便攜式振動(dòng)分析儀方案設(shè)計(jì)介紹

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(kāi)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(cè)點(diǎn)分散而又不需要持續(xù)檢測(cè)的測(cè)試場(chǎng)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(guò)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(jiǎn)圖

　　通過(guò)在線分析工具，操作者可以實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)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(chǎng)測(cè)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(cè)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(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(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(guò)插拔來(lái)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(wèn)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(guò)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(cè)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(lái)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(lái)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(wú)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(guò)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(shuō)明書(shū)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(guò)報(bào)警記錄來(lái)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(guò)聲音進(jìn)行播放，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)判斷該段數(shù)據(jù)是否存在異常。

　　通過(guò)報(bào)警記錄可以調(diào)用系統(tǒng)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(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(guò)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(yǔ)

　　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(cè)試。另外，軟件設(shè)計(jì)也充分考慮了用戶對(duì)測(cè)試系統(tǒng)可靠性、擴(kuò)展性和靈活性等的需求，能有效測(cè)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