便攜式振動(dòng)分析儀測試研究

引言

便攜式振動(dòng)儀是隨著(zhù)設備故障診斷需求不斷提高而發(fā)展起來(lái)的面向現場(chǎng)的測試儀器。傳統的振動(dòng)分析儀器具有結構復雜、體積大、操作不方便等特點(diǎn)；而基于單片機的振動(dòng)采集分析儀雖然體積較小，但是分析能力有限，往往不能夠滿(mǎn)足振動(dòng)分析與診斷的特殊要求。

本文所設計的振動(dòng)分析儀以CompactRIO為采集設備，以L(fǎng)abview為軟件開(kāi)發(fā)平臺，不但具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，而且具有強大、靈活的專(zhuān)業(yè)分析能力，適合于測點(diǎn)分散而又不需要持續檢測的測試場(chǎng)合。

系統結構

系統采用上下位機結構，下位機將采集到的轉速和振動(dòng)信號通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳送給上位機，上位機進(jìn)行數據保存與分析。結構如圖1所示。

圖1 系統結構簡(jiǎn)圖

通過(guò)在線(xiàn)分析工具，操作者可以實(shí)時(shí)檢測發(fā)動(dòng)機振動(dòng)是否超標，離線(xiàn)分析工具可以幫助操作者判斷出現振動(dòng)異常的原因。

系統設計與特性

系統在設計上追求柔性測試技術(shù)可靠性、精確性、擴展性、適應性和靈活性五大方面特性。

系統適應性

本系統具有便攜、防雨淋、防摔、防振動(dòng)的性質(zhì)，使振動(dòng)儀能夠適應外場(chǎng)測試。

為了使整個(gè)系統攜帶方便，該振動(dòng)儀在設計選型上選擇性能能夠滿(mǎn)足測試要求且質(zhì)量又輕的硬件，比如采集設備選擇質(zhì)量與體積都比較小的CompactRIO。整個(gè)系統體積小，重量輕(大概11Kg)，方便攜帶。
上位機選用軍用筆記本，本身具有防雨淋的功能。另外，筆記本拖架也進(jìn)行了防雨淋的設計，在其左側開(kāi)有凹槽，接口以及風(fēng)扇出風(fēng)口全部安裝在凹槽里，能有效防止雨淋，適用于雨天作業(yè)，接口面板如圖2所示。

圖2 接口面板說(shuō)明

此外，裝設備箱體選用軍用箱體，堅固耐用，能夠有效保護箱體內的設備不受損傷。

系統擴展性

系統能夠直接通過(guò)插拔來(lái)增加或減少FPGA硬件，能夠根據用戶(hù)的要求增加離線(xiàn)分析算法，方便增加系統功能。

在設計中，將功能比較集中、應用次數較多的程序設計成模塊，各模塊之間耦合性小，使得系統易于維護，哪部分出問(wèn)題就檢查特定的模塊。系統易于擴展，可以在系統中增加其他模塊以擴展系統的功能。另外，CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊，為了實(shí)現FPGA設備的可擴展性，通過(guò)一次性將所有可能存在的板卡的端口讀取都編寫(xiě)到程序中，然后根據Host下獲取的板卡信息讀取相應板卡的數據，滿(mǎn)足板卡增減的要求。

本系統分為上位機軟件與下位機軟件，上位機軟件又分為T(mén)CP/IP模塊、系統配置模塊、數據處理模塊以及存儲模塊。下位機軟件分為T(mén)CP/IP模塊、Order manage模塊以及數據采集模塊。

下位機軟件能夠進(jìn)行2路轉速信號以及4路振動(dòng)信號的測試。其中，TCP/IP模塊負責與上位機通訊，接收并處理上位機的命令、將運行狀態(tài)或采集來(lái)的數據發(fā)送給上位機；Order manage模塊負責接收TCP/IP線(xiàn)程接收的命令，向TCP線(xiàn)程返回狀態(tài)信息，并驅動(dòng)采集模塊采集數據；采集模塊配置采集參數，采集數據并向Order manage模塊返回采集數據。

上位機軟件中，TCP/IP模塊負責與下位機進(jìn)行通信，向下位機發(fā)送命令并接收下位機返回來(lái)的狀態(tài)以及采集數據；系統配置模塊負責采集通道選擇、通道邏輯名稱(chēng)的命名、波形顏色的設置、標定系數以及通道閾值的設定；數據處理模塊是整個(gè)軟件的核心部分，可將采集到的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析以及離線(xiàn)分析；存儲模塊負責對離線(xiàn)分析的數據進(jìn)行存儲。

系統可靠性

系統設計理論MTBF指標(平均無(wú)故障時(shí)間)約為3500小時(shí)， MTTR指標(系統平均修復時(shí)間)小于等于30分鐘。為實(shí)現這一指標，首先在硬件選擇上注意每個(gè)硬件的MTBF指標，然后通過(guò)理論計算確保整個(gè)系統的MTBF指標能夠滿(mǎn)足設計要求，另外，在筆記本拖架上裝有排風(fēng)扇，設計有進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口，能夠及時(shí)將CRIO與電源產(chǎn)生的熱量排出，確保儀器的正常使用；其次，在振動(dòng)儀的操作說(shuō)明書(shū)中給出了筆記本不工作、信號波形不顯示、信號波形顯示為噪聲以及軟件故障診斷方法流程圖，可以保證MTTR指標在30分鐘以?xún)取?/p>

系統靈活性

從數據文件中迅速找到異常數據是設計的重中之重。本系統設計了三種方法，分別是瀏覽數據波形、重放振動(dòng)聲音以及通過(guò)報警記錄來(lái)查找數據。

瀏覽波形數據類(lèi)似于Media Player中拖動(dòng)游標瀏覽影片，當用鼠標拖動(dòng)如圖3所示的游標時(shí)，系統會(huì )讀取相應時(shí)間段的波形顯示在波形圖中。

圖3 瀏覽數據波形界面

重放振動(dòng)聲音把每個(gè)通道特定時(shí)間段的振動(dòng)數據通過(guò)聲音進(jìn)行播放，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)判斷該段數據是否存在異常。

通過(guò)報警記錄可以調用系統記錄下來(lái)的振動(dòng)發(fā)生異常的時(shí)間，然后將該時(shí)間鍵入瀏覽波形界面中的開(kāi)始時(shí)間，讀取出現異常時(shí)刻的數據，并進(jìn)行有針對性的分析。

分析能力

該系統具有專(zhuān)業(yè)的分析能力。設計的在線(xiàn)分析算法有振動(dòng)信號與轉速信號時(shí)域波形的顯示、振動(dòng)信號的最大值計算等。在線(xiàn)分析需要運算速度快，且要快于采集速度，減少屬性節點(diǎn)及寄存器的使用可以滿(mǎn)足條件。

離線(xiàn)分析可將保存的數據調出進(jìn)行更加詳細專(zhuān)業(yè)的分析，如時(shí)域波形最大值、有效值計算，軸心軌跡分析等。離線(xiàn)算法對運算速度的要求不高，可以根據用戶(hù)增加算法，比如階次分析與軸心軌跡分析。

階次分析能夠根據采集到的轉速信號與振動(dòng)信號進(jìn)行階次分析計算，找到振動(dòng)信號與轉速信號之間的對應關(guān)系，從而能夠比較準確地找到故障的原因與位置。

軸心軌跡分析形象直觀(guān)地反應了轉子的實(shí)際運動(dòng)狀況，包含了豐富的旋轉機械故障信息。本系統通過(guò)采集的兩路垂直于軸心的振動(dòng)信號以及轉子的方向計算軸心軌跡。

結語(yǔ)

本文所設計的便攜式振動(dòng)儀中，下位機采集模塊采用體積與重量較小的CompactRIO，上位機采用堅固耐用的軍用筆記本，外殼采用軍用箱體，防振防摔，對外接口部分也進(jìn)行了防雨淋設計，使得該儀器能夠適應戶(hù)外以及條件惡劣環(huán)境下進(jìn)行的測試。另外，軟件設計也充分考慮了用戶(hù)對測試系統可靠性、擴展性和靈活性等的需求，能有效測試出發(fā)動(dòng)機是否存在異常，并能夠幫助操作者判斷異常的原因。