導(dǎo)語(yǔ)：離心泵機(jī)組故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:為了實(shí)現(xiàn)離心泵的預(yù)測(cè)性維護(hù)策略實(shí)施，基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了一種離心泵機(jī)組遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。通過(guò)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例，從總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選配和系統(tǒng)軟件構(gòu)建三個(gè)方面闡述了旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的一般性設(shè)計(jì)流程及軟件系統(tǒng)的LabVIEW實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞:離心泵;狀態(tài)監(jiān)測(cè);故障診斷;LabVIEW

離心泵是石油化工生產(chǎn)中的重要設(shè)備，石化化工生產(chǎn)的連續(xù)性特點(diǎn)要求離心泵機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)故障的發(fā)生能夠提前做出預(yù)測(cè)，從而可以根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)制定維修方案［1］。為了滿足故障可控的實(shí)際需求，對(duì)離心泵機(jī)組實(shí)施在線監(jiān)測(cè)和故障診斷是開(kāi)展預(yù)測(cè)性維護(hù)策略的前提與基礎(chǔ)。在離心泵各部件中，只有軸承的壽命存在很強(qiáng)的離散性，換而言之，若根據(jù)軸承的基本額定壽命選型，只能保證90%的可靠性，因此對(duì)軸承實(shí)施在線監(jiān)測(cè)和故障診斷是實(shí)現(xiàn)離心泵預(yù)測(cè)性維護(hù)的首要任務(wù)，也是保證離心泵正常運(yùn)行的最重要途徑。目前，針對(duì)離心泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷理論與技術(shù)在學(xué)術(shù)界得到了廣泛的研究［2－4］，本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，搭建了硬件采集系統(tǒng)并開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的軟件診斷系統(tǒng)，對(duì)離心泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采集，并通過(guò)TCP和串口通訊協(xié)議遠(yuǎn)程控制采集動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了離心泵振動(dòng)信號(hào)的波形顯示、存儲(chǔ)、故障診斷等功能。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)嚴(yán)酷的環(huán)境，系統(tǒng)選擇上下位架構(gòu)來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建。在現(xiàn)場(chǎng)，下位機(jī)選收稿日期:2021－01－9基金項(xiàng)目:甘肅省教育廳2020年高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2020A－197)作者簡(jiǎn)介:李彥軍(1988－)，男，甘肅秦安人，助教，碩士．擇NI公司的cDAQ控制器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集任務(wù)的控制;在集控中心，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)分析和指令發(fā)送等。數(shù)據(jù)的傳輸采用TCP通訊協(xié)議，指令通過(guò)串口協(xié)議發(fā)送與接受?？傮w框架圖如圖1所示.

2硬件選配

系統(tǒng)硬件主要有振動(dòng)傳感器、NIcDAQ控制器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)和光纖等組成。在傳感器的選擇上，結(jié)合位移、速度和加速度傳感器的適用特點(diǎn)與當(dāng)前的監(jiān)測(cè)需求，由于進(jìn)行的是較寬頻帶范圍高頻信號(hào)的排查性監(jiān)測(cè)任務(wù)，選擇了振動(dòng)加速度傳感器。設(shè)備振動(dòng)信號(hào)通常非常微弱，在工業(yè)上普遍采用的加速度傳感器是自帶電壓放大器的壓電集成電路加速度傳感器(IEPE)?？紤]到對(duì)軸承做包絡(luò)譜分析時(shí)，共振頻率帶在5000Hz左右，雖然根據(jù)采樣定理，選擇頻響范圍應(yīng)大于10000Hz的傳感器所采集的信號(hào)有幅值失真，但是在包絡(luò)分析時(shí)共振頻帶幅值的失真并不影響低頻分析結(jié)果，基于以上分析結(jié)果，所選傳感器型號(hào)如表1所示。cDAQ控制器是NI公司用來(lái)替代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品，其功能相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，可運(yùn)行Windows、Linux@Real－Time操作系統(tǒng)，可將C系列數(shù)據(jù)采集卡嵌入其插槽中實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的控制。以cDAQ－9132為例，可控制C系列I/O模塊與集成計(jì)算機(jī)之間的定時(shí)、同步和數(shù)據(jù)傳輸，擁有IntelAtom雙核處理器和16GB非易失性存儲(chǔ)，適用于數(shù)據(jù)記錄和嵌入式監(jiān)測(cè)，并且包含有各種標(biāo)準(zhǔn)連接和擴(kuò)展選項(xiàng)，包括SD存儲(chǔ)器、USB、以太網(wǎng)、RS232串口以及觸發(fā)器輸入等，可以將其與多達(dá)四個(gè)C系列I/O模塊組合，以便自定義模擬I/O、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器以及控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)測(cè)量和記錄系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集卡的選擇方面，需選擇能夠?yàn)镮EPE傳感器提供激勵(lì)電流且與cDAQ控制器適配的C系列板卡。以NI9234為例，包含有四個(gè)通道，最大采樣率為51．2kHz，集成了IEPE信號(hào)圖2cDAQ和C系列板卡集成調(diào)理功能，各輸入通道可同步測(cè)量信號(hào)，每個(gè)通道都內(nèi)置了能自適應(yīng)調(diào)整采樣率的抗混疊濾波器，常用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率分析和階次跟蹤等。將cDAQ－9132和NI9234集成后如圖2所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由美國(guó)NI公司推出LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言不僅能夠快速的搭建采集程序，同時(shí)也擁有強(qiáng)大的前端開(kāi)發(fā)能力。因此系統(tǒng)選擇LabVIEW為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行軟件系統(tǒng)地構(gòu)建。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)分為兩層:在下位機(jī)中布置的采集層和在上位機(jī)布置的診斷層。采集層程序包括數(shù)據(jù)采集模塊、TCP驅(qū)動(dòng)模塊、TCP發(fā)送模塊、VISA驅(qū)動(dòng)模塊。在數(shù)據(jù)采集模塊，NI－MAX是當(dāng)前所有NI數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)，在LabVIEW中有相應(yīng)的VI函數(shù)庫(kù)NI－DAQmx，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)VI，設(shè)定物理通道，采樣速率，采樣模式等相關(guān)參數(shù)就能快速實(shí)現(xiàn)程序?qū)鞲衅鞯目刂埔约皵?shù)據(jù)的采集，程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。TCP驅(qū)動(dòng)模塊在設(shè)定的端口不斷偵聽(tīng)用戶，當(dāng)有用戶訪問(wèn)時(shí)根據(jù)用戶ID與診斷層建立連接，通過(guò)TCP發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，程序設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。VISA模塊主要完成串口通訊連接，首先配置串口:選擇串口名稱，設(shè)定波特率和數(shù)據(jù)比特;讀取數(shù)據(jù)后通過(guò)字符串的模式匹配實(shí)現(xiàn)命令類型和命令數(shù)據(jù)的分離。診斷層功能包括TCP數(shù)據(jù)接收、串口指令發(fā)送、波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形顯示、特征指標(biāo)提取、故障診斷、故障預(yù)警等。TCP發(fā)送數(shù)據(jù)只需調(diào)用讀取TCP數(shù)據(jù)VI，讀取字符串?dāng)?shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)還原處理，就可得到與下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)格式相同的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。串口指令發(fā)送模塊相對(duì)簡(jiǎn)單，串口配置完成后僅需調(diào)用VISA函數(shù)，依據(jù)下位機(jī)VISA模塊已正則化的字符串格式寫(xiě)入即可。在波形存儲(chǔ)模塊，LabVIEW雖可以實(shí)現(xiàn)與MySQL、SQLServer等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，但是數(shù)據(jù)庫(kù)的功能受到了很大限制，考慮到在本系統(tǒng)中只需完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索，數(shù)據(jù)間并不存在復(fù)雜的邏輯關(guān)系，當(dāng)選擇TDMS格式存儲(chǔ)為宜;TDMS格式是LabVIEW專屬的一種二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型，適合存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，兼有高速、方便和易存取等優(yōu)點(diǎn)，其功能實(shí)現(xiàn)只需調(diào)用TDMS各VI就能完成波形數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀取。在故障診斷模塊，所要顯示的波形圖有時(shí)域波形以及波形的時(shí)域自相關(guān)圖、時(shí)域能量值、均值、均方根值、歪度、峭度和峰峰值，頻譜圖和包絡(luò)譜圖。自相關(guān)圖表征了測(cè)量信號(hào)的隨機(jī)性，可作為是否是周期信號(hào)的判斷依據(jù);均方根值反映信號(hào)能量大小，相當(dāng)于電學(xué)中的有效值，能夠評(píng)價(jià)振動(dòng)等級(jí)和烈度;若旋轉(zhuǎn)機(jī)械等設(shè)備當(dāng)存在某一方向的摩擦或碰撞，或者某一方向的支撐剛度較弱時(shí)，會(huì)造成振動(dòng)波形概率密度函數(shù)的不對(duì)稱，其歪度會(huì)增大;峭度指標(biāo)對(duì)沖擊成分最為敏感，當(dāng)早期發(fā)生故障時(shí)，大幅值的脈沖還不是很多，因此其均方根變化不大，但是其峭度指標(biāo)變化明顯，當(dāng)故障逐步發(fā)展時(shí)，峭度指標(biāo)上升明顯。除了以上時(shí)域指標(biāo)，頻譜波形可以作為軸系不對(duì)中、不平衡、松動(dòng)、油膜渦動(dòng)等故障的診斷依據(jù)。特別地，為了能夠發(fā)現(xiàn)軸承的早期故障，在系統(tǒng)中加入加速度包絡(luò)分析技術(shù)解調(diào)處理軸承故障信號(hào)。其原理為:采集得到振動(dòng)信號(hào)后，通過(guò)高通或帶通濾波，消除掉低頻干擾成分，提高信噪比后會(huì)得到一個(gè)周期性的調(diào)幅信號(hào)，載波是軸承和軸承座的共振頻率。通過(guò)包絡(luò)檢波器檢波后，去除掉高頻振動(dòng)衰減成分，得到只包含軸承故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào)。對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行FFT變換便可得到軸承故障特征頻譜圖。而滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架和外圈都有各自的特征頻率，若在故障特征頻譜圖上出現(xiàn)某一特征頻率峰值過(guò)大及其高次諧波，便說(shuō)明軸承的相應(yīng)部件已經(jīng)存在損傷。診斷過(guò)程如圖5所示，包絡(luò)譜分析的程序框圖如圖6所示。圖5診斷過(guò)程實(shí)現(xiàn)流程

4結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)上下位機(jī)架構(gòu)分別選配NI系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備搭建了硬件采集系統(tǒng)，基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言編寫(xiě)了軟件診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了離心泵機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)的采集與分析，完成了軸系不對(duì)中、不平衡，軸承內(nèi)部缺陷等故障的診斷，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)離心泵的預(yù)測(cè)性維護(hù)策略的實(shí)施提供了很好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):

［1］趙榮珍，盧文剛．基于LabVIEW的離心式化工泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，46(04):33－37．

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作者：李彥軍 王宇飛 單位：蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院