成分。通过选择的主成分计算得分向量和统计量，设置F分布和正态分布的显著性水平后得到统计量的控制限。此时，采集到新状态下的状态参数，再做标准化处理，计算核矩阵，将核矩阵中心化，计算此时的得分向量和统计量，若统计量的值超过控制限，则认为有故障发生。此时初始化相关向量机模型，初始化先验参数、辅助变量，将此故障状态下的数据信息输入训练好的相关向量机模型进行测试，更新先验参数、权重参数、辅助变量，输出此状态属于各个故障类型的后验概率，进而诊断出故障类型。图形显示器为一台42寸的可触摸的液晶显示屏，配有光报警装置和蜂鸣器，当有故障发生时，红色灯闪烁，蜂鸣器报警，实时显示核电站被监测区域的状态。