旋轉機械設備運行狀態遠程監測系統研究與開發*

王之宏, 范玉剛, 馮 早

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.云南省礦物管道輸送工程技術研究中心，云南 昆明 650500)

旋轉機械設備運行狀態遠程監測系統研究與開發*

王之宏1,2, 范玉剛1,2, 馮 早1,2

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.云南省礦物管道輸送工程技術研究中心，云南 昆明 650500)

設計開發了一種旋轉機械設備運行狀態遠程監測系統，對旋轉機械設備的振動信號進行采集，將采集的振動數據通過以太網模塊傳輸至路由器，再通過因特網傳輸至上位機。上位機采用固有時間尺度分解(ITD)方法對振動信號進行分解，對分解后的固有旋轉(PR)分量繪制Teager能量譜，提取旋轉機械設備振動信號的幅頻特性。系統可實現振動信號的采集、傳輸及存儲，實驗表明：ITD結合Teager能量算子的方法可有效地檢測出振動信號的幅頻特性。

旋轉機械； 以太網； 遠程監測； 固有時間尺度分解； Teager能量算子

0 引 言

旋轉機械設備廣泛應用于工業生產的眾多領域，一旦發生故障將帶來巨大的人員傷亡和經濟損失，若能準確及時地識別設備運行過程中故障的萌生和演變，對保障機械系統安全運行，減少或避免重大災難性事故具有非常重要的意義[1]。因此，對旋轉機械設備的運行狀態監測就顯得尤為重要。

本文開發了一種旋轉機械設備運行狀態遠程監測系統。首先，通過I2C通信接口將傳感器采集的數字量的振動信號傳輸到微處理器STM32。其次，采用SPI全雙工、同步通信方式，使STM32控制以太網模塊傳輸振動數據至路由器，進而通過因特網傳輸到服務器，在服務器中通過固有時間尺度分解(intrinsic time scale decomposition，ITD)方法對振動信號進行分析，得到一系列的固有旋轉(proper rotation，PR)分量， 采用Teager能量算子分析PR分量，并繪制Teager能量譜，從而檢測振動信號的幅頻特性，最終實現了對于旋轉機械設備運行狀態的遠程監測。系統通過因特網對振動信號進行遠程分析，實現設備運行狀態的遠程監測，從而解決了常設專業的技術人員滯留現場監測設備的困境。

1 振動信號采集與遠程傳輸

系統結構如圖1所示。微處理器選用STM32F103ZET6[2],具有性價比高、處理速度快、性能穩定、功耗低、外圍電路設計簡單等優點，廣泛應用于各種嵌入式場合[3]。

圖1 系統結構

1.1 振動信號采集

振動信號的采集通過運動傳感器MPU—6050[4]內部的三軸MEMS加速度計完成。加速度計的可測范圍為2gn，采樣頻率為1 kHz，由于其內部集成了低通濾波器和3個16位的ADC，因此，可以將采集的振動信號進行濾波和模/數轉換，實現數字信號的輸出。同時其片內的1 024 kB FIFO使傳感器處于實時采集狀態，因此,直接通過I2C接口即可將采集的振動信號數字量傳輸到微處理器。MPU—6050接口電路如圖 2所示。

圖2 MPU—6050接口電路

1.2 振動數據傳輸

采用ENC28J60作為以太網控制器，ENC28J60采用LWIP通信協議，是一種小型無源的TCP/IP協議棧，對運行條件沒有過多要求，有無操作系統均可使用，在保證了TCP主要功能的基礎上減少了對系統RAM的占用。ENC28J60通過一系列包過濾機制和內部提供的DMA模塊，對傳入數據包進行限制，并實現快速數據吞吐和硬件支持的IP校驗和計算。其中SPI_MISO/SPI_MOSI/SPI_SCK/NET_REST/NET_INT/NET_CS實現通信，通信數據傳輸的速率可達到10 MB/s。以太網傳輸距離遠且利于上位機交互[5]。ENC28J60模塊接口電路如圖3所示。

圖3 ENC28J60模塊接口電路

2 振動信號接收與分析

2.1 振動信號接收

振動信號的接收根據以太網通信協議開發了一個服務器，完成與STM32作為客戶端的實時雙工通信，實現對振動信號的接收與轉存。

上位機的服務器通過參數設置(IP地址和端口配置等)完成與客戶端的通信綁定，實現信息的交互。將接收到的振動信號以.txt文件的存儲格式轉存到上位機的目標文件中，為分析振動信號做準備。系統結構如圖1，上位機服務器接收界面如圖4所示。

圖4 上位機服務器接收界面

2.2 振動信號ITD[6，7]

對于待分解的振動信號Xt有其極值點Xk。定義L為其基線提取算子，Lt為基線分量，Ht為固有旋轉量。ITD算法計算步驟如下[8，9]：

1)提取Xt序列的極值點Xk和對應時間{τk,k=1,2,…,N}，并定義τ0=0。

在區間(τk,τk+2]定義分段線性基線提取算子L為

(1)

式中t∈(τk+1],定義Lk+1為

(2)

式中α為線性縮放因子，用于調節提取固有旋轉分量的幅度，α∈[0,1]，通常取值為0.5。

2)利用步驟(1)中計算出的基線信號Lt=LXt，按照式(3)提取出固有旋轉分量Ht為

Xt=LXt+(1-L)Xt=Lt+Ht

(3)

式中Ht=(1-L)Xt為所求固有旋轉分量。

3)將基線信號Lt作為下一次分解的輸入信號重復步驟(1)、步驟(2)，分解終止的條件為Lt變得單調或者小于某個預設值。

經過ITD算法后原信號Xt被分解為多個PR分量和一個單調趨勢分量，且這些PR分量的頻率依次從高到低[10]。

2.3 振動信號Teager能量譜[11，12]

對于連續的信號Xt，Teager能量算子記為ψ，則Teager能量算子可以定義為

ψ[X(t)]=[(t)]2-X(t)(t)

(4)

式中Xt為振動信號；t和t分別為振動信號的一階和二階導數。

對于離散的信號Xn，用差分替代微分，Teager能量算子可定義為

ψ[X(n)]=[X(n)]2-X(n+1)X(n-1)

(5)

由式(5)可知對于離散時間信號，計算某一瞬時時刻的Teager能量算子只需要當前時刻和前、后各一個時刻的樣本值，以適應信號的瞬時變化[13]。將經過ITD分解后的PR分量送入Teager能量算子中進行處理，通過繪制的Teager能量譜能夠有效地提取振動信號幅頻特性。

首先，對系統進行初始化并開啟以太網；其次，傳感器采集、轉換數據并傳輸至STM32；再次，STM32與服務器綁定通信連接 并進行振動信號的遠程傳輸，服務器完成接收數據；最后，在服務器上對振動信號進行分析，提取振動信號的幅頻特性。系統流程如圖5所示。

圖5 系統流程

3 實驗測試與仿真分析

為了驗證系統的有效性，實驗以陽春水泵1ZDB—35作為監測對象，額定功率為0.37 kW，電機的轉速為2 850 r/min，采樣頻率為1 kHz。采用設計的遠程監測系統對設備的外圈進行振動信號的采集與遠程傳輸、接收與分析。

對振動信號進行分析,得到圖6所示的外圈振動信號波形，圖7為振動信號ITD圖，圖8為外圈Teager能量譜，實現了對振動信號的幅頻特性的提取。

圖6 外圈振動信號波形

圖7 振動信號ITD

圖8 外圈Teager能量譜

4 結 論

設計了旋轉機械設備運行狀態的遠程監測系統，對振動信號進行采集，并將振動數據通過以太網模塊傳輸到路由器，進而通過因特網傳輸至服務器。服務器對振動信號分析，提取信號的幅頻特性。實驗證明：系統能夠實現振動信號的采集和遠程傳輸，ITD結合Teager能量算子的方法可有效地檢測出振動信號的幅頻特性，從而實現對旋轉機械設備運行狀態的遠程監測。

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Research and development of remote monitoring system of running status of rotating machinery*

WANG Zhi-hong1,2, FAN Yu-gang1,2, FENG Zao1,2

(1.Faculty of Information Engineering & Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.Engineering Research Center for Mineral Pipeline Transportation,Kunming 650500,China)

A kind of remote monitoring system is designed and developed.This system collects vibrating signals generated by rotating machinery,and transmits to router by Ethernet module,and then transmits to upper computer through Internet.The intrinsic time scale decomposition(ITD)is introduced to decompose the collected vibrating signals on upper PC,so that the Teager energy spectrum can be drawn through proper rotation(PR)components,from which the characteristics of vibrating signal of rotating machinery can be extracted.This system is capable of collecting,transfmitting and storage of the vibrating signals,experimental results indicate that the method of ITD combining with Teager energy operator can effectively detect and amplitude frequency characteristics of vibrating signals.

rotating machinery; Ethernet; remote monitoring; intrinsic time scale decomposition(ITD); Teager energy operator

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0088—03

2016—09—23

國家自然科學基金資助項目(61563024，51169007)； 云南省中青年學術和技術帶頭人后備人才培養計劃項目(2011CI017)

TH 165.3

A

1000—9787(2017)09—0088—03

王之宏(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為信號處理、模式識別、機械故障診斷、嵌入式。

范玉剛(1973-)，男，博士，副教授，主要研究方向為基于機器學習的智能信息處理、機械故障診斷、模式識別、數據挖掘。