趙旭凌，周云龍

(1.陜西華電楊凌熱電有限公司 陜西 咸陽 712100；2.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

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基于LabVIEW的離心泵在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計及應用

趙旭凌1，周云龍2

(1.陜西華電楊凌熱電有限公司 陜西 咸陽 712100；2.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

基于虛擬儀器技術、利用工控機和PCI-8310數(shù)據(jù)采集卡設計了離心泵在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測的離心泵運行參數(shù)包括壓力、溫度、流量、揚程、效率和功率。利用LabSQL數(shù)據(jù)庫工具實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的存儲和管理功能。通過測試檢測了該系統(tǒng)對離心泵運行狀態(tài)的監(jiān)測及故障診斷功能。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、界面友好、操作簡單，實時性強。系統(tǒng)為模塊化設計，易于擴展。

離心泵；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

離心泵作為一種重要的流體機械，一般被使用于高溫、高塵的惡劣工作環(huán)境之下，再加上受到現(xiàn)場各種復雜因素的影響，很容易發(fā)生一些故障，導致泵的性能降低或失去一定的功能。如果在生產(chǎn)過程中離心泵發(fā)生嚴重的故障，將會影響與之關聯(lián)的設備，進而影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定，嚴重時會造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1，2]。因而，研究離心泵的監(jiān)測診斷技術具有重大的現(xiàn)實意義。本文以某型號臥式單級單吸離心泵作為研究對象，設計了一套基于LabVIEW的離心泵在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對離心泵工況參數(shù)進行實時在線監(jiān)測，分析診斷可能存在的故障。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

1 監(jiān)控診斷系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)實際就是一個信號分析處理系統(tǒng)，具體包含信號采集、實時監(jiān)測、故障診斷以及數(shù)據(jù)存儲等功能。該系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，以此實現(xiàn)對水泵運行狀態(tài)及常見故障的診斷。由溫度、壓力、流量、振動等傳感器從現(xiàn)場采集的信號首先經(jīng)由信號調(diào)理器的處理，轉(zhuǎn)換為標準電信號后送入PCI數(shù)據(jù)采集卡，再由采集卡傳入上位機，在上位機中完成對采集數(shù)據(jù)的分析處理、實時顯示、故障診斷及存儲查詢等過程。系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設計

作為一個在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，必須要保證從現(xiàn)場采集來的數(shù)據(jù)的準確性和完整性，所以必須根據(jù)現(xiàn)場要求來選擇具有較高的實時性、可靠性和穩(wěn)定性的硬件系統(tǒng)。

(1)傳感器選用及測點選布

監(jiān)測診斷系統(tǒng)工作過程主要靠信號采集傳感器對實驗數(shù)據(jù)進行采集，其性能好壞直接 決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性以及安全性[3]。根據(jù)被監(jiān)測設備的要求及其工作的環(huán)境條件，需要對傳感器的主要性能指標加以綜合考慮。傳感器的組成如表1 所示。系統(tǒng)中主要用到了壓力傳感 器、溫度傳感器、流量傳感器、位移傳感器等。

表1 傳感器選型信息表

選布測點的位置和數(shù)量要根據(jù)設備的特點和診斷的目的來決定，一般應滿足以下要求：適于安裝傳感器或探頭；對測量參數(shù)反應敏感；能獲取豐富的診斷信息；能安全操作等。壓力傳感器的測點應布置在靠近泵的出入口處，盡量減少管線上管件帶來的影響。采用小型離心泵，經(jīng)離心泵做功后流體溫升不明顯，溫度傳感器可以布置在泵的出口處。流量傳感器則安裝在泵后管線的中段處。為測量泵軸的振動，利用支架將兩個位移傳感器呈90°布置在泵軸的同一截面上且盡量靠近軸承處。

(2)數(shù)據(jù)采集卡選用

數(shù)據(jù)采集卡性能參數(shù)主要包括采樣頻率、采樣精度、采樣速率、最大通道數(shù)等。選擇采集卡時，除過考慮以上這些參數(shù)之外，還應考察它的兼容性以及穩(wěn)定性情況。根據(jù)對系統(tǒng)實際要求的分析，數(shù)據(jù)采集卡選用中泰研創(chuàng)科技有限公司的 PC-8310。PC-8310 模入接口卡兼容性良好，具有 ISA 總線系列的 PC 機都可使用，同時采集卡安裝方式簡單，僅需把接口卡插入機箱內(nèi)任何一個 ISA 總線插槽中，并擰緊固定螺絲即可。該卡具有 32個獨立通道，A/D 轉(zhuǎn)換分辨率為12 位，采樣頻率可高達100K。

(3)循環(huán)回路裝置

循環(huán)回路系統(tǒng)采用離心泵閉式回路。系統(tǒng)主要包括離心泵、承壓罐、水環(huán)式真空泵，電機等，如圖2所示。水環(huán)式真空泵的作用是抽取承壓罐內(nèi)的空氣，使承壓罐內(nèi)形成真空環(huán)境，降低離心泵的入口壓力。

1-水環(huán)式真空泵；2-承壓罐；3-渦流流量變送器；4-溫度變送器；5-出口壓力變送器； 6-入口壓力變送器；7-離心泵圖2 循環(huán)回路裝置圖

3 故障診斷方法的選用

故障診斷部分是本系統(tǒng)的核心部分，振動分析法是旋轉(zhuǎn)機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中使用的主要方法。振動信號包含豐富的狀態(tài)信息，而且易于提取，便于在不影響設備運行的情況下實行在線監(jiān)測和診斷。通過振動分析法可以對旋轉(zhuǎn)機械大部分的故障進行準確的診斷。振動信號常用的處理方法有時域分析法和頻域分析法[4]。

3.1 時域分析法

時域分析作為振動信號處理最為簡單的方法，是指直接分析和評估振動信號在時間歷 程中的變化情況。如果振動信號中包括周期信號、簡諧信號以及短時脈沖信號，時域分析方法非常有效?？梢灾苯訉Σㄐ芜M行進行觀察，就能得到周期、脈沖等信息，并對共振現(xiàn)象直接識別出來。

(1)波形分析

波形分析即對監(jiān)測到的波形的形狀、振幅等變化進行探討，將波形特征與轉(zhuǎn)子運動相結(jié)合，進一步地分析信號中包含的周期、振幅、平穩(wěn)性等信息，確定設備運轉(zhuǎn)狀況，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。事實上轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的信號是由不同的振動分量疊加而成的，可將信號進行不同程度的分解，使信號的表達成為簡單信號疊加的形式。各簡諧振動分量的振動頻率不僅與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關，與固有頻率也有一定的聯(lián)系。對于簡諧振動來說，波形的數(shù)學方程式為[5]：

χ(t)=Asin(ωt+φ)=Asin(2πft+φ) ，

(1)

式中：A為振動峰值，單位mm或um；ω為角頻率，單位rad/s；f為頻率，單位Hz；φ為初始相位角，反映波形的起始位置；x(t)為振動的瞬時振幅，單位與A相同。

(2)軌跡分析

轉(zhuǎn)子軸心軌跡是軸頸中心相對于軸承座在軸線垂直平面內(nèi)的運動軌跡，通過監(jiān)測位于軸頸同一截面上相互呈90°的一組振動信號繪制而成。軸心軌跡圖可以作為判斷轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)和故障征兆的重要參考。常見故障軸心軌跡圖具有特定形態(tài)，比如一旦軸輕微不對中，軸心軌跡線就會變成橢圓形；中等負載不對中，軌跡線就會變成“香蕉型”；嚴重不對中，軌跡線就會出現(xiàn)外“8” 字[6]。

3.2 頻域分析法

將時域信號變換至頻域加以分析的方法稱為頻譜分析。頻譜分析的目的是采用傅里葉變化的方法，將復雜的時間歷程波形進行分解，變成若干個簡諧波分量，得到信號的頻率結(jié)構和分解出來的各簡諧波分量之間的特征關系。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障如轉(zhuǎn)子不對中、不平衡、基座松動等都具有各自的幅頻特性，如轉(zhuǎn)子不平衡時1倍頻處高幅值，時域波形呈正弦曲線；轉(zhuǎn)子不對中時1倍頻、2倍頻占主導地位；基座松動時1倍頻處高幅值，同時會有倍頻及伴頻的出現(xiàn)。據(jù)此我們可以來對設備的狀態(tài)作出診斷。根據(jù)傅里葉級數(shù)的理論，任何周期性的信號均可展開為若干簡諧信號的疊加。對于周期連續(xù)信號x(t)，傅里葉變換轉(zhuǎn)換為傅里葉級數(shù)，其積分關系式為[7]：

(2)

(3)

4 軟件系統(tǒng)設計

軟件設計采用模塊化設計思路，將系統(tǒng)整體功能進行細化，劃分為幾個功能模塊，各功能模塊之間相互協(xié)作，共同達成系統(tǒng)的預設目標。監(jiān)測診斷系統(tǒng)是實時多任務管理程序，需要同時完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、分析和存儲等功能。依照這些功能要求，系統(tǒng)需要具備用戶登陸、系統(tǒng)設置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和診斷分析幾個主要模塊。采用模塊化的設計思路，將龐雜的系統(tǒng)細分為功能明確的區(qū)塊，降低了設計難度，同時有利于今后系統(tǒng)的修改、調(diào)試以及升級擴展等。LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖形式，使程序員擺脫了傳統(tǒng)語言線性性結(jié)構的困擾，能夠快速高效地開發(fā)出所需的軟件[8]。

4.1 用戶登陸模塊

用戶登陸模塊作為監(jiān)測診斷系統(tǒng)的初始模塊，其主要任務是將登陸用戶的身份信息與數(shù)據(jù)庫進行比對，確保只有取得授權的用戶才能進入監(jiān)測診斷系統(tǒng)。具體可分為用戶信息庫和登陸程序兩大部分。針對用戶職級的不同，分別授予系統(tǒng)操作權限，一般將系統(tǒng)用戶分為兩個層級：管理員和操作員。對用戶權限采取分級管理，明確不同操作人員的職權，能夠極大提升系統(tǒng)安全性，將由錯誤操作導致系統(tǒng)故障的可能性降到最低。用戶登陸模塊的后面板程序如圖3所示。

圖3 登陸模塊程序

4.2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過數(shù)據(jù)采集卡將現(xiàn)場傳感器采集來的模擬信號量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號量傳入上位機。它將模擬信號每隔一定的時間間隔進行抽樣采集，即把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為有一定時間間隔的離散信號。本系統(tǒng)采用了PCI-8310數(shù)據(jù)采集卡，自帶有接口函數(shù)庫，通過LabVIEW的庫函數(shù)調(diào)用，能夠與LabVIEW形成無縫對接，通過設置循環(huán)結(jié)構，建立變量等方式可以方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集[9]。首先啟動數(shù)據(jù)采集卡，對采集卡通道進行設置，然后通過定時器設置采樣周期，在一個采樣周期內(nèi)，程序不斷的掃描制定的一個通道或者多個通道，并把采樣的結(jié)果傳送到計算機中進行實時處理分析、存儲顯示。本監(jiān)測與診斷系統(tǒng)所需要的系統(tǒng)參數(shù)分為直接測量量和間接計算量，直接測量量有壓力信號、溫度信號、流量信號、泵軸位移信號、功率信號；間接計算量有泵的揚程、功率、效率等。

4.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲是離心泵監(jiān)測診斷系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)對于整個離心泵狀態(tài)的評估及故障的診斷等都具有十分重要的參考價值。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫功能是運用LabSQL工具包實現(xiàn)的。LabSQL是一個免費的、多數(shù)據(jù)庫、跨平臺的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包，LabSQL利用MicrosoftADO以及SQL語言來完成數(shù)據(jù)庫的訪問，其將復雜的底層ADO和SQL操作封裝成一系列的LabSQLVIs，用戶可以通過調(diào)用子VI的方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問[10]。

4.4 故障診斷模塊

診斷模塊采用前面選定的診斷方法進行設計，通過監(jiān)測離心泵軸在水平、垂直方向上的位移量來描繪出泵軸振動的時域曲線及軸心的軌跡圖像，并通過對振動量的時域信號進行頻域轉(zhuǎn)換得出幅頻圖。對于汽蝕故障的診斷則采用揚程—能量法。當離心泵發(fā)生汽蝕時，泵的性能曲線會出現(xiàn)急劇下降。通常取揚程曲線急劇變化階段中揚程下降 3%的點作為離心泵汽蝕發(fā)生的臨界點，若超過此臨界點即判斷為發(fā)生汽蝕[11]。

4.5 系統(tǒng)設置模塊

離心泵運行中需要采集壓力、溫度、流量等多種參數(shù)，但不同的離心泵系統(tǒng)需要采集的參數(shù)數(shù)量會存在區(qū)別，為了最大限度的增加程序的通用性，增加系統(tǒng)設置模塊。不同的用戶可以根據(jù)自己的實際需要在線設置任意通道參數(shù)。圖4為設計的系統(tǒng)設置界面。

圖4 系統(tǒng)設置界面

5 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

系統(tǒng)開發(fā)完畢后進行應用檢驗。為了檢驗本系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，在離心泵裝置上進行了系統(tǒng)檢驗。經(jīng)測試，系統(tǒng)實現(xiàn)了預期的功能，運行狀態(tài)良好。監(jiān)測界面的顯示如圖5、圖6、圖7中所示。診斷界面的顯示如圖8、圖9、圖10所示。

以離心泵運行中的系統(tǒng)參數(shù)如進出口壓力、溫度、流量等為主要顯示對象，圖5、圖6分別以曲線和柱狀的直觀形象進行顯示，方面操作人員觀察參數(shù)的波動情況。圖7以數(shù)值表的形式顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖5 運行參數(shù)曲線顯示界面

圖6 運行參數(shù)柱狀圖顯示界面

圖7 運行參數(shù)數(shù)值表

診斷界面用到的主要參數(shù)為泵軸徑向在垂直和水平兩個方向上的振動量，圖8顯示了振動量在時域內(nèi)的波形，從圖中可以看出泵軸的振動信號的原始波形是畸變的正弦波，沒有出現(xiàn)較大的沖擊現(xiàn)象；圖9顯示的幅頻圖中徑向振動信號以1倍頻和2倍頻分量為主且有穩(wěn)定高峰。圖10顯示的泵軸軸心軌跡呈橢圓形。參照離心泵機械故障信號特征可以得出泵軸存在輕微不對中故障，與試驗中的實際情況相符。

圖8 泵軸振幅監(jiān)測界面

圖9 振動信號幅頻圖

圖10 泵軸軸心軌跡圖界面

6 結(jié)束語

(1)系統(tǒng)實現(xiàn)了對離心泵運行狀態(tài)參數(shù)的采集并將數(shù)據(jù)以波形、柱狀、數(shù)值等形式實時的顯示。

(2)系統(tǒng)實現(xiàn)了對離心泵常見故障的診斷分析功能并能夠完成對采集數(shù)據(jù)的存儲、查詢、修改和刪除等數(shù)據(jù)庫的功能。

(3)系統(tǒng)人機界面友好、操作簡單、運行穩(wěn)定、安全可靠性高。系統(tǒng)采用模塊化設計，易于擴展。

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Development and Application of On-line Monitoring and Fault Diagnosis System for Centrifugal PUMP Based on LabVIEW

Zhao Xuling1，Zhou Yulong2

(1.Shanxi Huadian Yangling Thermoelectricity Corportation，Xianyang Shanxi 712100；2.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

A online monitoring and fault diagnosis system for centrifugal pump was designed based on virtural instrument，IPC and data acquisition card of PIC-8310.The system monitors the operating parameters of the centrigugal pump including pressure，temperature，flow，head，efficiency and power.The storage and management function of the system is realized by using LabSQL database tools.The test results show that the system had the function of monitoring the operation state of the centrifugal pump and fault diagnosist.The operation of the system is stable and simple，and the characteristic of the real-time is good.The system is designed by modularization，and it is easy for extension.

Centrifugal pump；State-monitoring；Fault diagnosis

2016-07-01

吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130206008GX)

趙旭凌(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：流體機械故障診斷.

1005-2992(2017)02-0066-07

TP277

A

電子郵箱： zhaoxuling1989@sina.com(趙旭凌);zyl@.nedu.edu.cn(周云龍)