基于PDA的旋转机械状态监测与故障诊断系统的研究与开发

Author(s):
社长 彭 - 西安交通大学
天伟 马 - 西安交通大学

Industry:

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, Academic Products

The Challenge:
石化、钢铁等行业中，旋转机械应用广泛、分布范围宽，需要对其运行状态进行监测。传统的手持式数采仪虽携带方便，却功能有限不能满足功能需求；而工控机加数采卡系统虽满足需求，但价格昂贵，体积庞大。因此需要开发轻巧灵便、功能强大且可以广泛应用的新一代监测仪器以满足应用需求。而如何利用日趋成熟的体积小、速度快的PDA 实现这一目标成为巨大的挑战。

The Solution:
基于PDA平台，以NI 公司的CF-6004用于PDA的CompactFlash数据采集卡配合相应的调理电路为硬件设备，以NI公司的LabVIEW 7.1 PDA Module加上数据库工具包为软件平台，设计开发一套基于PDA的具有采集监测、分析功能的便携式旋转机械状态监测与故障诊断系统，可应用于透平压缩机组等大型旋转机械的状态监测。该系统通过机组振动位移信号的采集和精密分析可以有效识别出转子不对中、碰磨、不平衡等典型故障。

一、系统概述

本系统主要包括设备标识、采集监测、同步通讯以及数据管理与诊断四个模块，如图1所示。

图1 系统功能框图

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设备标识模块：工业现场中，大量的旋转机械设备分散于不同的车间厂房之中，为企业的设备监测管理人员带来诸多不便。为此本系统采用设备电子标签识别技术来自动识别设备。（设备电子标签又称为设备电子标识，安装在设备表面上，拥有全球唯一的识别号码和存储设备相关信息。）

采集监测模块：在设备标识模块正确识别设备的前提下，采集监测模块按照任务，对设备运行振动信号及转速等信息进行采集及监测，并进行简单分析处理。

同步通讯模块：该模块实现采集任务的同步通讯及数据存储，即PDA获取采集任务，上位机回收PDA采集的数据。

数据管理与诊断模块：包括数据库创建与维护、采集计划制定，对所回收数据进行信号分析，自动识别回转机械各种典型故障，自动生成分析报告。

 

二、系统设计与实现

1. 系统硬件设备

由图2（系统硬件结构图）可以看出，系统硬件主要包括电子标签、传感器、信号调理板、采集卡、PDA、通讯设备及上位机几个部分。

图2 系统硬件结构图

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电子标签采用达拉斯半导体公司生产的信息纽扣iButton (information button)，由16个字符组成的字符串来标识各个设备。

传感器用来获取设备物理状态信息，包括两路振动信号（通常取同一截面两相互垂直测点）和一路转轴回转速度信号。

信号调理板是根据需求自行设计的，用来对传感器信号隔值、放大、滤波并对转速通道的占空比进行调整。在信号调理板上设计了一块8051f200单片机用来读取电子标签编码，然后再通过NI CF-6004的4根I/O线（高两位为握手线，低两位为数据线）将电子标签信息读取到PDA中，如图3所示。

图3 电子标签信息读取过程

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采集卡采用NI公司CF-6004 数据采集卡，其大小仅16平方厘米，略大于标准邮戳，是一个外形小巧却功能强大的掌上型数据采集平台。它能以200 kS/s 单通道速率，或4通道132 kS/s总采样速率进行14位分辨率的数据采集，通过PDA中常见的Type II CF（CompactFlash）插槽实现与PDA的连接。4条LVTTL/LVCMOS 数字I/O线，可实现触发采集等控制功能。不论是与多种掌上仪器合并使用，还是用户定义的掌上型数据采集、分析和无线通讯，NI CF-6004数据采集卡都是便携式应用的理想选择。结合LabVIEW PDA软件模块和NI-DAQmx Base 驱动程序，就能方便快捷地创建个性化的掌上测量系统。

PDA选取HP-iPAQ-hx系列PocketPC，主频624MHz，RAM和ROM为128M，Windows Mobile 2003 Second Editon操作系统，支持CF II型插槽，内置无线网卡，满足采集监测及软件开发环境的需求。

通讯设备根据数据传输方式不同采用相应的硬件设备。USB传输方式直接使用USB数据线进行数据传输，简单易行，即插即用；无线网络传输方式则依靠交换机、无线路由器和无线AP，从以太网中架构出Infrastructure结构的无线局域网络WLan，具有随时随地传输数据能力。

上位机可以是运行有振动信号诊断以及数据管理软件且内置无线网卡的笔记本电脑或PC机。

2. PDA采集监测模块

本系统运用虚拟仪器的思想，以NI LabVIEW 7.1 for PDA Module为平台，依靠LabVIEW提供的动态调用接口，配以EVC开发的操作SQL Mobile数据库的动态链接库，设计开发PDA采集监测模块，用户界面良好、通用性高、可扩展和可维护性强。其结构如图4所示

PDA采集监测模块主要包括监测采集和数据分析两个主要部分。

图4  PDA采集监测模块结构图

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监测采集对传感器拾取的设备运行状态信息进行实时监测，包括参数设置（传感器参数、通道增益及采样频率和采样长度的设置）、数据波形显示、参数监测（转速和位移信号峰值）、数据存储等功能。

数据分析是对监测采集模块保存入库的数据进行回放和初步分析，保证现场工作人员在第一次时间获取设备故障信息。对测点有FFT分析，对截面有轴心轨迹分析（本系统的所有测点都以截面命名，即截面下可有单测点、双测点和无测点三种情况）。

该模块运行界面如图5、6、7和8 所示。

图5 选择待测截面面板

图6 数据采集面板

图7 测点FFT分析

图8 截面轴心轨迹分析

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3. 上位机软件设计与实现

上位机软件以数据库为核心，实现数据管理与诊断、采集监测、同步通讯模块的相互关联。利用虚拟仪器技术的分层次模块化思想，将所需功能分解为一系列由子VI实现的子功能，所有子VI集成在一起构成一套完整的系统。主体程序通过图形用户界面，利用LabVIEW及其工具包开发实现，辅助相应动态库实现系统全部功能。其整体构架如图9所示。

图9 上位机软件结构图

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根据实际需求，上位机软件分为若干层次。第一层包括：数据库维护工具、数据源配置、下达采集任务、回收采集信息及振动信号分析等，分别完成数据库生成与维护、数据源关联、数据同步通讯及振动信号分析功能，本层次面板如图10所示。

图10 上位机软件主界面

图11 系统振动信号分析方法

图12数据查询界面

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其中振动信号分析进一步分解为若干第二层子VI，部分方法又包含了若干第三层子VI（如图11所示）。这样，通过对各个特定功能的子VI的调用，实现了具备完整旋转机械故障分析功能的虚拟仪器系统，有效地提高了机组故障诊断的效率和准确性。

在振动信号分析中（如图12所示），系统依据不同的条件从数据库中查询出相应的数据和采样信息，并根据旋转机械故障诊断的实际需要，提供图11中四类分析方法。

测点分析主要用于处理单通道信号，包括细化谱分析、时频分析和小波分析。

截面分析是机组分析的主要手段，它以机组截面中相互垂直安装的双传感器信号为基础，提供了一套包括全息谱分析、轴心轨迹分析（动态轴心轨迹、提纯轴心轨迹和滤波轴心轨迹）、复谱轴谱在内的全息分析方法。

趋势分析旨在反应机组运行的历史信息。

自动诊断采用神经网络技术，可快速识别机组的常见故障，为机组故障诊断提供有力的支持。

此外，每一分析方法都提供了报告生成功能，把分析界面中的图形以及信号的测量信息、附注信息和分析参数保存到一个RTF文件中，以便用户直接打印或进一步处理。

4. 全息谱分析方法

本系统开创性的运用西安交通大学屈梁生院士提出的全息谱分析方法，弥补了传统的谱分析方法在机组监测和诊断中存在的严重不足：

(1)     使振动信号的幅值和相位分离

(2)    不能给出转子在一个支承截面中垂直和水平两个方向振动之间的相互关系

事实上，这两方向振动关联密切，孤立地分析任意一方向振动，都不能了解转子振动全貌。本系统的全息谱分析能综合同一截面的幅值、相位和频率信息，真正反映机组的振动状态。把同一截面内的水平和垂直两个方向振动信号的各倍频和分倍频幅值、频率、相位分别叠加起来，形成称之为全息谱的直线、圆或椭圆等形状，从而得到转子振动在8倍频以内的各阶倍频和各主要分倍频下的旋转方向、大小、形状以及各倍频之间的相互关系等需要的转子振动信息，作为故障诊断的重要依据。其面板如图13所示。

图13 全息谱分析面板

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三、总结与展望

本系统以NI LabVIEW PDA Module为基础，应用目前领先的嵌入式技术，结合NI公司的虚拟仪器思想，以LabVIEW的模块化的编程结构开发了基于PDA的掌上旋转机械监测诊断系统。本系统采用掌上设备PDA作为统一的硬件平台，实现了开发平台的软硬件统一，使开发更规范、更标准，降低了成本、缩短了开发周期，并且具有良好的可扩展性。

本套系统已经在实际工业、企业中使用，系统运行稳定、监测模块灵活方便、通讯模块安全可靠、诊断模块功能强大，很好地满足了工业现场分散的旋转机械运行状态监测与诊断的需求，提高了生产力。

NI LabVIEW PDA技术提供了适用于用户定义的便携式解决方案的工具，应用前景广阔，包括现场测试系统，远程控制和监测系统以及便携式数据采集系统。同时配备的NI DAQmx Base驱动程序，能支持多种NI的数据采集卡，从而方便用户设计不同需求的测试方案。本文采用的技术思想和系统架构完全适用于其他相关的应用背景。

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社长 彭
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