船舶機艙輔機設備振動監測系統設計

王之民，陳松濤，胡祥平

(鎮江賽爾尼柯自動化有限公司，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

船舶輔機設備運行工況為短時大功率、連續啟停或連續高速運行等，變工況和輔機設備所處的復雜工作環境共同加快了設備磨損，且自身產生并疊加船體振動，易導致設備故障。如不及時排除隱患，將造成輔機設備不可逆的損壞，增加設備額外的維修費用[1]。

受制于國外價格高昂的振動監測系統，船東無法為船舶大面積裝配在線式振動檢測系統，更多采用手持式振動檢測裝置。雖然手持式振動檢測裝置檢測速度快且結果精確，但是完成眾多設備的單次檢測周期仍耗時較長。此外，還因為周期性監測的原因，無法在第一時間檢測到設備故障的發生。

本文基于三軸加速度傳感器模塊設計了振動狀態采集模塊。該模塊在Modbus協議的基礎上結合WPF框架開發上位軟件并根據振動烈度評價標準，實現對船舶輔機設備振動狀態的實時監測，并能夠及時監測到異常振動狀態，從而避免了有害振動對輔機設備造成進一步損害。

1 監控系統總體設計

1.1 系統功能要求

為滿足未來船舶的發展需求，結合中國船級社《智能船舶規范》(2020)，設計了振動監測系統。該系統可實現對輔機振動狀態的實時監測，并將數據存儲進數據庫，以解決傳統檢測方式耗時且無法第一時間發現故障的問題。具體功能包括：

(1)實時振動數據查詢：對于所有被監測的輔機設備，能夠在上位機端實時顯示其振動頻譜與振動烈度評級。

(2)振動異常報警：當輔機設備出現振動異常情況，提示報警，并存儲報警信息。

(3)歷史數據查詢：能夠查詢特定時間段的歷史數據。

(4)手動存儲：針對特定振動狀況能夠手動存儲當前的振動數據。

(5)定時存儲：能夠定時存儲所有監測輔機設備的振動數據。

1.2 系統總體設計

整個系統由振動傳感器模塊、數據采集服務器和上位機3個部分組成。振動傳感器模塊包括加速度傳感器、主控單元和通訊模塊。加速度傳感器采用微機電系統(MEMS)加速度傳感器，通過主控單元將實時數據進行預處理、加窗、快速傅里葉變換后傳輸到數據采集服務器，再由數據采集服務器轉發到上位機。其系統結構框圖見圖1。

2 振動傳感器模塊硬件設計

振動傳感器模塊主要由MEMS傳感器、MCU模塊和通訊模塊共同組成。MEMS振動傳感器具有低功耗、輕質量、高靈敏度、低噪聲值的特點[2]，能夠較好地采集輔機設備的振動信息。本系統設計采用ADIS16227型號的加速度傳感器。該傳感器最大檢測加速度為70g，最大采樣頻率為100.2 kHz。MCU模塊采用STM32F103低功耗ARM微處理器，通過SPI接口與傳感器進行數據通訊。

圖1 系統結構圖

3 振動信號處理

船舶輔機設備健康評估通常采用振動速度作為判斷依據。在實際工程中，受到傳感器的制約，大多數情況下只能得到振動加速度信號。本文從傳感器讀取加速度信號后進行積分處理得出速度信號。對于積分方式，主要有時域積分和頻域積分2種[3]。

3.1 時域積分

從傳感器得到的振動加速度信號，即時域加速度信號序列為

a=a(k)，k=1,2,…，N

式中：a為加速度信號序列；k為某一個點的采樣序號；N為采樣點數。

加速度信號包含了傳感器噪聲和直流分量，需對原始數據進行零均值處理，消除趨勢項，則有如下公式：

根據梯形積分法[4]，對應速度時域序列為

式中：v(k)為時域速度序列；Δt為采樣間隔。

3.2 頻域積分

頻域積分原理主要利用傅里葉變換的積分原理，對去除趨勢項的加速度信號a′進行傅里葉變換，同時為了減小頻譜泄露加入漢寧窗得到：

式中：A(k)為經處理后時域加速度信號傅里葉變換序列；w(n)為漢寧窗序列；a′(n)為時域加速度值；j為虛數單位[5]；n為某一個點的采樣序號。

根據頻域積分定理，則速度頻譜為

式中：V(k)為速度頻譜序列；A(k)為加速度頻譜序列；fs為采樣頻率；j為虛數單位。

3.3 仿真對比

為了對比2種方法的優劣，假設加速度信號為

a=100πcos 100πt-200πsin 60πt+

300πsin 300πt+μ

式中：μ為隨機噪聲。

設定采樣頻率為1 566 Hz，采樣點數為512。利用時域和頻域2種積分方式得到的速度波形對比結果見圖2。圖中，橫坐標t為采樣時間，縱坐標v為速度值。

圖2 2種積分方式對比圖

采用平均峰值誤差作為評價標準，時域積分平均峰值誤差為36.50%，頻域積分平均峰值誤差為5.62%。從圖2可以看出，時域積分誤差較大，并且出現明顯偏移。在實際開發中使用頻域積分方法，可以避免出現原理性偏移的現象。

3.4 振動烈度計算

振動烈度定義為某一頻率范圍內振動速度的均方根值，能夠反映一臺機械設備的振動狀態。根據上節結果，本設計采取頻域積分的方式計算振動烈度。速度頻譜為

式中：W(k)為圓周序列。

由于加窗會對加速度信號的幅值譜產生影響，需要加入恢復系數K[6]。本設計中窗函數為漢寧窗，所以K=2.667。則振動速度有效值為

式中：Vrms為振動速度有效值。

本設計采用的三軸加速度傳感器能夠采集3個分量上的振動信號，根據《船舶機艙輔機振動烈度的測量和評價》，最終輔機設備的振動烈度Vs為

式中：Vs為輔機設備振動烈度值；Vxrms、Vyrms、Vzrms分別為3個互相垂直方向上的振動速度均方根值。振動烈度計算流程見圖3。

圖3 振動烈度計算流程

4 上位機開發

開發基于WPF框架的船舶輔機設備振動監測軟件，其核心程序包括振動數據讀取、振動烈度計算和數據存儲。數據讀取采用定時讀取方式，上位機通過標準ModbusTcp協議從數據采集服務器讀取振動加速度數據，并進行振動烈度計算。由于振動監測數據量大，因此對數據庫存儲和管理要求較高。根據單次采集三軸振動數據量，定時存儲時間設置為10 min，同時可以通過手動存儲按鈕進行數據主動保存。采用MySQL數據庫，根據日期+設備名的方式創建表，按照時間、振動烈度值、時域數據等不同參數創建列。上位機軟件可以指定時間段查詢歷史數據，并可將查詢結果導出至EXCEL。

5 結論

(1)本文振動監測系統利用傅里葉變換中頻域積分的原理，得出加速度與速度之間的轉換關系。

(2)利用成熟的Modbus協議與配套開發的上位機系統，實現了振動數據的采集、顯示與存儲，克服了傳統監測方式中無法第一時間監測到設備異常振動的問題，同時為設備振動分析提供數據依據。

本系統在“中華復興”號客滾船一段時間的運行使用，驗證了檢測系統的穩定可靠，有效地提高了管理人員對機艙設備的管理能力，減少了因設備異常故障所造成的損失。