船舶机舱辅机设备振动监测系统设计

王之民，陈松涛，胡祥平

(镇江赛尔尼柯自动化有限公司，江苏 镇江 212000)

0 引言

船舶辅机设备运行工况为短时大功率、连续启停或连续高速运行等，变工况和辅机设备所处的复杂工作环境共同加快了设备磨损，且自身产生并叠加船体振动，易导致设备故障。如不及时排除隐患，将造成辅机设备不可逆的损坏，增加设备额外的维修费用[1]。

受制于国外价格高昂的振动监测系统，船东无法为船舶大面积装配在线式振动检测系统，更多采用手持式振动检测装置。虽然手持式振动检测装置检测速度快且结果精确，但是完成众多设备的单次检测周期仍耗时较长。此外，还因为周期性监测的原因，无法在第一时间检测到设备故障的发生。

本文基于三轴加速度传感器模块设计了振动状态采集模块。该模块在Modbus协议的基础上结合WPF框架开发上位软件并根据振动烈度评价标准，实现对船舶辅机设备振动状态的实时监测，并能够及时监测到异常振动状态，从而避免了有害振动对辅机设备造成进一步损害。

1 监控系统总体设计

1.1 系统功能要求

为满足未来船舶的发展需求，结合中国船级社《智能船舶规范》(2020)，设计了振动监测系统。该系统可实现对辅机振动状态的实时监测，并将数据存储进数据库，以解决传统检测方式耗时且无法第一时间发现故障的问题。具体功能包括：

(1)实时振动数据查询：对于所有被监测的辅机设备，能够在上位机端实时显示其振动频谱与振动烈度评级。

(2)振动异常报警：当辅机设备出现振动异常情况，提示报警，并存储报警信息。

(3)历史数据查询：能够查询特定时间段的历史数据。

(4)手动存储：针对特定振动状况能够手动存储当前的振动数据。

(5)定时存储：能够定时存储所有监测辅机设备的振动数据。

1.2 系统总体设计

整个系统由振动传感器模块、数据采集服务器和上位机3个部分组成。振动传感器模块包括加速度传感器、主控单元和通讯模块。加速度传感器采用微机电系统(MEMS)加速度传感器，通过主控单元将实时数据进行预处理、加窗、快速傅里叶变换后传输到数据采集服务器，再由数据采集服务器转发到上位机。其系统结构框图见图1。

2 振动传感器模块硬件设计

振动传感器模块主要由MEMS传感器、MCU模块和通讯模块共同组成。MEMS振动传感器具有低功耗、轻质量、高灵敏度、低噪声值的特点[2]，能够较好地采集辅机设备的振动信息。本系统设计采用ADIS16227型号的加速度传感器。该传感器最大检测加速度为70g，最大采样频率为100.2 kHz。MCU模块采用STM32F103低功耗ARM微处理器，通过SPI接口与传感器进行数据通讯。

图1 系统结构图

3 振动信号处理

船舶辅机设备健康评估通常采用振动速度作为判断依据。在实际工程中，受到传感器的制约，大多数情况下只能得到振动加速度信号。本文从传感器读取加速度信号后进行积分处理得出速度信号。对于积分方式，主要有时域积分和频域积分2种[3]。

3.1 时域积分

从传感器得到的振动加速度信号，即时域加速度信号序列为

a=a(k)，k=1,2,…，N

式中：a为加速度信号序列；k为某一个点的采样序号；N为采样点数。

加速度信号包含了传感器噪声和直流分量，需对原始数据进行零均值处理，消除趋势项，则有如下公式：

根据梯形积分法[4]，对应速度时域序列为

式中：v(k)为时域速度序列；Δt为采样间隔。

3.2 频域积分

频域积分原理主要利用傅里叶变换的积分原理，对去除趋势项的加速度信号a′进行傅里叶变换，同时为了减小频谱泄露加入汉宁窗得到：

式中：A(k)为经处理后时域加速度信号傅里叶变换序列；w(n)为汉宁窗序列；a′(n)为时域加速度值；j为虚数单位[5]；n为某一个点的采样序号。

根据频域积分定理，则速度频谱为

式中：V(k)为速度频谱序列；A(k)为加速度频谱序列；fs为采样频率；j为虚数单位。

3.3 仿真对比

为了对比2种方法的优劣，假设加速度信号为

a=100πcos 100πt-200πsin 60πt+

300πsin 300πt+μ

式中：μ为随机噪声。

设定采样频率为1 566 Hz，采样点数为512。利用时域和频域2种积分方式得到的速度波形对比结果见图2。图中，横坐标t为采样时间，纵坐标v为速度值。

图2 2种积分方式对比图

采用平均峰值误差作为评价标准，时域积分平均峰值误差为36.50%，频域积分平均峰值误差为5.62%。从图2可以看出，时域积分误差较大，并且出现明显偏移。在实际开发中使用频域积分方法，可以避免出现原理性偏移的现象。

3.4 振动烈度计算

振动烈度定义为某一频率范围内振动速度的均方根值，能够反映一台机械设备的振动状态。根据上节结果，本设计采取频域积分的方式计算振动烈度。速度频谱为

式中：W(k)为圆周序列。

由于加窗会对加速度信号的幅值谱产生影响，需要加入恢复系数K[6]。本设计中窗函数为汉宁窗，所以K=2.667。则振动速度有效值为

式中：Vrms为振动速度有效值。

本设计采用的三轴加速度传感器能够采集3个分量上的振动信号，根据《船舶机舱辅机振动烈度的测量和评价》，最终辅机设备的振动烈度Vs为

式中：Vs为辅机设备振动烈度值；Vxrms、Vyrms、Vzrms分别为3个互相垂直方向上的振动速度均方根值。振动烈度计算流程见图3。

图3 振动烈度计算流程

4 上位机开发

开发基于WPF框架的船舶辅机设备振动监测软件，其核心程序包括振动数据读取、振动烈度计算和数据存储。数据读取采用定时读取方式，上位机通过标准ModbusTcp协议从数据采集服务器读取振动加速度数据，并进行振动烈度计算。由于振动监测数据量大，因此对数据库存储和管理要求较高。根据单次采集三轴振动数据量，定时存储时间设置为10 min，同时可以通过手动存储按钮进行数据主动保存。采用MySQL数据库，根据日期+设备名的方式创建表，按照时间、振动烈度值、时域数据等不同参数创建列。上位机软件可以指定时间段查询历史数据，并可将查询结果导出至EXCEL。

5 结论

(1)本文振动监测系统利用傅里叶变换中频域积分的原理，得出加速度与速度之间的转换关系。

(2)利用成熟的Modbus协议与配套开发的上位机系统，实现了振动数据的采集、显示与存储，克服了传统监测方式中无法第一时间监测到设备异常振动的问题，同时为设备振动分析提供数据依据。

本系统在“中华复兴”号客滚船一段时间的运行使用，验证了检测系统的稳定可靠，有效地提高了管理人员对机舱设备的管理能力，减少了因设备异常故障所造成的损失。