王之民，陳松濤，胡祥平

(鎮(zhèn)江賽爾尼柯自動化有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶輔機設(shè)備運行工況為短時大功率、連續(xù)啟停或連續(xù)高速運行等，變工況和輔機設(shè)備所處的復(fù)雜工作環(huán)境共同加快了設(shè)備磨損，且自身產(chǎn)生并疊加船體振動，易導(dǎo)致設(shè)備故障。如不及時排除隱患，將造成輔機設(shè)備不可逆的損壞，增加設(shè)備額外的維修費用[1]。

受制于國外價格高昂的振動監(jiān)測系統(tǒng)，船東無法為船舶大面積裝配在線式振動檢測系統(tǒng)，更多采用手持式振動檢測裝置。雖然手持式振動檢測裝置檢測速度快且結(jié)果精確，但是完成眾多設(shè)備的單次檢測周期仍耗時較長。此外，還因為周期性監(jiān)測的原因，無法在第一時間檢測到設(shè)備故障的發(fā)生。

本文基于三軸加速度傳感器模塊設(shè)計了振動狀態(tài)采集模塊。該模塊在Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上結(jié)合WPF框架開發(fā)上位軟件并根據(jù)振動烈度評價標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)對船舶輔機設(shè)備振動狀態(tài)的實時監(jiān)測，并能夠及時監(jiān)測到異常振動狀態(tài)，從而避免了有害振動對輔機設(shè)備造成進一步損害。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能要求

為滿足未來船舶的發(fā)展需求，結(jié)合中國船級社《智能船舶規(guī)范》(2020)，設(shè)計了振動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對輔機振動狀態(tài)的實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)存儲進數(shù)據(jù)庫，以解決傳統(tǒng)檢測方式耗時且無法第一時間發(fā)現(xiàn)故障的問題。具體功能包括：

(1)實時振動數(shù)據(jù)查詢：對于所有被監(jiān)測的輔機設(shè)備，能夠在上位機端實時顯示其振動頻譜與振動烈度評級。

(2)振動異常報警：當(dāng)輔機設(shè)備出現(xiàn)振動異常情況，提示報警，并存儲報警信息。

(3)歷史數(shù)據(jù)查詢：能夠查詢特定時間段的歷史數(shù)據(jù)。

(4)手動存儲：針對特定振動狀況能夠手動存儲當(dāng)前的振動數(shù)據(jù)。

(5)定時存儲：能夠定時存儲所有監(jiān)測輔機設(shè)備的振動數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)由振動傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和上位機3個部分組成。振動傳感器模塊包括加速度傳感器、主控單元和通訊模塊。加速度傳感器采用微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度傳感器，通過主控單元將實時數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、加窗、快速傅里葉變換后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)器，再由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到上位機。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

2 振動傳感器模塊硬件設(shè)計

振動傳感器模塊主要由MEMS傳感器、MCU模塊和通訊模塊共同組成。MEMS振動傳感器具有低功耗、輕質(zhì)量、高靈敏度、低噪聲值的特點[2]，能夠較好地采集輔機設(shè)備的振動信息。本系統(tǒng)設(shè)計采用ADIS16227型號的加速度傳感器。該傳感器最大檢測加速度為70g，最大采樣頻率為100.2 kHz。MCU模塊采用STM32F103低功耗ARM微處理器，通過SPI接口與傳感器進行數(shù)據(jù)通訊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 振動信號處理

船舶輔機設(shè)備健康評估通常采用振動速度作為判斷依據(jù)。在實際工程中，受到傳感器的制約，大多數(shù)情況下只能得到振動加速度信號。本文從傳感器讀取加速度信號后進行積分處理得出速度信號。對于積分方式，主要有時域積分和頻域積分2種[3]。

3.1 時域積分

從傳感器得到的振動加速度信號，即時域加速度信號序列為

a=a(k)，k=1,2,…，N

式中：a為加速度信號序列；k為某一個點的采樣序號；N為采樣點數(shù)。

加速度信號包含了傳感器噪聲和直流分量，需對原始數(shù)據(jù)進行零均值處理，消除趨勢項，則有如下公式：

根據(jù)梯形積分法[4]，對應(yīng)速度時域序列為

式中：v(k)為時域速度序列；Δt為采樣間隔。

3.2 頻域積分

頻域積分原理主要利用傅里葉變換的積分原理，對去除趨勢項的加速度信號a′進行傅里葉變換，同時為了減小頻譜泄露加入漢寧窗得到：

式中：A(k)為經(jīng)處理后時域加速度信號傅里葉變換序列；w(n)為漢寧窗序列；a′(n)為時域加速度值；j為虛數(shù)單位[5]；n為某一個點的采樣序號。

根據(jù)頻域積分定理，則速度頻譜為

式中：V(k)為速度頻譜序列；A(k)為加速度頻譜序列；fs為采樣頻率；j為虛數(shù)單位。

3.3 仿真對比

為了對比2種方法的優(yōu)劣，假設(shè)加速度信號為

a=100πcos 100πt-200πsin 60πt+

300πsin 300πt+μ

式中：μ為隨機噪聲。

設(shè)定采樣頻率為1 566 Hz，采樣點數(shù)為512。利用時域和頻域2種積分方式得到的速度波形對比結(jié)果見圖2。圖中，橫坐標(biāo)t為采樣時間，縱坐標(biāo)v為速度值。

圖2 2種積分方式對比圖

采用平均峰值誤差作為評價標(biāo)準(zhǔn)，時域積分平均峰值誤差為36.50%，頻域積分平均峰值誤差為5.62%。從圖2可以看出，時域積分誤差較大，并且出現(xiàn)明顯偏移。在實際開發(fā)中使用頻域積分方法，可以避免出現(xiàn)原理性偏移的現(xiàn)象。

3.4 振動烈度計算

振動烈度定義為某一頻率范圍內(nèi)振動速度的均方根值，能夠反映一臺機械設(shè)備的振動狀態(tài)。根據(jù)上節(jié)結(jié)果，本設(shè)計采取頻域積分的方式計算振動烈度。速度頻譜為

式中：W(k)為圓周序列。

由于加窗會對加速度信號的幅值譜產(chǎn)生影響，需要加入恢復(fù)系數(shù)K[6]。本設(shè)計中窗函數(shù)為漢寧窗，所以K=2.667。則振動速度有效值為

式中：Vrms為振動速度有效值。

本設(shè)計采用的三軸加速度傳感器能夠采集3個分量上的振動信號，根據(jù)《船舶機艙輔機振動烈度的測量和評價》，最終輔機設(shè)備的振動烈度Vs為

式中：Vs為輔機設(shè)備振動烈度值；Vxrms、Vyrms、Vzrms分別為3個互相垂直方向上的振動速度均方根值。振動烈度計算流程見圖3。

圖3 振動烈度計算流程

4 上位機開發(fā)

開發(fā)基于WPF框架的船舶輔機設(shè)備振動監(jiān)測軟件，其核心程序包括振動數(shù)據(jù)讀取、振動烈度計算和數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)讀取采用定時讀取方式，上位機通過標(biāo)準(zhǔn)ModbusTcp協(xié)議從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器讀取振動加速度數(shù)據(jù)，并進行振動烈度計算。由于振動監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，因此對數(shù)據(jù)庫存儲和管理要求較高。根據(jù)單次采集三軸振動數(shù)據(jù)量，定時存儲時間設(shè)置為10 min，同時可以通過手動存儲按鈕進行數(shù)據(jù)主動保存。采用MySQL數(shù)據(jù)庫，根據(jù)日期+設(shè)備名的方式創(chuàng)建表，按照時間、振動烈度值、時域數(shù)據(jù)等不同參數(shù)創(chuàng)建列。上位機軟件可以指定時間段查詢歷史數(shù)據(jù)，并可將查詢結(jié)果導(dǎo)出至EXCEL。

5 結(jié)論

(1)本文振動監(jiān)測系統(tǒng)利用傅里葉變換中頻域積分的原理，得出加速度與速度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(2)利用成熟的Modbus協(xié)議與配套開發(fā)的上位機系統(tǒng)，實現(xiàn)了振動數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方式中無法第一時間監(jiān)測到設(shè)備異常振動的問題，同時為設(shè)備振動分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

本系統(tǒng)在“中華復(fù)興”號客滾船一段時間的運行使用，驗證了檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，有效地提高了管理人員對機艙設(shè)備的管理能力，減少了因設(shè)備異常故障所造成的損失。