便攜式振動分析儀測試研究

引言

便攜式振動儀是隨著設備故障診斷需求不斷提高而發(fā)展起來的面向現(xiàn)場的測試儀器。傳統(tǒng)的振動分析儀器具有結(jié)構(gòu)復雜、體積大、操作不方便等特點；而基于單片機的振動采集分析儀雖然體積較小，但是分析能力有限，往往不能夠滿足振動分析與診斷的特殊要求。

本文所設計的振動分析儀以CompactRIO為采集設備，以Labview為軟件開發(fā)平臺，不但具有體積小、重量輕的特點，而且具有強大、靈活的專業(yè)分析能力，適合于測點分散而又不需要持續(xù)檢測的測試場合。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用上下位機結(jié)構(gòu)，下位機將采集到的轉(zhuǎn)速和振動信號通過TCP/IP協(xié)議傳送給上位機，上位機進行數(shù)據(jù)保存與分析。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

通過在線分析工具，操作者可以實時檢測發(fā)動機振動是否超標，離線分析工具可以幫助操作者判斷出現(xiàn)振動異常的原因。

系統(tǒng)設計與特性

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

系統(tǒng)適應性

本系統(tǒng)具有便攜、防雨淋、防摔、防振動的性質(zhì)，使振動儀能夠適應外場測試。

為了使整個系統(tǒng)攜帶方便，該振動儀在設計選型上選擇性能能夠滿足測試要求且質(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。整個系統(tǒng)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，筆記本拖架也進行了防雨淋的設計，在其左側(cè)開有凹槽，接口以及風扇出風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(nèi)的設備不受損傷。

系統(tǒng)擴展性

系統(tǒng)能夠直接通過插拔來增加或減少FPGA硬件，能夠根據(jù)用戶的要求增加離線分析算法，方便增加系統(tǒng)功能。

在設計中，將功能比較集中、應用次數(shù)較多的程序設計成模塊，各模塊之間耦合性小，使得系統(tǒng)易于維護，哪部分出問題就檢查特定的模塊。系統(tǒng)易于擴展，可以在系統(tǒng)中增加其他模塊以擴展系統(tǒng)的功能。另外，CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊，為了實現(xiàn)FPGA設備的可擴展性，通過一次性將所有可能存在的板卡的端口讀取都編寫到程序中，然后根據(jù)Host下獲取的板卡信息讀取相應板卡的數(shù)據(jù)，滿足板卡增減的要求。

本系統(tǒng)分為上位機軟件與下位機軟件，上位機軟件又分為TCP/IP模塊、系統(tǒng)配置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及存儲模塊。下位機軟件分為TCP/IP模塊、Order manage模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊。

下位機軟件能夠進行2路轉(zhuǎn)速信號以及4路振動信號的測試。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)或采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機；Order manage模塊負責接收TCP/IP線程接收的命令，向TCP線程返回狀態(tài)信息，并驅(qū)動采集模塊采集數(shù)據(jù)；采集模塊配置采集參數(shù)，采集數(shù)據(jù)并向Order manage模塊返回采集數(shù)據(jù)。

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

系統(tǒng)可靠性

系統(tǒng)設計理論MTBF指標(平均無故障時間)約為3500小時， MTTR指標(系統(tǒng)平均修復時間)小于等于30分鐘。為實現(xiàn)這一指標，首先在硬件選擇上注意每個硬件的MTBF指標，然后通過理論計算確保整個系統(tǒng)的MTBF指標能夠滿足設計要求，另外，在筆記本拖架上裝有排風扇，設計有進風口與排風口，能夠及時將CRIO與電源產(chǎn)生的熱量排出，確保儀器的正常使用；其次，在振動儀的操作說明書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分鐘以內(nèi)。

系統(tǒng)靈活性

從數(shù)據(jù)文件中迅速找到異常數(shù)據(jù)是設計的重中之重。本系統(tǒng)設計了三種方法，分別是瀏覽數(shù)據(jù)波形、重放振動聲音以及通過報警記錄來查找數(shù)據(jù)。

瀏覽波形數(shù)據(jù)類似于Media Player中拖動游標瀏覽影片，當用鼠標拖動如圖3所示的游標時，系統(tǒng)會讀取相應時間段的波形顯示在波形圖中。

圖3 瀏覽數(shù)據(jù)波形界面

重放振動聲音把每個通道特定時間段的振動數(shù)據(jù)通過聲音進行播放，通過聽覺判斷該段數(shù)據(jù)是否存在異常。

通過報警記錄可以調(diào)用系統(tǒng)記錄下來的振動發(fā)生異常的時間，然后將該時間鍵入瀏覽波形界面中的開始時間，讀取出現(xiàn)異常時刻的數(shù)據(jù)，并進行有針對性的分析。

分析能力

該系統(tǒng)具有專業(yè)的分析能力。設計的在線分析算法有振動信號與轉(zhuǎn)速信號時域波形的顯示、振動信號的最大值計算等。在線分析需要運算速度快，且要快于采集速度，減少屬性節(jié)點及寄存器的使用可以滿足條件。

離線分析可將保存的數(shù)據(jù)調(diào)出進行更加詳細專業(yè)的分析，如時域波形最大值、有效值計算，軸心軌跡分析等。離線算法對運算速度的要求不高，可以根據(jù)用戶增加算法，比如階次分析與軸心軌跡分析。

階次分析能夠根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速信號與振動信號進行階次分析計算，找到振動信號與轉(zhuǎn)速信號之間的對應關系，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地反應了轉(zhuǎn)子的實際運動狀況，包含了豐富的旋轉(zhuǎn)機械故障信息。本系統(tǒng)通過采集的兩路垂直于軸心的振動信號以及轉(zhuǎn)子的方向計算軸心軌跡。

結(jié)語

本文所設計的便攜式振動儀中，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，對外接口部分也進行了防雨淋設計，使得該儀器能夠適應戶外以及條件惡劣環(huán)境下進行的測試。另外，軟件設計也充分考慮了用戶對測試系統(tǒng)可靠性、擴展性和靈活性等的需求，能有效測試出發(fā)動機是否存在異常，并能夠幫助操作者判斷異常的原因。