任鍇勝，王增才，王保平

(山東大學(xué)機械工程學(xué)院，山東濟南250061)

滾動軸承作為旋轉(zhuǎn)機械中最基本的零件，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)能否正常工作。由于滾動軸承早期故障特征并不明顯，人為判斷滾動軸承好壞具有很高的誤判率［1－2］。過早更換滾動軸承勢必會增加生產(chǎn)成本，造成不必要的浪費;過晚更換滾動軸承可能會影響生產(chǎn)進度，造成經(jīng)濟損失，甚至可能損壞其他設(shè)備，引發(fā)安全事故。因此研究適合于滾動軸承的在線故障診斷系統(tǒng)具有重要的經(jīng)濟和社會價值。

滾動軸承在線故障診斷系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)處理量大，因此對硬件設(shè)備提出了較高的要求，傳統(tǒng)的以單片機為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，無論是IO口數(shù)量還是數(shù)據(jù)處理能力均不能滿足生產(chǎn)實際的需求，而數(shù)字信號處理(digitalsignal process，DSP)以其強大的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力備受人們的青睞，逐漸走進智能測控系統(tǒng)的舞臺，成為智能測控系統(tǒng)的重要組成部分。組態(tài)軟件則以其良好的人機界面和數(shù)據(jù)存儲能力，成為智能測控系統(tǒng)的另一重要組成部分。筆者設(shè)計的滾動軸承在線故障診斷系統(tǒng)采用DSP和組態(tài)軟件構(gòu)成系統(tǒng)的核心。DSP作為下位機對采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行處理、分析，組態(tài)軟件作為人機交互界面對故障軸承進行報警顯示，同時對下位機DSP進行相應(yīng)的控制。

1 滾動軸承在線故障診斷系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于DSP的滾動軸承在線故障診斷系統(tǒng)由信號采集部分、信號預(yù)處理部分、DSP信號處理部分、通信部分和人機交互界面5個部分組成［3－5］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，8個壓電加速度傳感器分別采集8個滾動軸承振動加速度信號，信號預(yù)處理部分對采集的振動加速度信號進行放大、濾波，使之處于DSP工作范圍內(nèi)。DSP處理板對預(yù)處理后的振動加速度信號進行A/D采樣，同時對采集的信號進行分析、處理，并將分析、處理好的數(shù)據(jù)通過RS485通信部分傳給上位機。上位機(工控機)接收DSP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在組態(tài)界面上顯示滾動軸承的運行狀況，同時對故障軸承進行及時報警，并對報警記錄進行存儲。

圖1 滾動軸承在線故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要硬件設(shè)計及其選用

系統(tǒng)的主要硬件由壓電加速度傳感器、信號預(yù)處理板、DSP處理板、RS485/RS232通信模塊和上位機 (研華工控機)組成［6］。

1.2.1 DSP 處理板

由于系統(tǒng)是在線故障診斷系統(tǒng)，要求系統(tǒng)響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)處理能力強，系統(tǒng)功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能進行長期監(jiān)測，同時應(yīng)當(dāng)具備與上位機通信的串行通信接口，因此該系統(tǒng)選用北京合眾達(dá)公司的SEEDDSP2812信號處理板作為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和分析部分。DSP2812是32位定點DSP芯片，內(nèi)含128 k×16位片內(nèi)Flash存儲器，具備12位的AD采樣，能同時采集16路數(shù)據(jù)，同時具備兩個標(biāo)準(zhǔn)的UART串行通信接口，能很好地滿足多通道數(shù)據(jù)采集與實時數(shù)據(jù)處理分析的要求。

1.2.2 RS485/RS232通信模塊

由于受現(xiàn)場工作條件的限制，目前的智能測控系統(tǒng)通常采用遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制方法，因此系統(tǒng)對通信方式提出了一定的要求。由于傳統(tǒng)的RS232通信方式受通信距離的限制，一般只適合20 m以內(nèi)的短距離通信，因此很難滿足智能測控系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)采用傳輸距離遠(yuǎn)的RS485通信方式。RS485通信方式具有通信距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強的優(yōu)點，信號最遠(yuǎn)能傳輸1 200 m左右。由于上位機只有RS232通信接口，因此必須對信號進行轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)采用ADAM公司的RS485/RS232通信模塊實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。

1.2.3 其他硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要用于對礦用天輪滾動軸承故障進行在線診斷，礦用天輪滾動軸承采用23 176 K型調(diào)心滾子軸承，轉(zhuǎn)速約為30 r/min，屬于低速重載滾動軸承，其轉(zhuǎn)頻為0.5 Hz，因此傳感器主要選擇用于低頻長期監(jiān)測的壓電加速度傳感器。壓電加速度傳感器各項性能指標(biāo)如表1所示。

表1 壓電加速度傳感器性能指標(biāo)

信號預(yù)處理部分采用高增益、高精度、高性能的儀用放大器NA129芯片，符合國家標(biāo)準(zhǔn)對測量放大器的頻響、噪聲等特性的要求。

2 軟件設(shè)計

采用模塊化的設(shè)計思想進行軟件部分設(shè)計。軟件部分由數(shù)據(jù)采集及處理模塊、SCI串口通信模塊和人機交互界面模塊組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集通過DSP2812自帶的12位ADC對8路傳感器進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計是系統(tǒng)的核心部分。通過對采集的8路傳感器數(shù)據(jù)依次進行初始濾波、零均值處理和時域分析，分別計算出各路傳感器采集數(shù)據(jù)的時域特征參數(shù)。

2.2 SCI串口通信模塊設(shè)計

由于組態(tài)軟件需要與DSP進行通信，而組態(tài)王軟件所支持的硬件設(shè)備包括PLC、智能儀表、智能模塊和板卡與變頻器，其中并沒有DSP［7］，組態(tài)王支持與單片機進行串行通信，而DSP2812也支持串行通信方式，并且DSP2812具有兩個標(biāo)準(zhǔn)UART串行通信接口，因此可以采用智能模塊中的通用單片機ASCII通信協(xié)議實現(xiàn)組態(tài)王與DSP2812的通信。組態(tài)王與DSP通信協(xié)議在組態(tài)王軟件中已經(jīng)對組態(tài)王部分的通信協(xié)議進行封裝，因此只需編制下位機DSP部分的通信協(xié)議便可實現(xiàn)組態(tài)王與DSP2812的串行通信。

2.2.1 組態(tài)王與DSP通信格式

組態(tài)王讀取DSP2812的數(shù)據(jù)格式如表2所示［8］。組態(tài)王向DSP2812寫數(shù)據(jù)格式如表3所示。

表2 組態(tài)王讀取DSP2812的數(shù)據(jù)格式

表3 組態(tài)王向DSP2812寫數(shù)據(jù)格式

在表2和表3中，字頭為組態(tài)王與單片機通信協(xié)議中定義的起始字符，用0x40表示;設(shè)備地址是在組態(tài)王軟件中設(shè)置的與其通信的設(shè)備代號，該系統(tǒng)中設(shè)備地址為0x00;標(biāo)志位用來區(qū)分組態(tài)王讀或?qū)憯?shù)據(jù)，以及讀寫數(shù)據(jù)類型等;數(shù)據(jù)地址為組態(tài)王準(zhǔn)備讀取或者寫入的數(shù)據(jù)地址;數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為組態(tài)王準(zhǔn)備讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)長度;數(shù)據(jù)值為組態(tài)王準(zhǔn)備讀取或存入的數(shù)據(jù)值;異或值為一幀數(shù)據(jù)的異或值，用來校驗所發(fā)送數(shù)據(jù)正確與否;結(jié)束符為組態(tài)王與單片機通信協(xié)議中定義的結(jié)束字符，用CR表示;正確標(biāo)識符為DSP應(yīng)答組態(tài)王已經(jīng)接收到的寫入數(shù)據(jù)命令，且數(shù)據(jù)格式正確，用0x23表示;錯誤標(biāo)識符為DSP應(yīng)答組態(tài)王讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)格式不正確，用0x2a表示。

2.2.2 組態(tài)王與DSP通信流程

組態(tài)王與DSP通信流程如圖2所示。首先DSP判斷是否接受到一幀完整的數(shù)據(jù)，當(dāng)DSP接收到一幀完整數(shù)據(jù)后，再判斷是組態(tài)王讀數(shù)據(jù)請求還是寫數(shù)據(jù)請求，然后DSP進行相應(yīng)的應(yīng)答處理。

圖2 組態(tài)王與DSP通信流程圖

2.3 人機交互界面模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用北京亞控公司的組態(tài)王6.5軟件作為人機交互界面。人機交互界面包括滾動軸承參數(shù)的設(shè)置、故障報警閾值的設(shè)置、報警結(jié)果的顯示、報警記錄的存儲和滾動軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)等信息的顯示。

3 DSP算法設(shè)計

設(shè)計的算法主要通過DSP對采集的8路傳感器數(shù)據(jù)進行時域分析，通過時域特征參數(shù)來判別軸承故障。常用的時域特征參數(shù)包括有效值、峰值因子、脈沖因子、峭度、波形因子和峰值等。筆者采用峭度和峰值因子作為滾動軸承故障診斷的依據(jù)［9］，其計算公式為:

式中:，xi為傳感器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，i=1，2，…，N;N為采樣點數(shù);x為采樣數(shù)據(jù)的均值。

式(1)為峭度計算公式，式(2)為峰值因子計算公式。峭度和峰值因子均不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷大小的影響，能準(zhǔn)確地判斷出軸承的早期故障。研究表明正常軸承峰值因子一般為5左右，峭度為3左右，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時峰值因子和峭度會明顯增大［10］。

因此以峰值因子和峭度作為判斷軸承早期故障的依據(jù)是合適的。

4 應(yīng)用實例

系統(tǒng)成功地實現(xiàn)對兗礦集團濟寧2號井煤礦的礦用天輪滾動軸承進行故障診斷。通過該系統(tǒng)對礦用天輪滾動軸承進行實時監(jiān)控，當(dāng)滾動軸承出現(xiàn)故障時，通過組態(tài)軟件對故障軸承進行實時報警，同時將報警記錄進行存儲，以便日后查看報警記錄。礦用天輪滾動軸承故障診斷系統(tǒng)報警界面如圖3所示，該系統(tǒng)對礦用天輪的8個滾動軸承進行實時監(jiān)測，當(dāng)某一軸承出現(xiàn)故障時，通過DSP對采集的滾動軸承現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時分析，并將分析的結(jié)果采用RS485通信方式傳給組態(tài)軟件，由組態(tài)軟件對故障軸承進行報警。圖3所示為檢測到軸承2和軸承8出現(xiàn)故障，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時，報警界面的報警指示燈閃爍，同時出現(xiàn)軸承故障的提示信息。圖4為經(jīng)過DSP處理的8個滾動軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)界面，通過RS485將這8個滾動軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給組態(tài)軟件，通過查看這些軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)可以及時了解軸承目前運轉(zhuǎn)狀況。

圖3 礦用天輪滾動軸承故障診斷系統(tǒng)報警界面

圖4 礦用天輪滾動軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)界面

5 結(jié)論

基于DSP的滾動軸承在線故障診斷系統(tǒng)利用DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力和組態(tài)軟件良好的人機交互界面，較好地實現(xiàn)了對滾動軸承的在線監(jiān)測。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于兗礦集團濟寧2號井煤礦，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］尹建君.基于DSP的滾動軸承實時故障診斷系統(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機信息，2008，24(6):182－184.

［2］張國遠(yuǎn)，朱善安.滾動軸承的自動檢測及故障診斷系統(tǒng)［J］.軸承，2005(1):33－35.

［3］張志剛，王化祥.基于DSP的機車軸承故障實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005(9):13－15.

［4］王麗麗，王超.滾動軸承早期故障在線監(jiān)測與診斷［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，1998，32(6):74－77.

［5］楊寶清，帥園園，李晶.基于DSP的車輛滾動軸承小故障檢驗診斷系統(tǒng)研究［J］.機電工程技術(shù)，2008，32(12):50－53.

［6］孫歆，朱善安.滾動軸承自動監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)DSP端硬件設(shè)計［J］.電子器件，2007，30(1):136－143.

［7］齊源，全書海.應(yīng)用組態(tài)王實現(xiàn)燃料電池發(fā)動機車載系統(tǒng)的監(jiān)控［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2004，26(3):179－181.

［8］北京亞控科技發(fā)展有限公司.組態(tài)王King View Version 6.5使用手冊［R］.北京:北京亞控科技發(fā)展有限公司，2003.

［9］唐秋杭，符麗娜，朱善安.基于DSP和ARM的滾動軸承自動監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)［J］.機電工程，2006，23(2):1－4.

［10］唐秋杭.嵌入式軸承故障診斷算法的研究［D］.杭州:浙江大學(xué)圖書館，2006.