李 玉，廖 平

(高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，中南大學(xué)，湖南長沙 410083)

?

基于STM32的大型轉(zhuǎn)子振動信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

李 玉，廖 平

(高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，中南大學(xué)，湖南長沙 410083)

為研究大型轉(zhuǎn)子性能退化趨勢預(yù)測與故障演變規(guī)律，設(shè)計了一套基于STM32的大型轉(zhuǎn)子振動信號采集系統(tǒng)，并進行了實際電路實驗。傳感器信號通過轉(zhuǎn)換、濾波等信號處理，輸出給外接A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)由主控芯片STM32f103x進行一次數(shù)字濾波后，通過串口輸出給上位機進行進一步的處理?；贚abVIEW設(shè)計的主機用戶程序，可同時實時顯示兩路振動信號的波形圖，并將每次采集的數(shù)據(jù)完整存入Excel表格中，還能讀取歷史數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，繪制出其頻域圖。實驗表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)振動信號的實時采集與存儲，并進行歷史數(shù)據(jù)的頻域分析，為大型轉(zhuǎn)子性能退化趨勢預(yù)測與故障演變規(guī)律的研究提供了重要的信息。

STM32；數(shù)據(jù)采集；狀態(tài)監(jiān)測；振動信號

0 引言

大型旋轉(zhuǎn)機械廣泛應(yīng)用于電力、冶金、 石油、船舶等領(lǐng)域。隨著社會現(xiàn)代化步伐不斷加快，國家對資源的需求不斷加大，大型水力發(fā)電、火力發(fā)電等大型旋轉(zhuǎn)機械運行的可靠性、穩(wěn)定性和安全性問題日漸突顯。隨著科技的發(fā)展，早期的人工定期檢測方法已經(jīng)被智能化、自動化的監(jiān)測系統(tǒng)逐步代替?，F(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)可實時獲取、傳遞和處理機械的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對機械做出狀態(tài)識別、故障診斷及狀態(tài)預(yù)測。國內(nèi)在狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等方面遠落后于國外，不能滿足實際的需求[1]。轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)機械的核心部件，其運行情況是影響大型旋轉(zhuǎn)機械運行的重要影響因素之一。振動信號的處理、分析和識別，是設(shè)備監(jiān)測和診斷的基礎(chǔ)，是最常見的機械故障振動方法之一。機械設(shè)備在運行過程中振動信號及其特征信號，是反映機械設(shè)備及其運行狀態(tài)變化的主要信號[2]。

重型燃氣輪機具有功率大、效率高、工作可靠等優(yōu)點，在諸多領(lǐng)域得以運用，以成為新一代的動力裝置[3]。但組合轉(zhuǎn)子由于長期工作在高溫度梯度、循環(huán)載荷和惡劣環(huán)境工況下，其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)容易產(chǎn)生故障，從而影響機組的穩(wěn)定運行。為研究重型燃機組合轉(zhuǎn)子性能退化機制及其在不同時間段的表現(xiàn)形式，揭示可能發(fā)生潛在故障的原因，本文設(shè)計了一套基于STM32的轉(zhuǎn)子振動信號的采集系統(tǒng)。本設(shè)計采用STM32F103x系列微控制器作為主控芯片，通過外接一個8通道16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606對信號進行轉(zhuǎn)換，以保證信號的精度要求。系統(tǒng)同時實時采集轉(zhuǎn)子X和Y方向的振動信號，主機用戶程序可選擇通訊I/O口，設(shè)置采集的波特率和數(shù)據(jù)比特，控制采集開始和結(jié)束。每次從開始到結(jié)束采集數(shù)據(jù)都被完整記錄在一個Excel表格中，以便之后的數(shù)據(jù)處理與分析。主機用戶程序還支持對之前存儲的數(shù)據(jù)進行讀取并做快速傅里葉變換，以時域圖和頻域圖的方式顯示在同一界面，便于定期對轉(zhuǎn)子的工況進行分析，做好轉(zhuǎn)子的故障維護。

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

本設(shè)計中采用STM32F103x系列微控制器為主控芯片。內(nèi)置了ARM Cortex-M3的STM32是現(xiàn)有的最小、能耗最低的32位處理器[4]，上位機不能直接讀取電渦流振動傳感器的輸出信號，而測試現(xiàn)場的工作環(huán)境也將對傳感器輸出信號產(chǎn)生一定的影響，故需要對傳感器信號進行一定的處理。STM32系列微控制器集成了12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但由于信號精度要求高，故外接了一塊8通道16位ADC芯片AD7606，以滿足采集系統(tǒng)精度要求。

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括主控芯片模塊、電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊4個部分。傳感器信號首先經(jīng)信號調(diào)理模塊，進行信號的轉(zhuǎn)換、濾波，使信號滿足A/D的輸入要求；外接A/D將輸入信號進行高精度轉(zhuǎn)換后輸出給主控芯片；主控芯片通過RS232串口將數(shù)據(jù)上傳給上位機；電源模塊為整個電路中的各個模塊提供工作電壓。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計方案

1.1 電源模塊

電源模塊為整個系統(tǒng)的各個模塊的所有元件提供工作電壓。本設(shè)計中采用DC 24 V開關(guān)電源，通過K78XX-1000系列的高效開關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換，為各個元件分別提供±12 V、±5 V和3.3 V的工作電壓，圖2為24 V轉(zhuǎn)換為+12 V的電源模塊電路圖。

圖2 24 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊電路圖

1.2 信號處理模塊

傳感器產(chǎn)生的電信號由于其電氣特性一般不能直接輸入給上位機。 此外,實驗室及測控現(xiàn)場環(huán)境中,傳感器信號一般會受到現(xiàn)場的電磁干擾、傳感器以及放大電路本身的影響,含有多種頻率的噪聲信號。未經(jīng)過處理的信號可能存在一些誤差，甚至導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。為正確地獲取信號,必須對信號進行調(diào)理。信號調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，電路圖如圖4所示。

圖3 信號調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖

為防止傳感器輸出信號隨傳送距離衰減，本設(shè)計中采用電流型傳感器，而ADC的輸入需為電壓，故選用RCV420高精度電流環(huán)接收器，它能夠高精度地將4～20 mA的電流輸入信號轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓輸出信號[5]。

圖4 信號調(diào)理模塊電路圖

高頻噪聲信號的引入會對采集的數(shù)據(jù)造成嚴重的干擾，為進一步提高A/D輸入的精度，本設(shè)計中采用二階壓控電壓源低通濾波器可以有效衰減高頻噪聲信號，具有良好的濾波作用[6]。

為使前后電路不相互影響，接入電壓跟隨器實現(xiàn)隔離效果。電壓跟隨器可以有效地降低前級電路的輸出阻抗，提高電路的負載能力，同時提高輸入阻抗，增強電路的抗干擾能力，減少負載對電路的影響。

1.3 ADC模塊

為滿足設(shè)計精度要求，本設(shè)計選用AD7606作為ADC模塊的轉(zhuǎn)換芯片。該芯片支持8通道同步采樣輸入，所有通道均可具有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，采樣速率可達到200KSPS。AD7606采用5 V單電源供電，并支持±5 V信號輸入，所以信號調(diào)理模塊無需再對輸出信號進行放大處理。ADC模塊電路圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括2個部分：固件程序設(shè)計和主機用戶應(yīng)用程序設(shè)計。整體系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖5 ADC模塊電路圖

2.1 固件程序設(shè)計

本設(shè)計中固件程序(單片機程序)采用ARM公司推出的集成開發(fā)環(huán)境Keil4為開發(fā)平臺。采用模塊化設(shè)計，簡化了程序的設(shè)計、調(diào)試和維護。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集、處理中，由定時器每隔一個采樣周期觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換。由于硬件電路信號處理模塊中的低通濾波電路無法有效地過濾突發(fā)的脈沖干擾信號，故在每次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后進入中斷服務(wù)程序，對采集到的數(shù)據(jù)進行中位值平均濾波。中位值平均濾波，又稱防脈沖干擾平均濾波，融合了中位值濾波和算術(shù)平均濾波的優(yōu)點，可有效地消除由于脈沖干擾所引起的采樣偏差[7]。

2.2 主機用戶程序設(shè)計

本設(shè)計中主機用戶程序采用LabVIEW進行通訊、應(yīng)用界面的開發(fā)和數(shù)據(jù)庫的訪問。其主要分為實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)分析2個部分。LabVIEW是基于流程圖的圖形化編程方式，其子控件NI-VISA可控制各類接口一起，并能根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序[8]，大大降低了開發(fā)難度。

在進行實時監(jiān)測中，實時監(jiān)測界面可同時顯示X、Y方向的振動信號波形圖及當前振動信號的數(shù)據(jù)，以便于監(jiān)測現(xiàn)場對轉(zhuǎn)子的工作狀況做出初步判斷，及時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的振動異常。每次監(jiān)測開始時，主機用戶程序都會提醒進行一次數(shù)據(jù)保存。監(jiān)測結(jié)束后，此次監(jiān)測的全部數(shù)據(jù)都將記錄保存在一個Excel表格中，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析中。

主機用戶程序還可以讀取實時監(jiān)測時保存的數(shù)據(jù)，并對其進行快速傅里葉變換，將原本較難處理的時域信號轉(zhuǎn)換為相對容易分析的頻域信號。歷史數(shù)據(jù)分析界面將轉(zhuǎn)子振動信號的時域圖和頻域圖同時顯示在同一界面，方便了將兩者進行對比分析。

3 實驗結(jié)果及分析

提取歷史數(shù)據(jù)中的一組異常振動數(shù)據(jù)進行分析，該組數(shù)據(jù)的采樣頻率為5 kHz，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為9 600 r/min。主機用戶程序讀取其歷史數(shù)據(jù)繪制出時域圖和頻域圖，如圖7所示。

圖7 異常振動信號時域和頻域分析圖

圖7中的頻域信號圖是將原始歷史數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換之后得到的頻域圖，由圖7可以看到信號除了在工頻fx(160 Hz)處有振動外，還出現(xiàn)了0.2fx、0.3fx、0.5fx等位置出現(xiàn)分頻信號，在2fx、3fx、4fx、5fx等位置出現(xiàn)了倍頻信號，這是由轉(zhuǎn)子的動靜碰磨引起的。

一般來說，轉(zhuǎn)子碰磨在頻譜中的故障特征為，存在fx、2fx、3fx和4fx成分，且又有大于5fx的高頻成分，2fx和3fx成分的幅值約占fx幅值的20%～50%，4fx、5fx及以上高頻成分的幅值不到fx幅值的1%；同時存在0～0.39fx、0.4～0.49fx、0.5fx和0.51～0.59fx的分頻成分，這些分頻成分的幅值均不大于fx幅值的0.1[9-11]。

在旋轉(zhuǎn)機械中，當轉(zhuǎn)子的振幅大于轉(zhuǎn)子與定子間的間隙時，就會導(dǎo)致碰磨的出現(xiàn)，質(zhì)量不平衡、不對中或者由于熱膨脹導(dǎo)致的部件彎曲都可能成為導(dǎo)致碰磨的原因。碰磨作為眾多故障之一，不僅導(dǎo)致整個機組工作效率的下降，嚴重可能造成整個旋轉(zhuǎn)機械的損傷。通過定期對轉(zhuǎn)子振動信號數(shù)據(jù)進行讀取和分析，了解隨著工作時間的增加，轉(zhuǎn)子可能出現(xiàn)的異常振動及故障，并對轉(zhuǎn)子的狀態(tài)做出預(yù)測，避免更大的故障或造成機械其他部分的損傷及事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

經(jīng)調(diào)試，基于STM32的大型轉(zhuǎn)子振動信號采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析功能都能夠達到設(shè)計的要求。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動信號的實時采集和存儲，并能夠讀取歷史數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，對轉(zhuǎn)子振動信號進行頻域分析，用以大型轉(zhuǎn)子長期性能和退化趨勢的研究。

[1] 劉宇斌.大型通用機械轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)分析：[學(xué)位論文].大連:大連理工大學(xué),2009.

[2] 陳冬娣.基于小波變換與經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的電機轉(zhuǎn)子振動信號處理方法的研究：[學(xué)位論文].南京:南京師范大學(xué),2013.

[3] 馮國全,蔚奪魁.某型航改燃機振動特性研究.航空發(fā)動機,2002,30(1):14-15.

[4] 黃志偉,王兵,朱衛(wèi)華.STM32F32位ARM微控制器應(yīng)用設(shè)計與實踐.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[5] 湯同奎.RCV420I/V轉(zhuǎn)換電路的幾種典型應(yīng)用.自動化儀表,1996,17(8):37-38.

[6] 羅桂娥,張靜秋,羅群.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(電類).長沙:中南大學(xué)出版社,2005.

[7] 華容.信號分析與處理.北京:高等教育出版社,2004.

[8] 李威宣,黃建新.基于LabVIEW平臺的通用數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動方法及數(shù)據(jù)采集.電子質(zhì)量,2005(7):13-16.

[9] 凱旗,任興民,秦衛(wèi)陽.燃氣輪機發(fā)電機組的振動信號監(jiān)測與分析系統(tǒng).噪聲與振動控制,2007(2):40-42.

[10] 張君.小波分析技術(shù)在燃氣輪機故障診斷中的應(yīng)用研究:[學(xué)位論文].北京:華北電力大學(xué),2005.

[11] 楊玉婧.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)機械振動故障診斷的研究:[學(xué)位論文].北京:華北電力大學(xué),2012.

Design of Large Rotor Vibration Signal Acquisition System Based on STM32

LI Yu ，LIAO Ping

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing，Central South University，Changsha 410083,China)

In order to study the performance degradation trend prediction and the fault evolution law of large rotors,a set of large rotor vibration signal acquisition system was designed based on STM32.And a practical circuit experiment was carried out.The sensor signals were processed by conversion,filter and some other signal processing.Then the external AD converter converted it to digital signal.A digital filtering by the main control chip STM32f103x was used in the transformed signals,before it was output to PC for further processing through a serial port.Host user program was designed by LabVIEW.The two channel vibration signals were real-time displayed in the waveform diagram at the same time.And the data were fully saved in the Excel sheet.The fast Fourier transform was used in the historical data,which were read from the Excel sheet,to map out a frequency domain graph.The experiments show that the system can realize real-time vibration signal acquisition and storage.It also can analyze the frequency domain of the historical data.It provides important information for the performance degradation trend prediction and the fault evolution law of large rotors.

STM32;data acquisition;condition monitoring;vibration signal

國家自然科學(xué)基金項目(51275535)；國家973計劃資助項目(2013CB035706)

2015-03-09 收修改稿日期：2015-09-02

TP274

A

1002-1841(2015)12-0065-03

李玉(1990—)，在讀碩士研究生，從事數(shù)據(jù)采集檢測與分析研究。E-mail：121670887@qq.com 廖平(1964—)，教授，從事機電一體化和計算機測控技術(shù)研究。E-mail：liaoping0@163.com