吳桂清，朱院娟，郭斯羽，朱志杰

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙 410000）

0 引言

隨著大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的使用越來越普遍，人們對其可靠性、實(shí)時性、維護(hù)性的要求也越來越高;所以，需要開發(fā)出一種帶有專家系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動在線檢測系統(tǒng)來監(jiān)測它們的振動情況，以此來判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況、損壞部位和損壞原因［1］。

因LabVIEW包含聲音振動工具包、數(shù)據(jù)處理工具包和數(shù)據(jù)庫工具包，為振動系統(tǒng)的快速開發(fā)提供了很好的條件。本文基于LabVIEW設(shè)計了一種高效率、高精度、界面友好的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)［2］。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。PC工作站和ARM之間是通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 System structure

1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件主要有控制模塊和采集模塊，設(shè)備主控芯片采用AT9lRM9200。設(shè)備和PC工作站啟動后，通過TCP/IP協(xié)議建立主芯片和工作站通信，主控獲取PC機(jī)下發(fā)的各命令，通過SPI串口初始化并啟動數(shù)據(jù)采集模塊。采集模塊由1個FPGA和4個A/D轉(zhuǎn)換芯片組成，F(xiàn)PGA根據(jù)ARM發(fā)來的采樣頻率和采樣精度控制4個A/D芯片，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行2次積分獲取最終振動數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)給PC工作站。

1．2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

PC工作站為C/S模式，首先通過TCP/IP協(xié)議從振動采集箱獲取實(shí)時振動數(shù)據(jù)。然后，將振動數(shù)據(jù)放入隊(duì)列，再利用Oracle數(shù)據(jù)庫觸發(fā)功能和網(wǎng)絡(luò)共享功能，從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)并實(shí)時地保存在本地數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器;同時采用傅里葉變換、倒頻譜、細(xì)化譜等算法對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將計算結(jié)果繪圖，供現(xiàn)場觀測人員分析使用。最后，通過B/S模式，利用LabVIEW中的web工具使公司各級在自己的權(quán)限范圍內(nèi)瀏覽局域網(wǎng)各機(jī)組信息。

2 振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2．1 數(shù)據(jù)采集

采集設(shè)備啟動后，下位機(jī)設(shè)備（服務(wù)器）TCP/IP處于偵聽狀態(tài);等待PC工作站（客戶機(jī)）與其建立連接。當(dāng)采集振動數(shù)據(jù)時，首先，調(diào)用LabVIEW中建立TCP連接函數(shù)和下位機(jī)建立連接。然后發(fā)送帶有一定的幀格式的控制命令;當(dāng)下位機(jī)收到該幀，先對該幀進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確，會根據(jù)接收到的設(shè)置參數(shù)對采樣通道號、采樣點(diǎn)數(shù)以及A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、采樣頻率進(jìn)行設(shè)置，并返回設(shè)置成功應(yīng)答;否則，返回錯誤應(yīng)答。

當(dāng)以上參數(shù)設(shè)置完畢，PC工作站發(fā)送開始采集命令，啟動A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器啟動之后，根據(jù)設(shè)置的采樣參數(shù)對每個通道輪流采集數(shù)據(jù)。首先按照通道的采樣點(diǎn)數(shù)采樣第一個通道，當(dāng)?shù)谝粋€通道采集完畢，下位機(jī)將按一定的幀格式上傳采集到的數(shù)據(jù)，每幀上傳1024個數(shù)據(jù)，PC機(jī)收到該幀之后會進(jìn)行校驗(yàn)，如果正確，發(fā)送下一幀準(zhǔn)備接收請求，下位機(jī)收到該請求，發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的通道都已經(jīng)采集完畢，下位機(jī)會發(fā)送數(shù)據(jù)采集完畢命令;當(dāng)PC機(jī)收到該命令，PC工作站需要根據(jù)，通道號和每個通道的采樣點(diǎn)數(shù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離和波形顯示。

最后，PC機(jī)斷開TCP連接。在通信過程中，如果一段時間內(nèi)，下位機(jī)沒有收到主站傳來的數(shù)據(jù)，那么，下位機(jī)自動斷開和主站的TCP/IP連接。

如果在數(shù)據(jù)采集當(dāng)中想要停止A/D轉(zhuǎn)換，PC工作站需要發(fā)送停止A/D轉(zhuǎn)換請求命令。

2．2 數(shù)據(jù)存儲

Oracle具有強(qiáng)大的安全性控制和完整性控制，支持分布式數(shù)據(jù)庫和分布處理，通過oracle的網(wǎng)絡(luò)功能把局域網(wǎng)的各分布數(shù)據(jù)庫集中寫入到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫里。因?yàn)槎嗖杉?、多通道、多測點(diǎn)，造成需要存儲的數(shù)據(jù)量大，而如何高效地存儲和管理這些數(shù)據(jù)，就成為數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵［3］。系統(tǒng)采用oracle數(shù)據(jù)庫。

2．2．1 數(shù)據(jù)庫驅(qū)動選擇

LabVIEW訪問oracle時，一般有4種驅(qū)動方法，分別為Microsoft ODBC driver for Oracle，Microsoft OLE DB provider for Oracle，Oracle ODBC driver for Oracle，Oracle OLE DB provider for Oracle。ODBC是基于傳統(tǒng)的API編程的數(shù)據(jù)庫訪問接口標(biāo)準(zhǔn)，它連接數(shù)據(jù)庫的速度慢;OLEDB與ODBC相比，OLEDB是一種更先進(jìn)、更靈活的方法;Microsoft提供的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動會對大對象數(shù)據(jù)（LOBS）的存儲容量進(jìn)行限制。因?yàn)槊總€通道采集的數(shù)據(jù)量很大，所以，應(yīng)該選用Oracle公司提供的Oracle OLE DB provider for Oracle驅(qū)動。數(shù)據(jù)庫采用分布式存儲，各PC工作站數(shù)據(jù)獨(dú)立，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集中管理，提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率，還易于擴(kuò)展。

2．2．2 數(shù)據(jù)庫表設(shè)計

為區(qū)分各測點(diǎn)信息，在數(shù)據(jù)庫中有集團(tuán)表、分廠表、機(jī)組表、設(shè)備表、測點(diǎn)表;集團(tuán)表中集團(tuán)ID唯一，分廠表中分廠ID唯一，其他表中對應(yīng)ID也唯一;這些表采用樹形結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來，除頂層集團(tuán)表外其他層中的表都有一個字段來標(biāo)識本層的上層ID，因此，可根據(jù)集團(tuán)名、分廠名、機(jī)組名、設(shè)備名、測點(diǎn)名即可找到測點(diǎn)ID。

存儲振動數(shù)據(jù)的表有實(shí)時數(shù)據(jù)表、短周期數(shù)據(jù)表和長周期數(shù)據(jù)表;實(shí)時數(shù)據(jù)表只有一張，而短周期和長周期數(shù)據(jù)表每個測點(diǎn)對應(yīng)一張。在實(shí)時數(shù)據(jù)表中，每個測點(diǎn)ID對應(yīng)唯一一條記錄，其存儲了最新振動數(shù)據(jù)。通過測點(diǎn)ID可以知道某通道數(shù)據(jù)該存儲在哪里和如何讀取所需的數(shù)據(jù)。每當(dāng)在實(shí)時數(shù)據(jù)表中更新一條記錄，通過Oracle數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器功能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的短、長周期數(shù)據(jù)表插入或更新一條記錄。通過Oracle的序列使短、長周期表都有一個唯一的主鍵;長、短周期表采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)記錄數(shù)超過其最大記錄數(shù)時覆蓋其前面的記錄。在對本地數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時，通過Oracle網(wǎng)絡(luò)共享和觸發(fā)器來觸發(fā)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的實(shí)時數(shù)據(jù)表、短周期數(shù)據(jù)表、長周期數(shù)據(jù)表;通過不斷更新實(shí)時數(shù)據(jù)表，服務(wù)器又不斷地從數(shù)據(jù)庫中讀出并顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時查看數(shù)據(jù)。利用LabVIEW Database Connectivity Toolkit工具結(jié)合SQL語句，根據(jù)集團(tuán)名、分廠名、機(jī)組名、設(shè)備名、設(shè)備名、測點(diǎn)名查找測點(diǎn)ID和對應(yīng)轉(zhuǎn)速ID;注意每當(dāng)獲取記錄對象后，應(yīng)該利用DB Tools Free Object釋放對象，以免過多地打開連接池導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫游標(biāo)數(shù)不夠。

2．2．3 歷史數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

歷史數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以提供機(jī)組振動歷史數(shù)據(jù)，為預(yù)測和機(jī)械維護(hù)提供幫助，重現(xiàn)機(jī)組振動情況。通過每個測點(diǎn)的長周期數(shù)據(jù)表，即可查看歷史數(shù)據(jù)。

2．3 數(shù)據(jù)處理過程

2．3．1 預(yù)處理

2．3．2 去噪處理

采集的振動信號含有一定的噪聲，會對后期的數(shù)據(jù)分析造成一定的影響，需對其進(jìn)行去噪。由于有用信號集中在低頻部分，而噪聲主要分布在高頻部分，因此，可用一個低通濾波器進(jìn)行濾波;但該方法的缺點(diǎn)是，它不能將有用信號的高頻部分和噪聲引起的高頻干擾加以有效的區(qū)分。而小波變換能在時域和頻域?qū)π盘栠M(jìn)行分析，通過多尺度分解使它具有自動變焦的性質(zhì)，可以去除噪聲而保留信號的尖峰和突變成分［4］。所以，本文采用小波進(jìn)行去噪，使用LabVIEW高級信號處理工具包里的小波去噪（wavelet denoise）函數(shù)進(jìn)行去噪。

2．4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械動態(tài)信息提取

旋轉(zhuǎn)機(jī)械動態(tài)信息主要包括主頻、相位、轉(zhuǎn)速、幅值，它們反映機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，對故障分析有著極其重要的作用。

2．4．1 主頻的提取

主頻是指旋轉(zhuǎn)機(jī)械1 s內(nèi)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。通常在轉(zhuǎn)軸上安裝非接觸式渦流傳感器，并在轉(zhuǎn)軸上做一標(biāo)記，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一圈渦流傳感器就會檢測到該標(biāo)記并產(chǎn)生一個脈沖信號，可以根據(jù)此脈沖信號來測量主頻。

在傳統(tǒng)的方法中主頻的提取主要是測量一段時間（t）內(nèi)脈沖的個數(shù)（n），則主頻=n/t;但該方法常會因?yàn)橹芷诘牟煌暾绊憸y量結(jié)果。本文提出了間隔測量方法，首先找到脈沖信號的每個峰值點(diǎn)，然后再計算每相鄰峰值點(diǎn)的時間間隔，最后取平均值就可以求出信號周期。此方法的關(guān)鍵是精確提取脈沖峰值，可以LabVIEW中wavelet analysis/online wavelet analysis/WA Online Multiscale Peak函數(shù)可完成。

2．4．2 相位和幅值的獲取

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的相位即基頻信號相對于振動信號高點(diǎn)的角度差，其準(zhǔn)確與否直接影響到轉(zhuǎn)子動平衡的精度。相位的獲取可以通過數(shù)字濾波和相關(guān)濾波2種方法來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波法雖然使用簡單，但信號通過數(shù)字濾波器時，部分信號會引起失真;而且信號經(jīng)過數(shù)字濾波器后會有一個時間延遲，和原始信號存在一個相位差，這樣對測量結(jié)果勢必會造成誤差［5］。此處采用相關(guān)法提取基頻信號后獲取相位。

由式（1）、式（2）可得幅值A(chǔ)

2．4．3 倍頻幅值及其相位求取

設(shè)二倍頻的標(biāo)準(zhǔn)正弦波和余弦波分別為z'（t）=sin 2ωt，γ'（t）=cos 2ωt可得

根據(jù)式（4）、式（5）可推導(dǎo)出

根據(jù)式（6），可提取出頻率為2ω的振動信號，實(shí)現(xiàn)了從一個包含多種頻率成分的信號中提取出所需要頻率信號的功能，并有較好的效果。相關(guān)法還可以用于提取其他頻率的信號，只需修改標(biāo)準(zhǔn)正余弦波頻率即可。

2．5 狀態(tài)監(jiān)測程序設(shè)計

狀態(tài)檢測圖譜能直觀地反映設(shè)備的運(yùn)行狀況，其主要包括系統(tǒng)輔助操作圖譜、系統(tǒng)常規(guī)圖譜、系統(tǒng)啟停機(jī)圖譜、系統(tǒng)列表日記及系統(tǒng)診斷助手等。

3 測試結(jié)果與分析

3．1 現(xiàn)場PC機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)程序

為測試實(shí)驗(yàn)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)振動臺的振動信號頻率為20 Hz，幅值為3．5 m/s2并啟動采集模塊采集標(biāo)準(zhǔn)振動臺的振動信號。以上動作完成后啟動PC機(jī)振動監(jiān)測程序，首先設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、采樣通道以及校正參數(shù)后點(diǎn)擊采集設(shè)置完畢按鈕;然后選擇顯示通道并點(diǎn)擊開始采集按鈕，此時時域圖和頻率圖顯示了所選通道的振動情況。

3．2 相關(guān)法提取倍頻信號

為驗(yàn)證相關(guān)法提取基頻信號的效果，可設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)正弦信號疊加其倍頻信號和噪聲作為輸入信號，其中主頻為23Hz，其幅值為 3m/s2，相位為 0，0．5 倍頻的幅值為 1 m/s2，其相位為90，如圖2（a）所示。圖2（b）為相關(guān)法提取0．5倍頻的結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)相關(guān)法能較好地提取倍頻信號。

圖2 相關(guān)法測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 2 Test result of correlation method

3．3 狀態(tài)監(jiān)測圖譜

為驗(yàn)證狀態(tài)監(jiān)測程序界面設(shè)計的友好性，以瀑布圖為例。首先，采集頻率為20 Hz，幅值為6．5 m/s2的振動信號，然后截取該信號的一段，作為瀑布圖的輸入信號，并調(diào)用LabVIEW中的瀑布圖子VI對輸入信號進(jìn)行處理。瀑布圖的輸出結(jié)果如圖3所示。該圖顯示了信號的頻率—幅值隨時間的變化效果。通過該圖發(fā)現(xiàn)，LabVIEW可以直觀、友好地反映出振動情況。

圖3 狀態(tài)監(jiān)測程序的瀑布圖Fig 3 Waterfall figure of condition monitoring program

4 結(jié)論

本文基于LabVIEW設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計了友好的狀態(tài)監(jiān)測程序界面;論述了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和PC工作站與ARM之間的TCP通信;重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案，并給出該設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)方法;利用間隔測量法測量主頻;利用相關(guān)法求出相位和幅值，并巧妙地獲取了多倍頻幅值頻率相位。測試結(jié)果表明:以上的測試算法有較高的精度，能夠較好地反映振動情況，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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