面向工程教育認(rèn)證的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

竇東陽(yáng)，王艷飛，何 敏，王啟立，李小川

面向工程教育認(rèn)證的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

竇東陽(yáng)1,2，王艷飛1,2，何 敏1,2，王啟立1,2，李小川1,2

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭潔凈加工與高效轉(zhuǎn)化國(guó)家實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)示范中心，江蘇 徐州 221116）

為培養(yǎng)本科生創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力，達(dá)到工程教育認(rèn)證中“具備解決復(fù)雜工程問題”的畢業(yè)要求，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)設(shè)備多樣化，設(shè)計(jì)了基于組態(tài)軟件和LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足過程控制相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)與創(chuàng)新拓展訓(xùn)練，取得了較好的應(yīng)用效果。

工程教育認(rèn)證；故障診斷；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；教學(xué)改革

2016年6月2日，我國(guó)順利成為《華盛頓協(xié)議》正式會(huì)員，標(biāo)志著我國(guó)開始從工程教育大國(guó)向工程教育強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。近年來(lái)，我國(guó)工程教育認(rèn)證體系呈現(xiàn)出積極、顯著的進(jìn)步，越來(lái)越多的高校認(rèn)可和實(shí)踐以“學(xué)生中心”“成效導(dǎo)向”“持續(xù)改進(jìn)教育質(zhì)量”的保障理念。然而，目前高校培養(yǎng)的工程人才與市場(chǎng)期望尚有一定差距，究其根本就是“學(xué)生中心”和“成效導(dǎo)向”貫徹不透徹，課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)脫鉤。主要問題包括實(shí)驗(yàn)設(shè)施比較陳舊、脫離工程背景、滯后于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展，各廠家實(shí)驗(yàn)設(shè)備大同小異，功能單一，缺乏多樣性和靈活性，大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)備，綜合設(shè)計(jì)和研究性目的考慮不周，很難為創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練提供有效支持等。

隨著工程教育認(rèn)證的興起，國(guó)內(nèi)一些高校正在逐步正視這些問題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法完善等方面進(jìn)行了不少探索與實(shí)踐，取得了顯著的成效[1-7]，但在實(shí)驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)方面，目前來(lái)看涉及還 不多。

在長(zhǎng)期的本科教學(xué)過程中，以及指導(dǎo)學(xué)生完成各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐能力，最有效的途徑之一是因地制宜，自制儀器設(shè)備，通過研發(fā)貼近行業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提供靈活多樣的實(shí)驗(yàn)拓展形式，不但有利于課程知識(shí)的融會(huì)貫通，使學(xué)生具備綜合利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，還能結(jié)合行業(yè)特色，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和工程意識(shí)，真正達(dá)到“學(xué)生中心”和“成效導(dǎo)向”的目的[8-10]。

本文以化工、冶金、電力等流程工業(yè)中常見的旋轉(zhuǎn)機(jī)械類（如泵、透平壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、減速器等）典型故障為背景，結(jié)合我校過程裝備與控制工程專業(yè)工程教育認(rèn)證的成功經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于LabVIEW和組態(tài)軟件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷開放式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過豐富靈活的工具包和開放式的組態(tài)功能，為本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課外實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)服務(wù)，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新水平。

1 系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)方案

以QPZZ-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、三容水箱等現(xiàn)有設(shè)備[11]為基礎(chǔ)，結(jié)合認(rèn)識(shí)、生產(chǎn)、畢業(yè)三大實(shí)習(xí)實(shí)地考察，模擬流程工業(yè)中的各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型故障和過程監(jiān)控使監(jiān)測(cè)與故障診斷的要求與現(xiàn)場(chǎng)一致。從培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)械、電氣、控制等多學(xué)科知識(shí)的角度出發(fā)，采用虛擬實(shí)驗(yàn)和全組態(tài)化思想，建立監(jiān)控與故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括測(cè)量傳感器、信息采集、功能組態(tài)等多個(gè)模塊。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件組態(tài)設(shè)計(jì)、擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)，總體方案如圖1所示。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景下達(dá)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，以現(xiàn)有的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬，在傳感器組合包里選擇合適的傳感器，連接信號(hào)采集設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上的組態(tài)軟件和LabVIEW按需組態(tài)，完成諸如監(jiān)控界面開發(fā)、報(bào)警與事故處理、信號(hào)分析、故障診斷等不同的訓(xùn)練，預(yù)留接口還能完成數(shù)據(jù)通信、輸入輸出拓展、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等任務(wù)，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)軸系故障的信號(hào)采集、處理、特征提取與故障診斷，通過調(diào)整QPZZ-Ⅱ型試驗(yàn)臺(tái)配重盤配重模擬軸不平衡，通過調(diào)整軸支撐座角度模擬軸不對(duì)中等，能夠一定程度再現(xiàn)諸如電廠軸系等常見的故障；

（2）實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障的信號(hào)采集、處理、特征提取與故障診斷，通過更換QPZZ-Ⅱ型試驗(yàn)臺(tái)軸承座內(nèi)不同故障類型軸承，能夠模擬諸如化工廠渣漿泵等常見的軸承故障；

（3）實(shí)現(xiàn)齒輪故障的信號(hào)采集、處理、特征提取與故障診斷，通過更換QPZZ-Ⅱ型試驗(yàn)臺(tái)齒輪箱內(nèi)不同故障類型齒輪，能夠模擬諸如機(jī)械傳動(dòng)裝置等常見的故障；

（4）實(shí)現(xiàn)以上各場(chǎng)合人機(jī)監(jiān)控界面的組態(tài)，利用組態(tài)軟件對(duì)常見的非振動(dòng)信號(hào)，如壓力、溫度、流量等進(jìn)行采集、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警等；

（5）實(shí)現(xiàn)不同故障診斷方法及功能的組態(tài)，利用LabVIEW構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)分析平臺(tái)；

（6）設(shè)置可擴(kuò)展的接口，為多樣化的創(chuàng)新訓(xùn)練提供支撐平臺(tái)。

該系統(tǒng)的實(shí)踐分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)型和創(chuàng)新訓(xùn)練型兩大類，前者以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，讓學(xué)生利用教師已經(jīng)完成的標(biāo)準(zhǔn)軟件重復(fù)各種實(shí)驗(yàn)（即開展常見的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，限于篇幅不再贅述）；后者由學(xué)生根據(jù)應(yīng)用背景，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，全流程參與方案設(shè)計(jì)，模擬現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)工作或提供創(chuàng)新平臺(tái)，自由探索解決途徑，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜問題的能力。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器、信號(hào)采集設(shè)備、控制模塊、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等，而故障模擬試驗(yàn)臺(tái)則采用現(xiàn)有江蘇千鵬公司的設(shè)備。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要和工控領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，遵循以下原則：（1）滿足系統(tǒng)技術(shù)需求；（2）選擇主流、性價(jià)比高的產(chǎn)品；（3）通用性好，有利于拓展。

可選傳感器包提供一般工業(yè)上常見的物理量檢測(cè)器件，由于機(jī)械故障大多數(shù)表征為振動(dòng)異常，因此提供振動(dòng)位移傳感器、振動(dòng)速度傳感器和振動(dòng)加速度傳感器來(lái)檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，其他則包括流量傳感器（如測(cè)量泵流量）、溫度傳感器（如測(cè)量軸溫）和壓力傳感器（如測(cè)量壓縮機(jī)出口壓力）；信號(hào)采集主要采集振動(dòng)信號(hào)，提供采集板卡和信號(hào)調(diào)理儀；控制模塊包括模擬量輸入模塊（采集非振動(dòng)信號(hào)）、模擬量輸出模塊（如控制閥的開度）、開關(guān)量輸入輸出模塊（如系統(tǒng)停車信號(hào)）、通信模塊（如以太網(wǎng)、RS485）等，監(jiān)控計(jì)算機(jī)則是常見的工控機(jī)。

硬件設(shè)計(jì)主要鍛煉學(xué)生傳感器選型、信號(hào)采集、系統(tǒng)搭建、過程控制和信息通信方面的能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括組態(tài)軟件、LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)諸如編制設(shè)備監(jiān)控、報(bào)警界面、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)交互管理、搭建可視化的故障信號(hào)分析和診斷軟件等功能。組態(tài)軟件提供國(guó)內(nèi)主流的如MCGS、組態(tài)王、WinCC等，主要鍛煉學(xué)生人機(jī)交互（界面設(shè)計(jì)）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和流程管理方面的能力。LabVIEW通過軟件虛擬硬件系統(tǒng)，通過不同的附加工具包，可方便地模擬各種分析儀器儀表及運(yùn)算，具體實(shí)現(xiàn)如數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、頻譜分析、時(shí)頻與小波分析、聲音與振動(dòng)處理、階次分析、圖像處理、時(shí)間序列分析、故障模式識(shí)別等各項(xiàng)功能[12-13]。這里主要利用其靈活、開放、低成本的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生信號(hào)處理、信號(hào)分析與故障診斷方面的能力。

4 實(shí)踐案例與效果

以我校過程裝備與控制工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)為例，背景為焦?fàn)t煤氣中的粗苯回收工藝，涉及工段為終冷洗苯段和粗苯蒸餾段這兩個(gè)工段，該設(shè)計(jì)是團(tuán)隊(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的一部分，其他部分包括工藝、設(shè)備和參數(shù)監(jiān)控幾大塊。通過畢業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)地深入察看，在整個(gè)焦?fàn)t煤氣的粗苯回收工藝中主要使用到12臺(tái)離心泵，作為關(guān)鍵性動(dòng)力設(shè)備，一旦意外停機(jī)，將會(huì)造成生產(chǎn)中斷，導(dǎo)致事故和損失。設(shè)計(jì)任務(wù)是模擬對(duì)泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并故障診斷。利用該系統(tǒng)能夠解決以往此類畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)具體對(duì)象、不系統(tǒng)及無(wú)法檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果的難題。主要硬件選型以一臺(tái)離心泵為例，如表1所示。

表1 離心泵測(cè)量硬件選型表

表1中，非振動(dòng)類傳感器通過模擬量采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊與計(jì)算機(jī)連接，采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)（部分界面），如圖2和圖3所示，數(shù)據(jù)來(lái)源于組態(tài)軟件自帶的數(shù)據(jù)發(fā)生器，如果泵軸承體溫度超過95 ℃時(shí)，初步判斷為泵故障，此時(shí)調(diào)用振動(dòng)分析軟件進(jìn)行精密診斷。

振動(dòng)類信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理儀和采集卡與計(jì)算機(jī)連接，采用LabVIEW開發(fā)的分析診斷系統(tǒng)共有“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”“時(shí)域分析”“頻域分析”“離散小波分析”和“幫助”這5個(gè)模塊。其中，“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”界面可顯示對(duì)應(yīng)泵振動(dòng)信號(hào)波形圖、頻譜圖和軸心軌跡圖，采集的原始信號(hào)的軸心軌跡如圖4所示?！皶r(shí)域分析”界面顯示泵振動(dòng)特征值，如峰峰值、均方根值、峭度等以及波性指標(biāo)、裕度指標(biāo)等，如圖5所示，可進(jìn)一步結(jié)合相關(guān)規(guī)律確認(rèn)有無(wú)故障，是否是虛警。圖5中峭度指標(biāo)遠(yuǎn)超正常值（3左右），可以確認(rèn)軸承存在沖擊性振動(dòng)；“頻域分析”提供幅值譜、倒頻譜和包絡(luò)譜分析，如圖6所示，可進(jìn)一步根據(jù)故障特征頻率識(shí)別故障位置和類型。圖6中，最大幅值出現(xiàn)在20 Hz和135 Hz左右，分別對(duì)應(yīng)工頻和軸承外圈特征頻率，因此初步判斷為泵軸不平衡和軸承外圈故障。

圖2 終冷洗苯工藝組態(tài)界面

圖3 輕質(zhì)焦油泵數(shù)據(jù)顯示組態(tài)界面

圖4 軸心軌跡界面

圖5 時(shí)域分析界面

圖6 包絡(luò)譜界面

結(jié)合開放式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過學(xué)生全程參與設(shè)計(jì)，一切從實(shí)際出發(fā)，以設(shè)計(jì)成果為導(dǎo)向，鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際復(fù)雜問題的能力，取得了良好的效果。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)“624 KNm3/d焦?fàn)t煤氣粗苯回收工段裝備與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)——離心泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)”獲得2015年江蘇省優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)，同時(shí)，還為本專業(yè)各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃提供了平臺(tái)。該系統(tǒng)的投入使用對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、科技論文撰寫能力和專利申請(qǐng)能力等均起到了很好的促進(jìn)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和上述綜合實(shí)踐活動(dòng)等基本環(huán)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能滿足機(jī)械、控制、化工等多學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)與創(chuàng)新拓展訓(xùn)練，具有開放、靈活、配置豐富、貼近現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，瞄準(zhǔn)《華盛頓協(xié)議》中的通用畢業(yè)要求，加強(qiáng)學(xué)生的工程概念，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)，以企業(yè)對(duì)學(xué)生技能的實(shí)際需求為導(dǎo)向，體現(xiàn)了工程教育認(rèn)證中“學(xué)生中心”和“成效導(dǎo)向”的思想。能夠有效地完成自動(dòng)化、儀器儀表、故障診斷、信號(hào)處理、流體機(jī)械等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐任務(wù)，能夠?qū)⒄n堂理論教學(xué)與工程實(shí)踐緊密銜接，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升和學(xué)生解決復(fù)雜問題能力的培養(yǎng)，保障了畢業(yè)要求中解決復(fù)雜問題能力的達(dá)成。

[1] 王啟立，竇東陽(yáng)，李小川，等.實(shí)驗(yàn)用通風(fēng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016, 33(3): 78–81.

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R&D of experimental condition monitoring and fault diagnosis system of rotating machinery for engineering education accreditation

DOU Dongyang1,2, WANG Yanfei1,2, HE Min1,2, WANG Qili1,2, LI Xiaochuan1,2

(1. School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Clean Coal Processing and High Efficiency Transformation, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In order to cultivate undergraduates’ innovative thinking and engineering practice ability, reach the graduation requirements of “Having the ability to solve complex engineering problems” in engineering education accreditation and push forward the reform of experimental teaching and diversification of experimental equipment, an experimental system for condition monitoring and fault diagnosis of rotating machinery based on configuration software and LabVIEW is designed. This system can satisfy the experimental teaching task and innovative development training of process control related majors and achieves good application effect.

engineering education accreditation; fault diagnosis; experimental system; teaching reform

TP273; G642.0

A

1002-4956(2019)07-0029-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.008

2018-12-06

江蘇省高等教育教改研究課題（2017JSJG122）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目（2018ZX08，2016JPPY03）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2017JXTD02）

竇東陽(yáng)（1983—），男，江蘇揚(yáng)州，博士，副教授，系副主任，主要從事過程裝備與控制工程的教學(xué)與科研.E-mail: ddy41@cumt.edu.cn