一種旋轉機械振動數據采集及分析預處理方法

傅磊, 曲曉峰

（哈電發電設備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150040）

0 引言

旋轉機械設備的振動分析與故障診斷技術一直是機械工程領域的研究熱點, 而振動數據采集系統的有效實施能夠為振動分析和診斷奠定良好的基礎。LabVIEW作為美國NI公司研制的功能強大的圖形化軟件開發環境,由于其方便快捷的圖形化編程方式,以及在信號采集、控制、仿真和數據分析領域應用的突出優勢,被廣泛用于眾多工業測控領域數據采集系統的設計和實施。眾多文獻都基于LabVIEW軟硬件開發技術, 圍繞旋轉機械設備的振動數據采集系統設計、振動分析及故障診斷系統設計等問題進行了廣泛研究。例如文獻[1]～[7]重點研究了基于LabVIEW的振動監測以及信號分析系統的軟硬件設計與實現技術,文獻[8]～[9]研究了基于FPGA的振動信號采集系統的開發技術,文獻[10]給出了振動信號同步采集系統的設計方法,文獻[11]設計了一種振動數據采集裝置。此外,在旋轉機械設備振動數據采集系統的設計中,除了選擇能夠滿足振動數據采集要求的硬件設備之外, 數據采集與處理軟件是系統的核心部分, 為了滿足振動信號時域和頻域的分析要求, 通常基于旋轉機械設備振動信號傳感器獲取的鍵相信號和振動位移信號, 采用整周期采集策略進行數據采集, 許多文獻也對振動數據的整周期采集技術進行了深入的研究工作[12-17]。

本文綜合了眾多文獻的研究成果, 給出了一種基于LabVIEW的振動數據采集以及數據分析預處理方法,該方法利用上位工控計算機和下位機——NI公司的CompactRIO嵌入式測控系統構建了硬件環境, 利用LabVIEW開發語言完成了數據采集與處理軟件開發。所給出的方法基于定時采集與重采樣采集技術相結合的整周期采集策略,能夠有效采集振動鍵相信號和振動位移信號的整周期數據,之后通過數據分析預處理過程一方面可以將采集的數據根據需要進行存儲,另一方面通過傅里葉變換以及幅值相位等特征量計算獲得振動位移信號的振動特征數據,得到的結果數據可通過TCP/IP通信發送至相應的振動分析診斷系統,為振動分析和故障診斷提供必要的分析數據。

1 硬件設計

旋轉機械振動數據采集及分析預處理硬件實現環境如圖1所示。硬件環境由振動分析計算機、上位采集計算機、下位NI CompactRIO 9039嵌入式測控設備及NI9229模擬量輸入模塊,以及網絡交換機構成。其中振動分析計算機配置振動分析與故障診斷系統,通過網絡接收上位采集計算機發送的振動分析所需數據,進行振動分析以及故障診斷, 由于本文主要針對采集及預處理技術進行研究,因此對振動分析與故障診斷系統不做重點論述。NI CompactRIO 9039嵌入式測控系統是NI公司開發的專門用于測控系統的硬件設備,提供了高性能處理器、專用的IO模塊及良好的開發軟件支持。其內部由一個配備嵌入式操作系統的嵌入式處理器、一個FPGA可編程背板機箱及8個專用IO模塊插槽構成, 基于嵌入式處理器的應用程序開發可實現毫秒級的軟實時測控應用, 基于FPGA的應用程序開發可實現納秒級的硬實時測控應用,基于專用IO模塊可連接多種類型傳感器,實現數據的高速實時采集。同時設備配備兩個RJ45網絡接口, 可用于連接上位計算機或者與其他網絡設備進行TCP/IP通信。NI CompactRIO設備的高可靠性、高處理性能、高穩定性、靈活配置方式使其成為工業物聯網、設備狀態監測，以及軟實時、硬實時控制應用的理想選擇。依據本文所設計的硬件結構,NI CompactRIO 9039嵌入式測控系統作為下位機,配置IO模塊NI9229,NI9229是一個模擬量輸入模塊,提供4路模擬量輸入接口,電壓輸入范圍為-60 V～+60 V,模塊可通過配置實現多種采樣頻率選擇,最高采樣速率為50 K/s。在本設計中, 使用一路AI接口連接鍵相傳感器獲取鍵相信號,再使用一路AI接口連接振動位移傳感器獲取振動位移信號, 在NI CompactRIO內采用FPGA可編程方式進行兩路AI輸入信號的采集策略編程, 實現鍵相信號和振動位移信號的采集,上位采集計算機與NI CompactRIO通過工業交換機連接,當需要進行跨網段數據傳輸時,可采用3層交換機或者路由器連接。上位采集計算機通過與NI CompactRIO進行TCP/IP通信獲得采集的數據后, 在上位采集計算機基于LabVIEW編程完成振動位移信號數據的整周期截取、擬合插值處理、特征量計算等功能,并通過TCP/IP通信向振動分析計算機發送振動分析與故障診斷所需的振動特征數據。

圖1 硬件實現結構

2 軟件設計

旋轉機械振動數據采集及數據分析預處理實現技術的核心是數據采集軟件, 軟件構成如圖2所示, 軟件由下位機NI CompactRIO程序和上位機采集計算機程序兩部分構成。下位機程序包含轉速測量模塊和定時采集模塊, 轉速測量模塊完成計算信號周期和旋轉設備轉速功能,定時采集模塊完成鍵相信號、振動位移信號、采樣點時間戳數據的定時采集功能。上位采集計算機程序主要包含信號截取模塊、擬合插值模塊、傅里葉變換計算模塊、特征量計算模塊及數據發送模塊。其中信號截取模塊獲得滿足振動分析所需的指定數量連續周期數據。擬合插值模塊進行擬合插值計算完成數據的重采樣,傅里葉變換計算模塊進行傅里葉變換計算,特征量計算模塊計算所有采樣點的幅值和相位, 并計算連續整周期內的峰峰值。數據發送模塊將轉速、幅值、相位、峰峰值、連續整周期采樣點數據一方面定時寫入本機的存儲文件供本機數據處理和分析使用,另一方面使用TCP/IP通信協議, 與振動分析與故障診斷計算機建立TCP/IP連接,定時將數據發送到振動分析計算機用于振動分析與故障診斷。

圖2 軟件實現結構

3 實驗驗證

基于上述旋轉機械設備振動數據采集及數據分析預處理的軟硬件設計方法和實現形式,本文搭建了系統的軟硬件仿真實驗測試環境,用于測試系統的運行效果,在測試中使用KEYSIGHT信號發生器輸出的兩路信號模擬現場振動信號,其中一路輸出采用幅值為1 V、頻率為50 Hz、占空比為20%的方波信號模擬實際鍵相信號, 如圖3所示。另一路輸出采用幅值為1 V、頻率為50 Hz的正弦信號模擬實際振動位移信號,如圖4所示。兩路信號發生器輸出信號分別通過BNC端子接線連接到NI9229的兩路模擬量輸入接口中。之后根據振動信號分析的要求, 通過軟件配置將整周期采樣輸出配置為輸出連續16個周期采樣數據,每個周期64個采樣點,共計1024個采樣點數據。在此條件下運行系統進行數據采集及數據分析預處理仿真過程。

圖3 振動鍵相信號仿真示意圖

圖4 振動位移信號仿真示意圖

圖5 給出了采集數據經過整周期采樣后輸出的16周期1024采樣點數據的結果顯示,從圖中可以看到, 經過系統軟件的數據采集和處理后能夠準確復現16個周期1024采樣點的振動信號, 滿足振動分析的數據量以及整周期輸出要求。圖6為整周期采集數據經過傅里葉變換后, 進行幅值計算得到的1024個點的幅值分布圖示,通過與理論計算對比分析,幅值計算結果與理論計算結果基本相符。圖7為整周期采集數據經過傅里葉變換后, 進行相位計算得到的1024個點的相位分布圖示,同樣通過與理論計算對比分析,相位計算結果與理論計算結果基本相符。由此表明了系統數據處理計算過程是正確的。圖8給出了系統最終得到的振動分析所需特征數據發送功能示意圖, 振動特征數據發送程序模塊通過配置目標計算機的網絡地址和端口, 發送至網絡中指定的振動分析計算機端口上。發送的內容包括峰峰值數據、轉速數據、256點幅值數據、256點相位數據, 所有以上數據打成一個數據包, 附加數據包時間戳數據進行定時發送。實測結果表明,振動分析計算機客戶端能夠正確定時接收到數據采集服務器端發送的數據, 表明系統可以實現與外部指定計算機的網絡數據傳輸功能,為振動分析系統提供振動分析數據。

圖5 振動數據整周期采集結果圖

圖6 振動數據整周期采集幅值分布圖

圖7 振動數據整周期采集相位分布圖

圖8 振動特征數據發送示意圖

4 結語

旋轉機械設備振動數據的有效采集是進行振動分析及故障診斷的先決條件, 本文給出了一種旋轉機械設備振動數據采集及數據分析預處理技術的設計和實現方法,所給出的方法使用NI CompactRIO嵌入式硬件測控設備及其專用模擬量IO模塊, 配合上位工控計算機, 基于LabVIEW軟件實現了振動數據的整周期采集, 以及振動分析所需特征數據預處理和計算功能, 并提供振動數據基于TCP/IP通信協議的網絡傳輸功能。仿真實驗結果表明系統運行效果良好, 能夠滿足旋轉機械設備振動數據采集需求, 并能夠為振動分析以及故障診斷系統提供數據支持, 系統的有效實現為旋轉機械設備振動數據采集系統的設計與實現技術提供了一種可借鑒的參考思路。