王之民，李艷偉

（鎮(zhèn)江賽爾尼柯自動(dòng)化股份有限公司， 鎮(zhèn)江 212000）

1 前言

主推進(jìn)軸系是船舶的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，它的健康狀況對(duì)整個(gè)船舶運(yùn)行起著重要作用。目前船舶運(yùn)營(yíng)中主推進(jìn)軸系僅依靠軸承溫度來(lái)監(jiān)測(cè)，但故障通過(guò)溫度表現(xiàn)出來(lái)已經(jīng)處于故障后期，使故障診斷滯后，這種傳統(tǒng)的事后維修和定時(shí)檢修方法已不能滿足智能船舶的發(fā)展需求[1]。針對(duì)智能船舶關(guān)于軸系智能化監(jiān)測(cè)的需求，目前還是以軸系本身或軸系-船體-軸承作為研究對(duì)象，主要圍繞軸系的模型選擇、計(jì)算方法、軸系校中、振動(dòng)特征分析等方面[2]對(duì)于軸系故障進(jìn)行診斷，其基本都是對(duì)某一零部件進(jìn)行診斷，且只是在船舶發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行等效監(jiān)測(cè)，對(duì)于故障準(zhǔn)確定位及預(yù)警也僅在理論分析與實(shí)驗(yàn)室仿真條件下進(jìn)行，尚無(wú)成熟的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品實(shí)裝。

根據(jù)上述分析，本文基于微機(jī)電加速度傳感器，設(shè)計(jì)了振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，并以組態(tài)軟件為基礎(chǔ)建立故障診斷模型，構(gòu)建基于特征參數(shù)的軸系故障關(guān)系庫(kù)，開(kāi)發(fā)上位機(jī)健康診斷系統(tǒng)，把振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜、幅值、振動(dòng)烈度等信息顯示到界面上，對(duì)監(jiān)測(cè)到異常振動(dòng)狀態(tài)給出報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶主推進(jìn)軸系振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)以及報(bào)警進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析。

2 技術(shù)路線

本系統(tǒng)從船舶主推進(jìn)軸系故障機(jī)理特征及故障診斷方法兩個(gè)方面進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)研究船舶主推進(jìn)軸系常見(jiàn)故障類型、故障機(jī)理以及故障振動(dòng)特征，建立不同故障類型與不同振動(dòng)信號(hào)特征關(guān)系庫(kù)，從軟硬件開(kāi)發(fā)、模擬信號(hào)驗(yàn)證、方法對(duì)比、樣機(jī)搭建、試驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)船驗(yàn)證開(kāi)展研究工作，自主開(kāi)發(fā)核心控制器，完成船舶主推進(jìn)軸系振動(dòng)健康診斷系統(tǒng)研發(fā)，最終完成示范應(yīng)用。具體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3 系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和上位機(jī)三部分組成：

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

主要通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度傳感器采集主推進(jìn)系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)MCU 模塊對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，通過(guò)SPI 總線鏈接把處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算、存儲(chǔ)和報(bào)警等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要由三軸MEMS 振動(dòng)傳感器、MCU 模塊和串口通訊模塊組成：MEMS 振動(dòng)傳感器具有低功耗、輕質(zhì)量、高靈敏度、低噪聲值的特點(diǎn)[3]，本系統(tǒng)采用ADCMXL3021 型號(hào)的振動(dòng)加速度傳感器，測(cè)量范圍為±50 g、帶寬為DC 至10 kHz；MCU 模塊采用意法半導(dǎo)體公司出品的STM32 系列低功耗ARM微處理器，型號(hào)為STM32F103，其具有出色的運(yùn)算能力，并且集成了豐富的外圍接口，廣泛用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制、醫(yī)療和警報(bào)系統(tǒng)等方面。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

主要由MCU 模塊和串口通訊模塊組成，MCU 模塊采用的ARM 微處理器型號(hào)為STM32F407，該模塊與STM32F103 模塊通過(guò)RS485（通訊）模塊連接，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，并計(jì)算數(shù)據(jù)的特征值，然后將時(shí)域數(shù)據(jù)、頻域數(shù)據(jù)以及計(jì)算得到的特征數(shù)據(jù)同時(shí)上傳至上位機(jī)。

STM32F103 模塊和STM32F407 模塊，都與一個(gè)處理端電源模塊連接，處理端電源模塊型號(hào)為IB2405T-1WR2，主要作用是為STM32F407模塊提供穩(wěn)定的5 V電壓。

4 振動(dòng)信號(hào)分析

微機(jī)電加速度傳感器采集到的為時(shí)域振動(dòng)加速度信號(hào)，如想得到設(shè)備振動(dòng)的頻譜、峰值、烈度等信息，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換等運(yùn)算。當(dāng)時(shí)域信號(hào)中有直流成份時(shí)，傅里葉變換后會(huì)在頻域中產(chǎn)生沖擊信號(hào)，抑制旁邊微弱幅值的頻率信號(hào)，因此要進(jìn)行零均值處理去掉脈沖。

4.1 零均值化處理

信號(hào)的均值相當(dāng)于一個(gè)直流分量，而直流信號(hào)的傅里葉變換在ω=0 處產(chǎn)生沖激函數(shù)，若不進(jìn)行處理，則在信號(hào)頻譜分析時(shí)會(huì)在ω=0 處出現(xiàn)一個(gè)大的譜峰，并會(huì)影響ω=0 左右處的頻譜曲線，在頻譜分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，所以必須進(jìn)行零均值化處理：

式中：ā為采樣信號(hào)的均值，x（t）為零均值處理后得到的信號(hào)。

4.2 傅里葉變換

信號(hào)在時(shí)域和頻域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可由離散傅里葉變換（DFT）描述[4]，設(shè)加速度信號(hào)為a（t）的頻域信號(hào)為X（k），則

式中：N為采樣數(shù)據(jù)量；n、k均為非負(fù)整數(shù)，a（n）為加速度信號(hào)a（t）的離散化表示。

設(shè)v（n）為加速度信號(hào)v（t）的離散化表示，每條譜線對(duì)應(yīng)時(shí)域中的一個(gè)正弦波：

式中：wk= 2πkΔf；Δf=Fs/N為頻率分辨率。

4.3 仿真對(duì)比

為了驗(yàn)證零均值化處理的作用，截取一段實(shí)際項(xiàng)目中的振動(dòng)數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行傅里葉變換，用同一組數(shù)據(jù)先進(jìn)行零均值化處理，后再進(jìn)行傅里葉變換，兩種方法得到的頻域圖，如圖3 所示。

圖3 零均值化處理前后對(duì)比圖

從圖3 可以看出，未經(jīng)零均值化處理的原始信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后，在頻率為0 處會(huì)產(chǎn)生沖擊脈沖，抑制后邊的有用信號(hào)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行零均值處理后再進(jìn)行傅里葉變換，頻率為0 處的脈沖信號(hào)消失，后邊頻率上的有用信號(hào)能很好的識(shí)別出來(lái)，有利于對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

4.4 振動(dòng)烈度計(jì)算

衡量物體的振動(dòng)強(qiáng)度大小，通常有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：位移、速度和加速度。通常情況下，一般采用振動(dòng)烈度來(lái)衡量振動(dòng)強(qiáng)度的大小。所謂振動(dòng)強(qiáng)度就是指物體振動(dòng)速度的均方根值，也就是振動(dòng)速度的有效值[5]。振動(dòng)的速度頻譜為：

式中：V（k）是速度頻譜序列，X（k）是加速度頻譜序列，j是虛數(shù)單位，w是圓周序列，fs為采樣頻率，N為采樣點(diǎn)數(shù)。

振動(dòng)烈度為：

本文采用的微機(jī)電加速度傳感器，為三軸振動(dòng)加速度傳感器，能夠采集三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)估指南[6]，設(shè)備的振動(dòng)烈度為：

式中：Vs為主推進(jìn)系統(tǒng)振動(dòng)烈度總值，Vxrms，Vyrms，Vzrms分別為三個(gè)相互垂直方向上的振動(dòng)速度均方根值。振動(dòng)烈度的計(jì)算流程如圖4 所示。

圖4 振動(dòng)動(dòng)烈烈度度計(jì)計(jì)算算流流程程圖圖

4.5 特征值提取

振動(dòng)信號(hào)原始統(tǒng)計(jì)特性分為兩類：時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征、頻域統(tǒng)計(jì)特征。常見(jiàn)的時(shí)域特征指標(biāo)有均值、方差、均方根值、峰值、峰值因子、峭度因子、波形因數(shù)、脈沖因子、裕度因子等；常見(jiàn)的頻域特征指標(biāo)有重心頻率、頻率方差、均方頻率等[7]。

5 軟件開(kāi)發(fā)

基于組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的主推進(jìn)軸系健康診斷系統(tǒng)，其中包括：振動(dòng)數(shù)據(jù)的讀取、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)以及報(bào)警等。

上位機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)ModbusTcp 協(xié)議，從數(shù)據(jù)處理模塊讀取處理后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行振動(dòng)烈度計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的振動(dòng)烈度評(píng)定等級(jí)表，可以判斷設(shè)備的狀態(tài)和報(bào)警等級(jí)；并根據(jù)計(jì)算得到的時(shí)頻域特征值，建立船舶主推進(jìn)軸系設(shè)備故障特征關(guān)系庫(kù)，采集到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)故障特征關(guān)系庫(kù)識(shí)別故障類型；故障特征關(guān)系庫(kù)權(quán)限對(duì)船東開(kāi)放，由船東和設(shè)備商對(duì)故障模型進(jìn)行維護(hù)，并不斷豐富特征關(guān)系庫(kù)，提高系統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)能力。

主推進(jìn)軸系健康診斷系統(tǒng)還會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)日期、振動(dòng)烈度、時(shí)域數(shù)據(jù)、頻域數(shù)據(jù)等參數(shù)創(chuàng)建列表。其中，時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)是一個(gè)大的數(shù)組，采取序列化存儲(chǔ)方式，把時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)通過(guò)序列化存儲(chǔ)為BIN 文件的型式，然后把BIN 文件名稱保存在表里。由于每單次采集的三軸振動(dòng)數(shù)據(jù)量比較大，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采取定時(shí)存儲(chǔ)（設(shè)定為30 分鐘一次），也可以根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)置存儲(chǔ)時(shí)間；主推進(jìn)軸系健康診斷系統(tǒng)還可以指定時(shí)間段進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，方便對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行分析。上位機(jī)健康診斷系統(tǒng)運(yùn)行界面，如圖5 所示。

圖5 上位機(jī)健康診斷界面

6 結(jié)論

通過(guò)振動(dòng)傳感器采集設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行零均值化處理、傅里葉變換等運(yùn)算得到振動(dòng)速度，通過(guò)振動(dòng)速度進(jìn)一步求得振動(dòng)烈度，根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算振動(dòng)特征值；以組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)健康診斷系統(tǒng)，根據(jù)振動(dòng)烈度評(píng)定等級(jí)以及設(shè)備故障特征關(guān)系庫(kù)，對(duì)設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，在設(shè)備異常時(shí)第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提高主推進(jìn)軸系健康管理和故障在線診斷的時(shí)效性和有效性，使故障不會(huì)繼續(xù)惡化，降低了設(shè)備故障帶來(lái)的損失。

本系統(tǒng)在天津港智能港作拖輪中已經(jīng)得到應(yīng)用，有效地驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了船員對(duì)主推進(jìn)設(shè)備的管理能力，降低了主推進(jìn)軸系運(yùn)行故障及其維護(hù)成本和損失，提高了全船運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。