林躍森，曾海杰，莊鎮(zhèn)濤，林森源

（廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名，525000）

0 前言

隨著石化行業(yè)日益發(fā)展，石化裝備日益大型化、合成化和復(fù)雜化，石化工程的安全運(yùn)行面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)大部分石化企業(yè)采用的故障診斷系統(tǒng)大部分都是有線的、單節(jié)點(diǎn)傳感器獨(dú)立電纜傳輸模式，這種故障診斷系統(tǒng)通訊系統(tǒng)龐大、線纜多、雜、亂，非常不易于維護(hù)，加上工廠內(nèi)的環(huán)境惡劣，有腐蝕性氣、液體，溫度高，且存在電磁波干擾，設(shè)備噪聲干擾等；設(shè)備的連接線纜容易損壞，形成騷擾動源，最終導(dǎo)致傳輸?shù)墓收闲盘柌环€(wěn)定或不準(zhǔn)確[1]。

針對信號的采集和傳輸，無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以解決這些化工產(chǎn)業(yè)的大機(jī)組裝置的故障診斷信息的監(jiān)控采集，比有線傳感器的作用范圍大、噪聲小、布置簡單靈活、且支持移動等優(yōu)勢，這對有大機(jī)組的工廠的各大工業(yè)發(fā)展具有極高的應(yīng)用價值[2]。

1 信號特征提取理論介紹

■1.1 時域分析法介紹

在時域提取中，分析的時域參數(shù)主要有無量綱和有量綱這兩種。其中無量綱參數(shù)有裕度指標(biāo)、峰值指標(biāo)、峭度指標(biāo)、歪度指標(biāo)、波形因子、脈沖因子等；有量綱參數(shù)有平均值、均方根值等[3]。

在軸承故障診斷中，峰值指標(biāo)和脈沖因子都是用來檢測振動信號有無沖擊的指標(biāo)，裕度因子常用于檢測軸承設(shè)備的磨損情況。反應(yīng)振動信號的沖擊特性的是峭度因子。

在業(yè)內(nèi)，常用敏感性與穩(wěn)定性來衡量這些指標(biāo)的性能。脈沖因子，峭度因子都對沖擊類的故障比較敏感，在故障發(fā)生的早期時，這些指標(biāo)都有明顯的增加；但是當(dāng)故障逐漸發(fā)展到一定程度后，指標(biāo)反而會下降，所以它們的穩(wěn)定性不好，對早期的敏感性高，但是晚期不敏感。而有效值的穩(wěn)定性往往都是比較好的，但是在故障早期的時候表現(xiàn)的不敏感了。所以在故障診斷中，為了得到更加準(zhǔn)確和更加穩(wěn)定的效果，系統(tǒng)常常同時應(yīng)用這幾個時域分析的指標(biāo)，提高故障診斷分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

■1.2 頻域分析法介紹

振動信號分析使用了各種基于時域的技術(shù)，例如均值，峰值，峰度等；這些技術(shù)處理原始振動測量中包含的正弦波之和。在頻域中，每個正弦波將作為頻譜分量出現(xiàn)。頻率分析是用于監(jiān)視機(jī)器狀態(tài)的最常用的振動分析技術(shù)之一。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械組件會在時域中生成各種類型的振動信號：隨機(jī)信號和周期信號，適用于健康狀況和故障狀況。這些信號在頻域中的頻率表示通常使用傅立葉進(jìn)行分析，通常分為傅立葉級數(shù)，連續(xù)傅立葉變換（CFT）和離散傅立葉變換（DFT）3 種類型。發(fā)現(xiàn)了傅立葉分析的基本思想的法國數(shù)學(xué)家J.Fourier 在19 世紀(jì)指出，任何周期函數(shù)都可以表示為復(fù)雜指數(shù)函數(shù)的總和。在這些類型中，DFT 是離散時間信號頻率分析中的重要工具。

a.傅里葉級數(shù)

周期信號x（t）的諧波分析是將序列分解為正弦分量的總和，其中每個正弦波都有特定的振幅和相位。周期信號包含的頻率是基頻f0=1/ T 的整數(shù)諧波，其中T 是信號的周期。因此，信號中存在的唯一頻率是1/T,2/T,…,n/T。周期信號x（t）的傅里葉級數(shù)可以表示為周期為T 的所有正弦和余弦函數(shù)的線性組合。這可以用公式（9）表示：

由于振動信號通常表現(xiàn)為由多個較低頻率調(diào)制的高頻正弦信號的形式，有時是周期性信號，因此正弦在振動信號分析中很重要。根據(jù)傅立葉級數(shù)理論，所有周期信號均由正弦和組成。

b.離散傅里葉變換

當(dāng)信號是離散的時，可以使用DFT。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)計(jì)算離散化信號的實(shí)現(xiàn)通常需要采用離散方法，并且DFT可以使用以下方程式數(shù)學(xué)表示：

c.快速傅里葉變換

快速傅里葉變換（FFT）是一種計(jì)算DFT 的有效算法，它對固定時間序列信號進(jìn)行逆運(yùn)算，其復(fù)雜度顯著降低[4]。實(shí)際上，F(xiàn)FT 使用N log2N 復(fù)數(shù)來計(jì)算長度為N 的信號的DFT。FFT 技術(shù)是由Cooley 和Tukey（1965）在DFT 的稀疏分解基礎(chǔ)上首次提出的（VanLoan1992）。簡而言之，我們給出簡化的FFT 形式，如下所示[5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32為數(shù)據(jù)處理中心，將IEPE 加速度傳感器發(fā)送出來的模擬振動信號進(jìn)行ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取到原始振動信號的幅值、頻率和周期等，再對振動信號進(jìn)行分析，包括無量綱參數(shù)和有量綱參數(shù)的指標(biāo)提??；得出各個技術(shù)指標(biāo)之后，MCU將指標(biāo)數(shù)據(jù)從串口發(fā)出，將LoRa 作為無線傳輸?shù)目罩袠蛄?，遠(yuǎn)程發(fā)送至云端服務(wù)器，然后通過本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件向服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)并顯示出振動信號的原始波形，再將波形數(shù)據(jù)和各個技術(shù)指標(biāo)上傳至服務(wù)器；服務(wù)器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、儲存、管理。為了方便技術(shù)人員實(shí)時在任意有網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)都能檢測軸承的運(yùn)作狀態(tài)，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了手機(jī)端的APP 應(yīng)用[6]，用于觀察波形，實(shí)時跟進(jìn)各個技術(shù)指標(biāo)的變化 ?；跓o線傳感網(wǎng)絡(luò)的云故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的云故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程框圖

■2.2 主要研究內(nèi)容

①在測量傳感器的輸出信號過程中，由于IEPE 加速度傳感器輸出的信號及其微弱，近似直流信號，很容易受到噪音干擾，這種干擾一是由外界的噪音干擾源產(chǎn)生的，所以為了能有效的提取有用信號，便于移動終端進(jìn)一步處理，傳感器的輸出信號還需要經(jīng)過信號的調(diào)理，放大，濾波等一系列的處理，以放大信號，減小噪音。因此需要開發(fā)一種適合監(jiān)測系統(tǒng)的放大濾波電路。制作一個基于STM32 單片機(jī)的高性能采集器，利用單片機(jī)的DMA 通道和DSP 庫的使用，運(yùn)用高速傅立葉變換FFT 來實(shí)時讀取和處理波形特征。②基于JAVA 上位機(jī)的開發(fā)，使得硬件端采集到數(shù)據(jù)可以以圖形化的方式顯示出來，能更直觀的分析機(jī)器故障類型。且具有故障診斷報(bào)告生成、數(shù)據(jù)存儲等功能，方便查詢與研究。③基于Android 移動端APP 的開發(fā)。移動終端比起PC 端便攜性是其最大的優(yōu)勢。我們主要采用基于時域的分析方法，通過對動態(tài)信號的各種時域參數(shù)、指標(biāo)的計(jì)算，可以準(zhǔn)確判斷出故障類型。同時把分析的結(jié)果保存儲存起來，以便用戶查詢。④深入了解Lora 技術(shù)的原理及實(shí)際應(yīng)用到故障診斷系統(tǒng)中。在實(shí)際的故障診斷系統(tǒng)中，需要在相當(dāng)大的工業(yè)面積對多個測點(diǎn)進(jìn)行檢測。采用星型架構(gòu)方式進(jìn)行組網(wǎng)，能在長距離傳輸數(shù)據(jù)保證通信質(zhì)量及其電池的壽命。

3 系統(tǒng)測試

①在對各個模塊分別測試無問題之后，將所有的模塊整合在一個組裝系統(tǒng)里面，運(yùn)行，測試是否能正常采集發(fā)送顯示。因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞，功耗高發(fā)熱等問題，所以對整個系統(tǒng)進(jìn)行工作測試十分必要。

②系統(tǒng)極限測試。測試系統(tǒng)在環(huán)境惡劣的情況下是否還能正常穩(wěn)定工作；因?yàn)榛S地環(huán)境一般比較惡劣，所以我們的系統(tǒng)需要很好的克服環(huán)境惡劣帶來的影響。另外，長時間連續(xù)工作可能也會影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，比如長時間工作導(dǎo)致硬件模塊溫度過高，影響放大或者濾波的效果，或者單片機(jī)可能發(fā)熱死機(jī)等問題；這些問題都是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。所以，對系統(tǒng)進(jìn)行長時間，不同場地的穩(wěn)定測試十分重要。

③系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試時，使用信號發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號，在上位機(jī)顯示看看是否正常，對照各個數(shù)據(jù)，防止因?yàn)橛?jì)算問題導(dǎo)致最終診斷結(jié)果不準(zhǔn)確，并將數(shù)據(jù)生成診斷日記保存起來。如圖2、圖3 所示。

圖2 上位機(jī)軟件波形顯示及指標(biāo)顯示

圖3 上位機(jī)軟件診斷情況保存及顯示

4 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承故障一直是石化產(chǎn)業(yè)安全工作的絆腳石，由于石化產(chǎn)業(yè)的工作現(xiàn)場環(huán)境一般都比較復(fù)雜，所以即使成功采集到軸承轉(zhuǎn)動的振動信號，有很難提取到干凈的信號，更別說精準(zhǔn)分析故障信息了。再加上目前很多石化公司還是使用線纜采集信號的方式來進(jìn)行機(jī)械的故障診斷。首先使用線纜傳輸，會大大增加施工難度，并且布線雜亂無章；環(huán)境惡劣容易導(dǎo)致線纜衰老嚴(yán)重，傳輸數(shù)據(jù)時就容易受各種干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤；并且線纜一旦出現(xiàn)問題，也很難單獨(dú)把出問題的線纜找出來更換，這將大大影響企業(yè)的高效生產(chǎn)和無法保證工作場地的整潔；線纜傳輸還容易受到各種噪聲干擾。針對信號的采集和傳輸，無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以解決這些化工產(chǎn)業(yè)的大機(jī)組裝置的故障診斷信息的監(jiān)控采集，比有線傳感器的作用范圍大、噪聲小、布置簡單靈活、且支持移動等優(yōu)勢。