基于LabVIEW数据采集的大型机械故障诊断分析系统

2013-11-25刘晓燕陈宇佳

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年6期

刘晓燕，吴娜，陈宇佳

(中船重工第713 研究所，河南郑州450052)

随着现代化程度的不断提高，大型机械设备的组成也越来越复杂，造成故障的原因也越来越多，对设备进行故障诊断，及时判断故障类型及故障位置，可以预防和消除设备故障，保证设备安全运行［1］.大型机械故障诊断的内容包括状态检测、分析诊断和故障预测3 个部分，数据的采集与分析是设备状态检测的重要组成部分.

LabVIEW 软件是由美国NI 公司开发的一种图形化编程语言，是目前应用较广的一种开发软件.它提供了比较直观的图形化编程方式，包含了很多工程应用函数和模块化编程，简单易操作，可节省大量的开发时间［2－3］.笔者预设计的基于LabVIEW 的大型机械故障诊断分析系统，实质上是将机械的传统硬件设备与计算机软件平台充分结合起来，设计出更好的人机交互界面［4］.

1 系统组成

该故障诊断分析系统包括:机械硬件驱动系统、传感器、数据采集卡(振动信号采集系统)和计算机(故障诊断分析系统)等，流程如图1所示.同时，在设计该系统时，应充分考虑各方因素，确保系统的先进性、可靠性和实用性.

该系统软件平台显示主界面主要包括:模拟信号分析系统、频域分析系统和相关分析系统.其中模拟信号分析系统是针对软件生成的模拟信号. 频域分析系统和相关分析系统是和数据采集接口相连的，对采集到的数据进行分析判断.

图1 故障诊断系统设计流程

2 系统设计

2.1 数据采集接口设计

针对该诊断系统，数据采集接口是整个系统数据来源的关键，采集的数据质量直接影响后续对数据的处理，因此数据采集接口设计时，传感器、数据采集卡的选取尤为重要. 该接口设计选用美国PCB公司生产的352C65 型加速度传感器和北京京航公司生产的HG－8900 系列采集箱. 数据采集接口的程序框图如图2所示.

通过传感器测量得到的加速度信号是模拟电信号，对模拟信号进行处理，再通过数据采集接口将处理后的模拟信号转换成数字信号传输给计算机进行分析处理.信号调理是两者之间的桥梁，负责将传感器输出的信号和数据采集模块可以接受的信号类型联系起来.

图2 数据采集接口的程序框图

2.2 模拟信号分析模块设计

模拟信号系统利用由仿真信号生成的正弦、方波、三角等信号进行模拟分析，对模拟信号加窗将改变时域信号及其频谱的形状，对加窗后的信号进行周期延拓，可以很大程度上减少信号的不连续性.以正弦信号为例，给出正弦信号在加窗时的幅值谱程序，如图3所示.

图3 正弦信号加窗时的幅值谱程序图

2.3 频域分析模块设计

频域分析是大型机械故障诊断分析中最常用且最重要的信号分析方法，实际工作中所测得的振动信号大部分为时域信号，然而故障的发生往往会引起信号的频率结构发生很大变化.因此，为了通过所测得的时域信号分析大型机械故障所在，往往需要分析振动信号的频域信息［5］. 将时域信号通过傅立叶变换变换为频域信号进而加以分析的方法称为频域分析法.频域分析法是基于信号的频谱分析展开的，频域分析系统是应用数据采集的软件分析平台，通过传感器、采集箱和采集接口将数据采集上来，对采集到的数据进行频域分析. 频域分析系统分为线性谱图分析和对数谱图分析. 线性谱图分析的特点是比较直观，但不易发现许多弱故障信号.针对这种情况，可以使用对数谱图进行分析.对数谱图包括幅值谱、功率谱、功率倒频谱等. 频域分析系统的程序如图4所示.