曾新紅，林春熙，蘇一丹

（廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725）

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是LabVIEW的誕生有力地促進(jìn)了虛擬智能儀表的發(fā)展，實現(xiàn)了“軟件就是儀器”的設(shè)計模式。本文應(yīng)用LabVIEW高效的圖形化源代碼和MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)對電機(jī)的智能監(jiān)測與故障診斷，為保障電機(jī)設(shè)備的安全運行以及船舶安全航行打下基礎(chǔ)。

1 電機(jī)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的組成

電機(jī)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)由各種傳感器接口、控制接口、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、LabVIEW軟件平臺和MATLAB軟件、保存電機(jī)運行的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等組成。LabVIEW能對系統(tǒng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和分析，并能快速顯示分析結(jié)果［1］。系統(tǒng)運行時，將電機(jī)的電流、電壓、溫度、軸承振動等信號通過傳感器輸送至信號調(diào)理電路，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓信號，再傳送到數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)而將數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)送入計算機(jī)；最后經(jīng)過編制的軟件完成對信號的采集、分析、處理和顯示等功能，并實時顯示當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài)、查詢事件以及預(yù)測報警等。電機(jī)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1 所示。

1.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用LabVIEW軟件。系統(tǒng)通過DAQ卡不斷地采集數(shù)據(jù)并存儲在指定的緩沖區(qū)中，然后LabVIEW每隔一段時間將一批數(shù)據(jù)送入計算機(jī)進(jìn)行處理；同時，要實現(xiàn)LabVIEW與MATLAB進(jìn)行通信，必須解決接口問題，［2］可用 ActiveX、DDE等標(biāo)準(zhǔn)接口方式，或通過LabVIEW中的MATLAB Script實現(xiàn)將二者結(jié)合起來編程，發(fā)揮MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和LabVIEW高效的編程和網(wǎng)絡(luò)通信能力。電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖2 所示。上位機(jī)通過傳感器及數(shù)據(jù)采集卡自動監(jiān)測電機(jī)的速度、電壓、電流及溫度，并能即時顯示電機(jī)的上述參數(shù)、運行狀態(tài)和各種故障，并顯示故障性質(zhì)（電動機(jī)過載、短路、繞組斷路和軸承故障等）。

圖1 電機(jī)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理

本系統(tǒng)采用美國虛擬儀器公司生產(chǎn)的高速數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡實時采集速度、電流、電壓、溫度、振動信號等參數(shù)后，根據(jù)各信號的特性將數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、小波分析、數(shù)字濾波、Hiber變換和功率譜分析等。電機(jī)軸承振動信號屬于非平穩(wěn)信號，傳統(tǒng)的傅里葉變換難以處理此類信號，宜采用具有良好時域局部化特性的小波分析法處理。低頻時小波變換的時間分辨率較低，而頻率分辨率較高；高頻時小波變換的時間分辨率較高，而頻率分辨率較低，這正符合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點。而對于交流電機(jī)定子電流信號則宜用頻譜分析，由于船舶環(huán)境的特殊性，還需進(jìn)行消噪處理、濾波處理及頻譜細(xì)化分析［3］。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析為后面的故障診斷提供判斷依據(jù)［4］。

2 系統(tǒng)功能與故障處理分析

在圖2 的電機(jī)監(jiān)測控制界面中，系統(tǒng)監(jiān)測軟件完成對電機(jī)電壓、電流、軸承狀態(tài)的實時監(jiān)測和顯示，并給出狀態(tài)信息。具體包括電流、電壓平均值和幅值監(jiān)測；振動幅值監(jiān)測；振動峰值的顯示；還有各種監(jiān)測圖形的顯示（如電壓、電流時域波形，電流頻域波形，振動信號時域圖，頻域信號圖和頻譜分析圖等）。

圖2 電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)控制界面

過載警報時，系統(tǒng)把已處理的數(shù)據(jù)與預(yù)置參數(shù)進(jìn)行比較，若超限就報警提示并進(jìn)行故障處理，系統(tǒng)自動停止設(shè)備運行。

系統(tǒng)每隔一定的時間將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和故障分析，給出報警提示和診斷結(jié)果。程序運行時一旦出現(xiàn)異常，指示燈由灰綠色變?yōu)榧t色，實現(xiàn)報警提示并顯示異常的內(nèi)容。該系統(tǒng)能有效地診斷電機(jī)早期故障，工作人員發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象或根據(jù)現(xiàn)場的需要可使用現(xiàn)場急停開關(guān)就地停機(jī)。

振動分析是對滾動軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的常用方法，采用小波變換奇異性檢測技術(shù)，應(yīng)用LabVIEW平臺結(jié)合MATLAB軟件，可診斷軸承早期故障，本文以電機(jī)軸承為例進(jìn)行故障診斷。本軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，僅有徑向載荷作用；振動信號采集參數(shù)為：采樣頻率10kHz，采樣點數(shù)4 096；軸承參數(shù)為：軸承型號6308，滾道節(jié)徑E＝65mm，滾子直徑d＝15mm，滾子數(shù)z＝8，接觸角α＝0。采用人工方法模擬軸承運行損壞，在軸承內(nèi)圈滾道剝落面積約為2.5mm2。采用壓電晶體加速度傳感器，選擇與軸承內(nèi)圈配合的軸頸伸出端為測點采集實驗數(shù)據(jù)，測速傳感器顯示的轉(zhuǎn)速為498r／min。圖3 為內(nèi)圈剝落工況振動數(shù)據(jù)，信號已做了歸一化處理。根據(jù)文獻(xiàn)資料［5］，軸承故障特征頻率計算公式如下。

內(nèi)圈故障特征頻率為：

外圈故障特征頻率為：

滾動體故障特征頻率為：

其中：f為 軸頸旋轉(zhuǎn)頻率，f＝8.3Hz。經(jīng)計算可知內(nèi)圈故障特征頻率Fi＝40.86Hz。

從圖3 中可以看出，所采集的信號中含有大量噪聲。由于在故障早期，沖擊信號比較微小，常淹沒在較大的振動背景噪聲中，用傳統(tǒng)的傅里葉變換方法難以捕捉到故障特征信號，因此，需要對信號進(jìn)行降噪處理。本文采用小波變換軟閥值法進(jìn)行降噪，其特點是不同的尺度使用不同的閥值，且各閥值與所對應(yīng)信號的方差有關(guān)，具有自適應(yīng)的功能，適合白噪聲去噪，且計算量不大［6］。圖4 為經(jīng)過小波閥值降噪處理后的振動信號。圖5 為傅里葉變換得到的頻譜圖。

圖3 軸承內(nèi)圈剝落時振動信號

圖4 小波閥值降噪后的振動信號

正常情況下，軸承振動信號FFT頻譜圖中振幅只有在其固有振動頻率處振幅較大，該軸承系統(tǒng)的振動頻率為100Hz，此處振幅應(yīng)較大，其余部分振幅應(yīng)極為微小。但在圖5 的頻譜圖中，除了100Hz頻率處振幅較大外，還出現(xiàn)了其他較大的振幅，尤其在140Hz左右處，這是因為軸承內(nèi)圈出了故障，從前述計算可知，內(nèi)圈故障特征頻率為Fi＝40.86Hz，圖5 中140 Hz與100Hz的間隔為40Hz，這與軸承內(nèi)圈故障特征頻率40.86Hz接近，所以，可通過頻譜圖振幅的變化來診斷電機(jī)軸承是否出現(xiàn)故障。根據(jù)軸承故障特征頻率可準(zhǔn)確檢測和診斷出電機(jī)軸承內(nèi)圈出現(xiàn)故障，在監(jiān)測界面中，軸承故障指示燈由灰綠色變?yōu)榧t色。

圖5 傅里葉變換得到的頻譜圖

3 結(jié)束語

應(yīng)用MATLAB7.6.0和LabVIEW 作為開發(fā)工具，開發(fā)設(shè)計了電機(jī)故障診斷系統(tǒng)。故障監(jiān)測分析表明該方法在一定程度上有效地提高了船用電機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性。同時，該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、使用方便、快捷等特點，還可通過TCP通信技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

［1］李文斌，張建宇.LabVIEW和 MATLAB混合編程在齒輪箱故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2011（4）：71-73.

［2］孔令飛.基于LabVIEW的帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2010（11）：150-152.

［3］蘇寶定，王奉濤，王亮.基于LabVlEW與 MATLAB混合編程實現(xiàn)頻譜細(xì)化分析［J］.工業(yè)控制計算機(jī)，2008，21（12）：33-34.

［4］張春芝，馮海明.基于LabVIEW滾動軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.煤礦機(jī)械，2010（12）：204-206.

［5］李國華，張永忠.機(jī)械故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［6］張德豐.MATLAB小波分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.