一种旋转机械振动数据采集及分析预处理方法

傅磊, 曲晓峰

（哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150040）

0 引言

旋转机械设备的振动分析与故障诊断技术一直是机械工程领域的研究热点, 而振动数据采集系统的有效实施能够为振动分析和诊断奠定良好的基础。LabVIEW作为美国NI公司研制的功能强大的图形化软件开发环境,由于其方便快捷的图形化编程方式,以及在信号采集、控制、仿真和数据分析领域应用的突出优势,被广泛用于众多工业测控领域数据采集系统的设计和实施。众多文献都基于LabVIEW软硬件开发技术, 围绕旋转机械设备的振动数据采集系统设计、振动分析及故障诊断系统设计等问题进行了广泛研究。例如文献[1]～[7]重点研究了基于LabVIEW的振动监测以及信号分析系统的软硬件设计与实现技术,文献[8]～[9]研究了基于FPGA的振动信号采集系统的开发技术,文献[10]给出了振动信号同步采集系统的设计方法,文献[11]设计了一种振动数据采集装置。此外,在旋转机械设备振动数据采集系统的设计中,除了选择能够满足振动数据采集要求的硬件设备之外, 数据采集与处理软件是系统的核心部分, 为了满足振动信号时域和频域的分析要求, 通常基于旋转机械设备振动信号传感器获取的键相信号和振动位移信号, 采用整周期采集策略进行数据采集, 许多文献也对振动数据的整周期采集技术进行了深入的研究工作[12-17]。

本文综合了众多文献的研究成果, 给出了一种基于LabVIEW的振动数据采集以及数据分析预处理方法,该方法利用上位工控计算机和下位机——NI公司的CompactRIO嵌入式测控系统构建了硬件环境, 利用LabVIEW开发语言完成了数据采集与处理软件开发。所给出的方法基于定时采集与重采样采集技术相结合的整周期采集策略,能够有效采集振动键相信号和振动位移信号的整周期数据,之后通过数据分析预处理过程一方面可以将采集的数据根据需要进行存储,另一方面通过傅里叶变换以及幅值相位等特征量计算获得振动位移信号的振动特征数据,得到的结果数据可通过TCP/IP通信发送至相应的振动分析诊断系统,为振动分析和故障诊断提供必要的分析数据。

1 硬件设计

旋转机械振动数据采集及分析预处理硬件实现环境如图1所示。硬件环境由振动分析计算机、上位采集计算机、下位NI CompactRIO 9039嵌入式测控设备及NI9229模拟量输入模块,以及网络交换机构成。其中振动分析计算机配置振动分析与故障诊断系统,通过网络接收上位采集计算机发送的振动分析所需数据,进行振动分析以及故障诊断, 由于本文主要针对采集及预处理技术进行研究,因此对振动分析与故障诊断系统不做重点论述。NI CompactRIO 9039嵌入式测控系统是NI公司开发的专门用于测控系统的硬件设备,提供了高性能处理器、专用的IO模块及良好的开发软件支持。其内部由一个配备嵌入式操作系统的嵌入式处理器、一个FPGA可编程背板机箱及8个专用IO模块插槽构成, 基于嵌入式处理器的应用程序开发可实现毫秒级的软实时测控应用, 基于FPGA的应用程序开发可实现纳秒级的硬实时测控应用,基于专用IO模块可连接多种类型传感器,实现数据的高速实时采集。同时设备配备两个RJ45网络接口, 可用于连接上位计算机或者与其他网络设备进行TCP/IP通信。NI CompactRIO设备的高可靠性、高处理性能、高稳定性、灵活配置方式使其成为工业物联网、设备状态监测，以及软实时、硬实时控制应用的理想选择。依据本文所设计的硬件结构,NI CompactRIO 9039嵌入式测控系统作为下位机,配置IO模块NI9229,NI9229是一个模拟量输入模块,提供4路模拟量输入接口,电压输入范围为-60 V～+60 V,模块可通过配置实现多种采样频率选择,最高采样速率为50 K/s。在本设计中, 使用一路AI接口连接键相传感器获取键相信号,再使用一路AI接口连接振动位移传感器获取振动位移信号, 在NI CompactRIO内采用FPGA可编程方式进行两路AI输入信号的采集策略编程, 实现键相信号和振动位移信号的采集,上位采集计算机与NI CompactRIO通过工业交换机连接,当需要进行跨网段数据传输时,可采用3层交换机或者路由器连接。上位采集计算机通过与NI CompactRIO进行TCP/IP通信获得采集的数据后, 在上位采集计算机基于LabVIEW编程完成振动位移信号数据的整周期截取、拟合插值处理、特征量计算等功能,并通过TCP/IP通信向振动分析计算机发送振动分析与故障诊断所需的振动特征数据。

图1 硬件实现结构

2 软件设计

旋转机械振动数据采集及数据分析预处理实现技术的核心是数据采集软件, 软件构成如图2所示, 软件由下位机NI CompactRIO程序和上位机采集计算机程序两部分构成。下位机程序包含转速测量模块和定时采集模块, 转速测量模块完成计算信号周期和旋转设备转速功能,定时采集模块完成键相信号、振动位移信号、采样点时间戳数据的定时采集功能。上位采集计算机程序主要包含信号截取模块、拟合插值模块、傅里叶变换计算模块、特征量计算模块及数据发送模块。其中信号截取模块获得满足振动分析所需的指定数量连续周期数据。拟合插值模块进行拟合插值计算完成数据的重采样,傅里叶变换计算模块进行傅里叶变换计算,特征量计算模块计算所有采样点的幅值和相位, 并计算连续整周期内的峰峰值。数据发送模块将转速、幅值、相位、峰峰值、连续整周期采样点数据一方面定时写入本机的存储文件供本机数据处理和分析使用,另一方面使用TCP/IP通信协议, 与振动分析与故障诊断计算机建立TCP/IP连接,定时将数据发送到振动分析计算机用于振动分析与故障诊断。

图2 软件实现结构

3 实验验证

基于上述旋转机械设备振动数据采集及数据分析预处理的软硬件设计方法和实现形式,本文搭建了系统的软硬件仿真实验测试环境,用于测试系统的运行效果,在测试中使用KEYSIGHT信号发生器输出的两路信号模拟现场振动信号,其中一路输出采用幅值为1 V、频率为50 Hz、占空比为20%的方波信号模拟实际键相信号, 如图3所示。另一路输出采用幅值为1 V、频率为50 Hz的正弦信号模拟实际振动位移信号,如图4所示。两路信号发生器输出信号分别通过BNC端子接线连接到NI9229的两路模拟量输入接口中。之后根据振动信号分析的要求, 通过软件配置将整周期采样输出配置为输出连续16个周期采样数据,每个周期64个采样点,共计1024个采样点数据。在此条件下运行系统进行数据采集及数据分析预处理仿真过程。

图3 振动键相信号仿真示意图

图4 振动位移信号仿真示意图

图5 给出了采集数据经过整周期采样后输出的16周期1024采样点数据的结果显示,从图中可以看到, 经过系统软件的数据采集和处理后能够准确复现16个周期1024采样点的振动信号, 满足振动分析的数据量以及整周期输出要求。图6为整周期采集数据经过傅里叶变换后, 进行幅值计算得到的1024个点的幅值分布图示,通过与理论计算对比分析,幅值计算结果与理论计算结果基本相符。图7为整周期采集数据经过傅里叶变换后, 进行相位计算得到的1024个点的相位分布图示,同样通过与理论计算对比分析,相位计算结果与理论计算结果基本相符。由此表明了系统数据处理计算过程是正确的。图8给出了系统最终得到的振动分析所需特征数据发送功能示意图, 振动特征数据发送程序模块通过配置目标计算机的网络地址和端口, 发送至网络中指定的振动分析计算机端口上。发送的内容包括峰峰值数据、转速数据、256点幅值数据、256点相位数据, 所有以上数据打成一个数据包, 附加数据包时间戳数据进行定时发送。实测结果表明,振动分析计算机客户端能够正确定时接收到数据采集服务器端发送的数据, 表明系统可以实现与外部指定计算机的网络数据传输功能,为振动分析系统提供振动分析数据。

图5 振动数据整周期采集结果图

图6 振动数据整周期采集幅值分布图

图7 振动数据整周期采集相位分布图

图8 振动特征数据发送示意图

4 结语

旋转机械设备振动数据的有效采集是进行振动分析及故障诊断的先决条件, 本文给出了一种旋转机械设备振动数据采集及数据分析预处理技术的设计和实现方法,所给出的方法使用NI CompactRIO嵌入式硬件测控设备及其专用模拟量IO模块, 配合上位工控计算机, 基于LabVIEW软件实现了振动数据的整周期采集, 以及振动分析所需特征数据预处理和计算功能, 并提供振动数据基于TCP/IP通信协议的网络传输功能。仿真实验结果表明系统运行效果良好, 能够满足旋转机械设备振动数据采集需求, 并能够为振动分析以及故障诊断系统提供数据支持, 系统的有效实现为旋转机械设备振动数据采集系统的设计与实现技术提供了一种可借鉴的参考思路。