潘顯斌，孫康，林彬彬，田志新，徐震

摘? 要： 開發(fā)了一種基于Labview的電機故障監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集卡、適配箱和傳感器等設(shè)備構(gòu)建的電機故障監(jiān)測仿真實驗平臺。以Labview編程語言作為軟件開發(fā)平臺，通過調(diào)節(jié)虛擬開關(guān)來進行電機運行數(shù)據(jù)采集操作，并通過預(yù)測模型對故障數(shù)據(jù)進行仿真檢驗。選用凱斯西儲大學(xué)軸承數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)功能進行分析驗證，證明該系統(tǒng)故障預(yù)測較為準確且運行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞： 電機故障; Labview; 數(shù)據(jù)采集; 測控系統(tǒng); 故障診斷

中圖分類號：TH89? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2022）06-76-04

Development of motor fault monitoring system based on Labview

Pan Xianbin， Sun Kang， Lin Binbin， Tian Zhixin， Xu Zhen

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200000， China）

Abstract： In order to improve the efficiency and automation of motor fault monitoring， a motor fault monitoring system based on Labview is developed. The monitoring system is a motor fault monitoring simulation platform constructed by data acquisition card， adaptive box and sensor. Using Labview programming language as a software development platform， the motor operation data is collected by adjusting the virtual switch， and the fault data is simulated by the prediction model. The bearing database of Case Western Reserve University is used to analyze and verify the system functions， which proves that its fault prediction is more accurate and its operation is stable and reliable.

Key words： motor fault; Labview; data acquisition; measurement and control system; fault diagnosis

0 引言

電機在人們的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛[1]，例如：金屬切削機床、泵、風(fēng)機、運輸機械、攪拌機、農(nóng)業(yè)機械以及食品機械等，所以保證電機的穩(wěn)定運行，對人類日常生活或工業(yè)生產(chǎn)十分重要。目前，諸多國內(nèi)外學(xué)者提出了智能的電機監(jiān)測方法，劉振興等人對電機的故障以及相關(guān)的診斷技術(shù)做了綜述[2];孟東容搭建了振動電機在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，用于分析電機的轉(zhuǎn)子斷條和氣隙偏心故障[3];S.W等人提出了一種基于歐氏距離測度的機械振動診斷集成模式識別方法，研制了一套計算機在線監(jiān)測系統(tǒng)[4];宮文峰等運用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對滾動軸承內(nèi)發(fā)生的微小故障作出智能診斷，準確率高且具有良好的泛化遷移能力[5];蔡燕等設(shè)計一種基于虛擬儀器的SRM實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，可監(jiān)測開關(guān)磁阻電機調(diào)速控制系統(tǒng)的高動態(tài)響應(yīng)，并做實時記錄[6];張丙才等以Labview為平臺開發(fā)了用于信號采集與分析的多功能虛擬儀器系統(tǒng)[7];范春濤，徐城烽等開發(fā)了基于虛擬儀器的電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速信號的采集、顯示與反饋等功能[8]。

因此，基于前人研究，為了提高電機故障監(jiān)測效率，并保證預(yù)測結(jié)果的準確性和客觀性，本文開發(fā)了一種基于虛擬儀器的電機故障監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集電機運行時的相關(guān)數(shù)據(jù)，進而分析預(yù)測電機性能和故障情況并作可視化操作，該系統(tǒng)具有較高的擴展性和冗余性，可適用多種電機的故障監(jiān)測要求。

1 系統(tǒng)組成

本文研究的電機故障監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾個功能部件組成：振動傳感器、溫度傳感器、采集模塊、分析模塊以及監(jiān)測模塊。監(jiān)測系統(tǒng)主要采集被測電機的振動參數(shù)和溫度參數(shù)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

分析模塊和監(jiān)測模塊集成在一個系統(tǒng)里，基于Labview的電機故障監(jiān)測系統(tǒng)人機界面運行在移動電腦的Windows操作系統(tǒng)上。被測電機為監(jiān)測系統(tǒng)提供負載。

2 硬件設(shè)計

2.1 分析模塊、監(jiān)測模塊硬件設(shè)計

本文搭建的系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性要求較高，且需保證較高的通信速率與系統(tǒng)魯棒性，所以選用基于Modbus協(xié)議的RS-485通訊總線作為監(jiān)測系統(tǒng)的通信方式。

2.2 采集模塊硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)測試需求需具有485輸出信號、模擬量輸入信號、振動位移信號、溫度信號。因此，選用PT100溫度傳感器，精度等級0.2，可以滿足實驗測量要求。選用振動傳感器為一體化振動變送器HG- ZD-20A，可采集電機振動的位移數(shù)據(jù)以及振速數(shù)據(jù)。采集卡選用亞為YAV 16AD電壓電流模擬量多通道Modbus板卡，具有RS-485接口，可滿足上下兩層設(shè)備的通訊要求。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

電機故障監(jiān)測系統(tǒng)采用RS-485通信總線輸入信號，通過NI-VISA應(yīng)用程序編程接口接收采集板卡的數(shù)據(jù)，便于實驗操作，降低編程難度。

電機故障監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用事件-平鋪-條件架構(gòu)。將采集數(shù)據(jù)加入平鋪結(jié)構(gòu)中，從平鋪結(jié)構(gòu)中按幀獲取數(shù)據(jù)流，并賦值給下一處理模塊。主程序也需要按照下一模塊發(fā)送的指令，來推送對應(yīng)的模擬量數(shù)據(jù)。通訊與數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖2所示。

3.2 通信設(shè)計

電機故障監(jiān)測系統(tǒng)通過RS485串行總線與被測電機進行實時監(jiān)測。其他操作指令在While主循環(huán)內(nèi)通過調(diào)用屬性節(jié)點來接收VISA發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖3所示。

由于采集不同的數(shù)據(jù)在傳輸通道中長度各異，所以為了保證接收數(shù)據(jù)的準確性，需要對通過RS485串行總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行校驗，采用Modbus CRC16校驗方式對采集卡發(fā)送的數(shù)據(jù)進行校驗，其中CRC校驗程序框圖如圖4所示。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于Labview的電機故障監(jiān)測系統(tǒng)是基于2016版Labview圖形編程語言開發(fā)的，用戶界面友好，且具有高可靠性、模塊化等特點。監(jiān)測系統(tǒng)人機界面采用虛擬儀表來表示所測電機的振動、溫度等數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)界面虛擬開關(guān)和儀表旋鈕來進行監(jiān)測操作。對于復(fù)雜的故障仿真過程，采用NI嵌入的分析模式，其中監(jiān)測系統(tǒng)的人機界面如圖5所示。

監(jiān)測系統(tǒng)的四個主要功能模塊：串口通訊設(shè)置、振動與溫度信號采集、采集數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)查詢。各功能模塊及其包含子模塊的功能詳述如下。

串口通訊設(shè)置模塊是監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心，通過RS485串口與被測電機進行實時通信，通過發(fā)送不同的指令來實現(xiàn)移動端對采集卡數(shù)據(jù)的讀取操作。

振動與溫度信號采集模塊是將通訊模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行實時顯示操作，對上一層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進行分流操作，通過對應(yīng)的算法將不同傳感器輸出的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，從而正常顯示對應(yīng)數(shù)值。

采集數(shù)據(jù)分析模塊是針對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行故障仿真操作，該模塊對監(jiān)測的數(shù)據(jù)集進行時頻域轉(zhuǎn)換，然后再對所得信號做功率譜分析[9]。其中，采集數(shù)據(jù)分析前面板如圖6所示。

在實際的應(yīng)用環(huán)境中，對振動數(shù)據(jù)通過截斷信號的方式做譜分析，根據(jù)庫克-杜開法以及維納—辛欽定理，可得隨機信號x（n）的功率譜密度：

[Sx（k）=limN→∞1N|X（k）|2]? ⑴

其原始信號自譜的估計式為：

[Sx（k）=1N|X（k）|2]? ⑵

上述公式中X（k）為頻域分析中對應(yīng)的幅值、N為采集點數(shù)。最終求得的[Sx（k）]為在這一振動區(qū)間內(nèi)的均值。

歷史數(shù)據(jù)查詢模塊主要是監(jiān)測系統(tǒng)檢測完成后，對已輸出的監(jiān)測結(jié)果進行在線顯示。用戶可以根據(jù)具體需求查看歷史監(jiān)測記錄。其中歷史數(shù)據(jù)查詢前面板如圖7所示。

5 系統(tǒng)測試

為了驗證本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)對故障預(yù)測的準確性，選擇采用凱斯西儲大學(xué)（CRWU）的軸承數(shù)據(jù)。進行仿真測試，分別選取三種不同故障類型的數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)詳細內(nèi)容如表1所示。

根據(jù)軸承故障定律可知，軸承的特征頻率估計公式如下。

外圈內(nèi)滾道故障頻率：

[fbpfo=12-Zfi（1-dDcos（α）]? ⑶

滾動體旋轉(zhuǎn)故障頻率：

[fbsf=12d-fiD（1-（dDcos（α））2）]? ⑷

在式⑶、式⑷中，d為滾動體直徑、D為滾動軸承平均直徑、[α]為滾動體徑向接觸角、[fi]為軸承內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動頻率;這些特征頻率都是在滾動體在內(nèi)外滾道內(nèi)只滾動不滑動的理想條件下推算出的。在實際的測算中需要對測量的特征頻率進行一定的修正。

經(jīng)過本文的分析系統(tǒng)，對表1中使用的軸承故障數(shù)據(jù)進行驗證，并從生成的報告中得到相應(yīng)的頻率估計，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示，并與原故障頻率進行比較，本文所設(shè)計的分析系統(tǒng)的準確率在96.8%以上，證明本文的分析系統(tǒng)能夠很好的對電機的機械故障進行預(yù)測。

為了驗證所設(shè)計的基于Labview的電機故障監(jiān)測系統(tǒng)整體運行情況，在上海某電氣廠內(nèi)某型號電機（被測電機）進行實測，其中測試系統(tǒng)現(xiàn)場如圖8所示。

從監(jiān)測系統(tǒng)的實際測試情況看，被測電機無負載，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，經(jīng)過多次測量，并統(tǒng)計所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，所測得電機振動值在0～0.8mm范圍內(nèi)變動，所測得溫度值在45攝氏度后趨于穩(wěn)定，所測參數(shù)的誤差與實際值偏差均控制在合理范圍內(nèi)。監(jiān)測結(jié)果顯示電機運行正常，無故障情況，且RS485通信穩(wěn)定、可靠，滿足監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求。

6 總結(jié)

本文提出的基于Labview的電機故障監(jiān)測系統(tǒng)，一方面結(jié)合硬件，實現(xiàn)了實體連接，另一方面利用Labview軟件平臺，設(shè)計并開發(fā)了監(jiān)測程序。所搭建的系統(tǒng)可通過計算機靈活監(jiān)測電機在運行時的相關(guān)參數(shù)，實時采集振動和溫度變化等數(shù)據(jù)，能滿足電動機故障預(yù)測的要求，且系統(tǒng)運行可靠，可視化程度高。最后通過采用凱斯西儲大學(xué)開放的軸承數(shù)據(jù)，對分析系統(tǒng)進行驗證，證明了該系統(tǒng)可對電機機械故障進行相對準確的判斷，且檢測效率高，勞動強度底，對電機的故障分析具有一定的實用價值。

參考文獻（References）：

[1] 貢俊，陸國林.無刷直流電機在工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].微特電機，2000（5）：15-19

[2] 劉振興，劉小明.直流電動機的故障檢測和診斷技術(shù)綜述[J].防爆電機，2010，45（2）：46-50

[3] 孟東容.振動電機故障診斷研究與應(yīng)用[D].西安建筑科技大學(xué)，2017

[4] Sulochana Wadhwani，S P Gupta，Vinod Kumar. Vibration based Fault Diagnosis of induction Motor[J]. IETE Technical Review，2006，23（3）

[5] 宮文峰，陳輝，張美玲，張澤輝.基于深度學(xué)習(xí)的電機軸承微小故障智能診斷方法[J].儀器儀表學(xué)報，2020，41（1）：195-205

[6] 蔡燕，居春雷，解文龍.基于虛擬儀器的開關(guān)磁阻電機高精度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（4）：6-12

[7] 張丙才，劉琳，高廣峰，趙朋.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號處理[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（12）：74-75

[8] 范春濤，徐城烽，蔣永華，等.基于LabVIEW的電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（7）：114-117

[9] 李蓓蓓.振動分析的有效工具——功率譜密度[J].包裝工程，2004（3）：46-47，50