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[導(dǎo)讀]引言  傳統(tǒng)的振動(dòng)分析儀器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、操作不方便等特點(diǎn);而基于單片機(jī)的振動(dòng)采集分析儀雖然體積較小,但是分析能力有限,往往不能夠滿足振動(dòng)分析與診斷的特殊要求。  本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)分析儀以Compact

引言

  傳統(tǒng)的振動(dòng)分析儀器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、操作不方便等特點(diǎn);而基于單片機(jī)的振動(dòng)采集分析儀雖然體積較小,但是分析能力有限,往往不能夠滿足振動(dòng)分析與診斷的特殊要求。

  本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)分析儀以CompactRIO為采集設(shè)備,以Labview為軟件開發(fā)平臺(tái),不但具有體積小、重量輕的特點(diǎn),而且具有強(qiáng)大、靈活的專業(yè)分析能力,適合于測點(diǎn)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(jī)結(jié)構(gòu),下位機(jī)將采集到的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)信號(hào)通過TCP/IP協(xié)議傳送給上位機(jī),上位機(jī)進(jìn)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(shí)時(shí)檢測發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是否超標(biāo),離線分析工具可以幫助操作者判斷出現(xiàn)振動(dòng)異常的原因。

  系統(tǒng)設(shè)計(jì)與特性

  系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上追求柔性測試技術(shù)可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性五大方面特性。

  系統(tǒng)適應(yīng)性

  本系統(tǒng)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(yīng)外場測試。

  為了使整個(gè)系統(tǒng)攜帶方便,該振動(dòng)儀在設(shè)計(jì)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(shè)備選擇質(zhì)量與體積都比較小的CompactRIO。整個(gè)系統(tǒng)體積小,重量輕(大概11Kg),方便攜帶。

  上位機(jī)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(shè)計(jì),在其左側(cè)開有凹槽,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 接口面板說明

  此外,裝設(shè)備箱體選用軍用箱體,堅(jiān)固耐用,能夠有效保護(hù)箱體內(nèi)的設(shè)備不受損傷。

  系統(tǒng)擴(kuò)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(shè)計(jì)中,將功能比較集中、應(yīng)用次數(shù)較多的程序設(shè)計(jì)成模塊,各模塊之間耦合性小,使得系統(tǒng)易于維護(hù),哪部分出問題就檢查特定的模塊。系統(tǒng)易于擴(kuò)展,可以在系統(tǒng)中增加其他模塊以擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。另外,CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊,為了實(shí)現(xiàn)FPGA設(shè)備的可擴(kuò)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(yīng)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(jī)軟件與下位機(jī)軟件,上位機(jī)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(chǔ)模塊。下位機(jī)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(jī)軟件能夠進(jìn)行2路轉(zhuǎn)速信號(hào)以及4路振動(dòng)信號(hào)的測試。其中,TCP/IP模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)通訊,接收并處理上位機(jī)的命令、將運(yùn)行狀態(tài)或采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī);Order manage模塊負(fù)責(zé)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(dòng)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(jī)軟件中,TCP/IP模塊負(fù)責(zé)與下位機(jī)進(jìn)行通信,向下位機(jī)發(fā)送命令并接收下位機(jī)返回來的狀態(tài)以及采集數(shù)據(jù);系統(tǒng)配置模塊負(fù)責(zé)采集通道選擇、通道邏輯名稱的命名、波形顏色的設(shè)置、標(biāo)定系數(shù)以及通道閾值的設(shè)定;數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)軟件的核心部分,可將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析以及離線分析;存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)對(duì)離線分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

  系統(tǒng)可靠性

  系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論MTBF指標(biāo)(平均無故障時(shí)間)約為3500小時(shí), MTTR指標(biāo)(系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間)小于等于30分鐘。為實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo),首先在硬件選擇上注意每個(gè)硬件的MTBF指標(biāo),然后通過理論計(jì)算確保整個(gè)系統(tǒng)的MTBF指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)要求,另外,在筆記本拖架上裝有排風(fēng)扇,設(shè)計(jì)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)儀的操作說明書中給出了筆記本不工作、信號(hào)波形不顯示、信號(hào)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(biāo)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(shè)計(jì)的重中之重。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種方法,分別是瀏覽數(shù)據(jù)波形、重放振動(dòng)聲音以及通過報(bào)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(dòng)游標(biāo)瀏覽影片,當(dāng)用鼠標(biāo)拖動(dòng)如圖3所示的游標(biāo)時(shí),系統(tǒng)會(huì)讀取相應(yīng)時(shí)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(dòng)聲音把每個(gè)通道特定時(shí)間段的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過聲音進(jìn)行播放,通過聽覺判斷該段數(shù)據(jù)是否存在異常。

  通過報(bào)警記錄可以調(diào)用系統(tǒng)記錄下來的振動(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始時(shí)間,讀取出現(xiàn)異常時(shí)刻的數(shù)據(jù),并進(jìn)行有針對(duì)性的分析。

  分析能力

  該系統(tǒng)具有專業(yè)的分析能力。設(shè)計(jì)的在線分析算法有振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)域波形的顯示、振動(dòng)信號(hào)的最大值計(jì)算等。在線分析需要運(yùn)算速度快,且要快于采集速度,減少屬性節(jié)點(diǎn)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(jìn)行更加詳細(xì)專業(yè)的分析,如時(shí)域波形最大值、有效值計(jì)算,軸心軌跡分析等。離線算法對(duì)運(yùn)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(hào)與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行階次分析計(jì)算,找到振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而能夠比較準(zhǔn)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(yīng)了轉(zhuǎn)子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況,包含了豐富的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信息。本系統(tǒng)通過采集的兩路垂直于軸心的振動(dòng)信號(hào)以及轉(zhuǎn)子的方向計(jì)算軸心軌跡。

  結(jié)語

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

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